人工湖對沽源退化草地土壤碳、氮、磷的時空影響

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(1. 中國農業大學動物科技學院 草業科學系， 北京 100193; 2. 中國農業大學資源與環境學院, 北京 100193;3. 河北沽源草地生態系統國家野外科學觀測研究站, 河北 沽源 076550)

我國北方草地面積廣闊，是畜牧業生產的重要基地，但是由于人為因素和自然因素， 草地生態系統出現不同程度的退化, 目前我國中重度退化草地已占草地總面積50%多[1-2]，并且每年還在繼續增加。草地退化分為土壤退化和植被退化，其中土壤退化會嚴重影響草地生態系統的功能[3-5]。土壤有機碳對土壤肥力、土壤生產力、碳循環都有重要的作用[6]。氮是構成生命的要素，是植物的必需營養元素，磷是植物生長必需的大量元素之一，所以土壤中有機碳、氮和磷等含量反應土壤的肥力狀況，可作為退化草地恢復的重要指標。為了維持草地生態系統的平衡發展和延緩草地進一步退化，已經采取了不同措施延緩和修復放牧草地，通過合理的放牧方式、放牧強度、放牧時間以及人為管理等去積極恢復草地生長狀態，目前退化草地的修復主要有松土、淺翻耕、灌溉、施肥等措施[7-10]，這些措施對退化草地修復都有一定的積極作用，但不足之處就是持續花費大量的人力物力[11]。而湖泊作為濕地的一種重要組成部分，對其周圍的環境具有修復作用，同時也維持土壤蓄水性、植被多樣性、改善周圍小氣候條件等功能。具有獨特的水文、土壤、植被與生物特征，在物質循環和能量流動中有獨特的作用[12-13]。趙慧[14]等研究發現在濕地水分梯度下，土壤碳氮含量是沿著水分降低而減少的趨勢，劉萍萍[15]也發現，以湖為中心，向外延伸，土壤含水量的土壤養分是逐漸降低。說明湖泊是對毗鄰土壤產生一定的影響。在退化草地上建造人工湖泊，就可以使人工湖泊與毗鄰退化草地形成近濕地生態系統，從而可能改善毗鄰退化草地的生長環境，積極影響退化草地土壤中營養的流動，加快退化草地的修復[16]。基于此，分析人工湖對毗鄰退化草地土壤有機碳、全氮和全磷的影響，評估退化草地土壤營養在人工湖影響下的恢復狀況，為草地管理和恢復給出一個可選擇的有效策略，為更好的利用和改善放牧草地提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于河北沽源草地生態系統國家野外站，河北省北部沽源縣城北12 km，東經115°40 ′，北緯 41°46 ′，海拔 1 460 m。氣候為半干旱大陸季風氣候帶，冬季漫長，夏季無暑，年平均氣溫約1℃左右，最冷月(1月)平均氣溫-18.6℃，最熱月(7月)平均氣溫 17.6℃。年降水量350～450 mm之間，且降水多集中于6-9月，占全年降水量的79%，年蒸發量為1 700～2 300 mm，是降水的4～5倍，濕潤系統介于0.5～0.8之間。終年盛行西北風，年大風日數50～80天，沙塵暴的日數10～25天，無霜期約為80～110天，年日照時數2 930 h，試驗區為堿性土壤，pH偏高為7.9～9.8，主要土壤類型為栗鈣土。草地初始的主要植物有羊草(Leymuschinensis)、堿茅(Puccinelliadistans)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、星毛萎陵菜(Potentillaacaulis)、堿蓬(Suaedaglauca)、馬藺(Irislactea)等。

1.2 試驗設計與取樣測定

2013年6月，在河北沽源國家野外觀測站的放牧草地區建造一個面積約200畝，深2 m的人工湖泊并在2014年6月左右完成湖蓄水。2013年7月，為研究人工湖對毗鄰退化放牧草地土壤碳氮磷在時間和空間上的影響，在人工湖東側的放牧草地上按照離湖邊距離(10 m、60 m、100 m、150 m、250 m、600 m)依次放置6個鐵絲網籠(2 m ×2 m ×2 m)。在2014年、2015年和2016年植物的生長旺季(7月下旬)從放牧草地放置鐵籠區域采取相應的土壤樣品。在鐵籠內分別隨機選取3個采樣點進行土壤取樣。在每個取樣點，用取土器按0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，和40～60 cm分層取土，取出的同層土樣，放入牛皮紙袋，帶回實驗室在65℃烘箱烘至恒重，然后過2 mm篩，測定土壤碳、氮和磷。

1.3 數據分析

試驗所測數據采用Microsoft Excel 2007進行整理和初步分析，用SPSS 21.0進行方差分析，分析土壤碳、氮和磷在距離湖泊不同距離的變化和年際間的變化。用Sigma Plot 10.0繪制圖形。

土壤有機碳的測定：TOC測定儀。測定前將土壤樣品用0.5 mol·L-1HCl反應，將土壤中的無機碳反應完全后60℃烘干，稱取90～120 mg(精確到0.0001 g)干土樣(根據土壤的含碳量定，一般上層土壤含碳量較高，稱取90～100 mg，下層土壤含碳量較低，稱取約120 mg)，用TOC測定儀，樣品燃燒后并在氧化銅作用下將土壤中的碳反應生成CO2，根據紅外原理計算出土壤中有機碳含量。

土壤全氮的測定：凱氏定氮法，采用全自動開氏定氮儀(FOSS Kjeltec 開氏定氮儀，型號KjeltecTM23200)。

土壤全磷的測定：氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法。

2 結果與分析

2.1 退化草地土壤有機碳對人工湖的空間響應

2014年不同土層土壤有機碳在距離上表現出不同的變化規律(表1)。0～10 cm土層土壤有機碳在近湖區(小于100 m)顯著高于遠湖區(大于100 m)，距湖100 m處土壤有機碳達到最大，為23.29 g·kg-1，比距湖最遠的600 m處土壤有機碳含量降低80%。10～20 cm土層土壤有機碳含量整體上隨著距離的增加顯著降低，從距湖10 m到600 m土壤有機碳降低了79%。10～20 cm土層的土壤有機碳明顯低于表層0～10 cm土層。20～60 cm土層的土壤有機碳含量在遠湖區(大于100 m)是隨著距離的增加而顯著降低2015年0～10 cm土層土壤有機碳在距離上呈降低的趨勢。在距湖600m處有機碳最低，為3.72 g·kg-1。10～20 cm土層土壤有機碳在距離上呈先升高后降低的趨勢，在距湖100 m達到最大值13.50 g·kg-1，距湖600 m處最小2.21 g·kg-1，在距離上降低了84%。20～60 cm土層土壤有機碳都在距湖100 m處最大，在距湖600 m處最低。

2016年距建湖兩年，土壤有機碳在距離上的變化更穩定。土壤有機碳含量距湖近的(距離小于150 m)顯著大于距離遠的(距離大于150 m)。10～20 cm土層土壤有機碳含量在距離上為逐漸減少的趨勢。其它各土層土壤有機碳含量在距離上呈先升高后降低，在距湖600 m處最小。

表1 距湖不同距離土壤有機碳的變化Table 1 The variation of soil organ carbon with distances from artificial lake

注：表中同行的不同小寫字母代表同一土層不同距離在0.05水平上的差異性 下同

Note : The lowercase letters mean difference in same soil layer of a line with different distances from lake at the 0.05 level. The same as below

2.2 土壤全氮對人工湖的空間響應

2014年土壤全氮在距離上有顯著的變化趨勢(表2)。0～10 cm、10～20 cm土層土壤全氮含量在距離變化是先顯著升高后顯著降低，土壤全氮在距離上分別降低了79%、78%。近湖區(距離小于100 m)土壤全氮含量顯著高于遠湖區(距離大于100 m)。20～40 cm土層土壤全氮含量在遠湖區隨著距離的升高顯著降低，在距湖600 m處最低為0.35 g·kg-1，距湖100 m最大為1.29 g·kg-1。40～60 cm土層土壤全氮在10 m處最大，在600 m處最低，湖距在150 m之后隨著距離的增加顯著降低。

2015年不同土層的土壤全氮含量在不同距離上的變化同2014年相似。0～10 cm土層土壤全氮含量在距離大于60 m后隨著湖距而增加，土壤全氮含量顯著降低在600 m處，在距離上土壤全氮含量降低了77%。并且在距離上近湖區的土壤全氮含量顯著高于遠湖區。10～40 cm土層土壤全氮含量在距離上隨著湖距的增加呈顯著升高，在距湖100 m處最大，隨后顯著降低并在600 m處最小。從距離上看，土壤全氮含量近湖區顯著高于遠湖區。40～60 cm土層在距離上變化不明顯，但是能夠看出距離湖泊越遠其值越小。

2016年土壤全氮含量在距湖不同距離上較2014年和2015年的變化更為顯著，4個土層的土壤全氮含量在距離上均有隨著距離的增加顯著降低的趨勢。0～10 cm土層土壤全氮含量顯著升高，在距湖60 m處達到最大值為3.75 g·kg-1，隨著距離的增加，在距湖600 m處最小為0.68 g·kg-1，土壤全氮含量在距離上降低了82%，10～60 cm各土層土壤全氮含量在距離上有顯著減少的趨勢，總體是近湖區的顯著高于遠湖區。

表2 距湖不同距離土壤全氮的變化Table 2 The variation of soil total nitrogen with distances from artificial lake

對3年土壤全氮和距離的相關性分析發現，4個土層土壤全氮含量和距離都有極顯著的相關性(圖1，P<0.01)。0～60 cm各土層的土壤全氮和距離呈拋物線形相關，土壤全氮在距離上的變化可由距離分別解釋81%(0～10 cm層)、82%(10～20 cm層)、47%(20～40 cm層)和72%(40～60 cm層)。以上分析表明，在建湖后短期內，湖泊對周圍退化草地的土壤全氮含量有顯著的影響，且距離湖泊近的影響高于距離湖泊遠的。

2.3 土壤全磷對人工湖的空間響應

2014年土壤全磷含量在4個土層間不同距離上的變化趨勢不一致(表3)，總的來說，除40～60 cm土層外，其它3層的土壤全磷含量均表現為近湖區顯著大于遠湖區。在距離上，0～10 cm土層距湖10～150 m之間沒有顯著的差異，但是顯著高于距湖250 m和600 m處的土壤全磷含量，其中土壤全磷含量最低值在距湖600 m處為0.27 g·kg-1。10～20 cm土層的土壤全磷在距離上表現為隨著距離的增加(去掉距湖60 m處)土壤全磷含量顯著降低，在距離上相對降低了51%。20～40 cm土層的土壤全磷在距離上的變化趨勢同10～20 cm土層一致，除了距湖60 m處出現了一個較低值外，表現為距湖近的其土壤全磷含量顯著高于距湖遠的。40～60 cm土層土壤全磷含量不同于其他3層，在距離上沒有顯著的變化。

圖1 建湖短期內土壤氮全與距離的相關性Fig.1 The correlation between soil N and distance from artificial lake

2015年，0～10 cm土層土壤全磷含量在距離上沒有顯著的差異，但是總體表現為先升高后降低的趨勢。在距湖60 m處其磷含量達到最高值，在距湖250 m處磷含量最低。10～20 cm土層的土壤全磷含量在距離上沒有差異。20～40 cm土層的土壤全磷含量在距湖100 m處達到最高值為0.15 g·kg-1。40～60 cm土壤全磷含量在距離上(10 m到600 m)降低了78%，全磷含量在距湖小于150 m處顯著高于距湖大于150 m處，說明近湖區其磷含量顯著高于遠湖區。

2016年， 0～10 cm土層土壤磷含量在距離上先升高，在距湖60m處達到最大值為0.32 g·kg-1，隨后顯著降低，在距湖600 m處最低為0.14 g·kg-1。10～20 cm土層土壤全磷含量在距離上有顯著降低趨勢，距湖10 m處土壤全磷含量最高為0.45 g·kg-1，在距湖250 m處最低為0.10 g·kg-1。20～40 cm土層的土壤全磷含量在距湖距離10m最大，在距離大于60 m后，土壤磷含量在距離上沒有顯著的變化。40～60 cm土層土壤全磷在距離上變化不顯著。對4個土層的土壤全磷在不同距離上的分析可以得出，湖泊對上層土壤磷的影響大于下層土壤。

表3 距湖不同距離土壤全磷的變化Table 3 The variation of soil total phosphorus with distances from artificial lake

2.4 碳氮磷變化相關性

土壤有機碳(soil organic carbon,SOC)變化和全氮(total nitrogen,TN)及全磷(total phosphorus,TP)變化呈極顯著的正相關關系(表4)，對結果分析可得土壤有機碳、全氮和全磷在距離湖泊不同距離上變化趨勢基本一致，說明湖泊致使土壤某種元素變化，土壤中的其它元素也產生一定的聯動效應。

表4 土壤碳氮磷的相關性分析Table 4 The correlation analysis of soil carbon, nitrogen and phosphorous

注：**表示在0.01水平上的極顯著相關

Note: **indicates an extremely significant correlation at the 0.01 level

2.5 退化草地土壤有機碳對人工湖的時間響應

土壤有機碳隨著建湖年限的增加在不同土層的不同離湖距離上有不同的變化趨勢(表5)。0～10 cm土層除距湖100 m處是隨著建湖年限的的增加而降低外，年際間在距湖60 m、150 m和250 m處是顯著升高的，距湖10 m和600 m處雖然沒有顯著的差異，但在數值上明顯增加。10～20 cm土層的土壤有機碳含量隨著年限的增加除距湖600 m處是升高的之外，在其它距離上均有降低的趨勢。20～40 cm土層的土壤有機碳含量在年際間的差異顯著且有較大的特異性，特別是湖距60 m和100 m處的相對差86%，但是隨著湖泊對土壤影響年限的增加，在年際間距湖60 m處土壤有機碳顯著升高，距湖100 m處顯著降低，在2016年距湖60 m和100 m處的有機碳含量相對差25%，說明隨著建湖年限的增加人工湖削弱了土壤在距離上的差異性。40～60 cm土層的土壤有機碳除距湖600 m處在年際間沒有差異外，隨著年限的增加，都有降低的趨勢。

表5 土壤有機碳在年際間的變化Table 5 The change of soil organic carbon among years

注：表中的不同小寫字母代表同距離不同年際間在0.05水平上的差異性,下同

Note: Lowercase letters mean the difference in same distances among years at the 0.05 level。The same below

2.6 土壤全氮對人工湖的時間響應

土壤全氮含量在不同土層的不同距離上在建湖年限上有不同的變化動態(表6)。0～10 cm土層土壤全氮含量除了距湖60 m和250 m處土壤全氮含量隨年限的增加而顯著升高外，距湖100 m和150 m處土壤全氮含量隨著年限的增加顯著降低，距離湖泊10 m和600 m處雖沒有顯著的差異，但是數值上是降低的。10～20 cm土層的土壤全氮含量除了距湖10 m處沒有顯著差異外，其它距離上的土壤全氮含量均有降低的趨勢，特別是遠湖區(距離大于150 m)是隨著建湖年限的增加土壤全氮含量顯著降低的，距湖10 m處沒有差異，距湖60 m處沒有顯著差異，但數值上是降低的，距湖100 m處顯著降低，隨著建湖年限的增加，土壤全氮含量顯著降低。說明建湖削弱實驗點的特異性。20～40 cm土層在距離10 m處，土壤全氮含量在年際間升高了10%，其余距離在年際間變化不顯著。40～60 cm土層的土壤全氮含量在年際間表現出隨著建湖年限的增加，土壤全氮含量顯著升高，除了距湖600 m處沒有顯著的變化外，其他距離上均有顯著升高的趨勢，說明在土壤下層40～60cm處，土壤全氮受到人工湖的影響，并且隨著建湖年限的增加，土壤全氮含量增加。對土壤全氮在4個土層在年際間的動態分析可以得出，上層土壤(0～10 cm和10～20 cm)隨著建湖年限的增加，土壤全氮含量減少，下層土壤(20～40 cm和40～60 cm)隨著建湖年限的增加，土壤全氮含量增加。

表6 土壤全氮在年際間的變化Table 6 The variation of soil total nitrogen among years

2.7 土壤全磷對人工湖的時間響應

土壤全磷在年際間在4個土層中所有距離上均呈顯著降低的趨勢(表7)。0～10 cm土層除了距湖60 m處沒有顯著差異外，其它距離上均是隨著建湖年限的增加土壤全磷含量顯著降低，距湖10 m、100 m、150 m、250 m 、600 m 處在年際間分別降低了50%、40%、45%、36%、48%。10～20 cm土層的土壤全磷含量，在2014年建湖，2015年時土壤全磷含量顯著減少，2016年相對于2015年沒有顯著差異。20～40 cm土層土壤全磷含量在年際間的變化同10～20 cm一致，在2015年到2016年是顯著升高。年際間，距湖10 m處土壤全磷含量相對升高了37%，距湖60 m處相對升高了29%，距湖100 m處相對升高了17%。40～60 cm土層的土壤全磷含量同上層土壤在年際間的變化是一致的，隨著建湖年限的增加，土壤全磷含量顯著降低。并且自2014年建湖后，2015年則出現顯著降低，說明土壤全磷含量受到人工湖的影響敏感，在短期內則有所變化。

表7 土壤全磷在年際間的變化Table 7 The variation of total phosphorus among years

3 討論

3.1 土壤碳氮磷對人工湖的空間響應

土壤有機碳、全氮、全磷在人工湖泊的影響下，在距離上的變化趨勢表明上層土壤(0～10 cm和10～20 cm)的養分含量隨著距離的增加顯著降低。在距離大于100 m時，土壤有機碳、全氮、全磷都是隨著距離的增加而顯著下降的，體現了距離湖泊越遠其養分含量越低。下層土壤(20～40 cm和40～60 cm)養分一般隨著距離的增加先升高后降低，大約在距湖100 m處達到最大值。水分的變化可能在其中扮演重要的作用，有研究已表明水分是土壤礦化作用的重要影響因素[17-18]。陳靜等關于水分對土壤氮素的礦化作用影響的研究發現在溫度不變的情況下，改變土壤水分對土壤的硝化速率和礦化速率有明顯的作用，土壤的氮素礦化作用隨土壤水分的增加先升高后下降，在9.5%田間含水量處達到最大值[17]，也有研究表明，在極端干旱的條件下，水分控制氮的礦化作用，但隨著土壤含水量的增加，水分對氮礦化的影響減弱[18]，水分過高也會有抑制礦化作用[19]。張曉建等[20]研究說明適宜的土壤水分能夠增加土壤速效磷含量，提高根基磷素的有效性。本實驗的結果與劉萍萍等研究濕地湖泊的結果有一定的一致性，湖泊由近及遠對土壤的理化性質有顯著的影響，含水量越高，土壤養分含量越高[21]。這3種養分的變化有一定的聯動性，我們的相關分析也證實了這一點，土壤碳氮磷之間是呈顯著地正相關關系，這也正好能夠解釋這3個指標在距離上的變化趨勢基本上是一致的。碳氮的極顯著正相關關系在很多研究中也有證實[22-23]。

3.2 土壤碳氮磷對人工湖的時間響應

2014年建湖后，隨著建湖年限的增加，各個土層的土壤全磷含量顯著降低，2014年土壤全磷含量顯著高于2015年和2016年的，雖然土壤全磷含量有所降低，但并不能說明土壤磷素的供應能力減弱，只能說土壤全磷在建湖后隨年際的增加有顯著的變化，對菜子湖不同退耕下土壤磷素有效性研究表明，不同退耕年限下，土壤磷素對磷的貢獻程度不同，其中退耕還湖2年后，有機磷含量下降，隨后在上升，占全磷比例的17.80%～50.15%；退耕2年到8年無機磷也是降低的趨勢；退耕8年后土壤全磷含量才逐漸上升，占全磷比例的35.90%～67.27%。土壤水文條件、植被生長和土壤黏粒含量變化不僅影響土壤磷素組分特征，也影響著恢復濕地土壤磷素有效性[24]。土壤有機碳和全氮是反映草地土壤營養狀況的直接指標，土壤有機碳在不同距離上隨年際的變化不同，雖然在每個土層不同距離上的土壤有機碳變化方式不同，有的顯著升高有的顯著降低，土壤有機碳在年際間反映不顯著，但土壤有機碳在不同距離上的差異顯著，說明湖泊對土壤有機碳在空間上的影響強于時間上。土壤有機碳含量主要是由植被枯落物分解得到。土壤有機碳在建湖初期草地上本身含有大量枯落物。為了保持與籠外放牧狀態一致，采樣完成后會剪除樣方中植被，樣方中土壤植物減少，枯落物也相對減小了，可能會使土壤有機碳隨著年際增加而沒有改變。有研究表明，土壤的異質性程度可以作為草原荒漠化程度的指標，土壤異質性的變化能反應退化土壤的恢復過程[25]，土壤全氮在年際間也是出現減少的現象，2016年土壤全氮含量在各距離上表現比2014年趨于穩定，建湖也削弱土壤全氮含量在試驗點的差異性。草地植被生物量比建湖初期明顯增加。但樣方植被剪除導致大量植物氮不能分解到土壤中，造成土壤中部分全氮損失。土壤中另一部分氮素經反硝化作用和氨的揮發重新返回大氣中。相關數據表明，建湖后草地土壤微生物數量上升，微生物分解土壤中硝酸鹽和氨釋放到大氣中也可能會使土壤全氮含量損失[26]。

4 結論

土壤有機碳、全氮、全磷在上層土壤(0～10 cm和10～20 cm)中和距離有顯著的線性關系，呈逐漸降低的趨勢，相關性分析三者是呈現顯著正相關關系，說明在建湖3年這個短時期內，土壤養分(有機碳、全氮、全磷)形成了一個近湖效應，即靠近湖的養分含量高。

年際間，建湖初期各距離上的土壤有機碳，全氮、全磷含量差異大，特異性強，但隨著建湖年限的增加，各距離上碳氮磷的差異性削弱，說明人工湖減少了毗鄰退化草地土壤中碳氮磷在空間上的特異性。