不同退化程度草地土壤碳、氮對人工湖的時空響應

趙天賜，安 嬋，李金升，喬建霞，唐士明，羅紅霞，白 鷺，邵新慶,2，王堃,2，劉克思,2

（1. 中國農業大學動物科技學院 草業科學系，北京 100193；2. 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）

我國草地面積廣闊，是畜牧業生產的重要基地，也是我國畜牧業發展的重要組成部分，但是由于人為因素和自然因素的干擾，退化草地已占我國草地總面積的50%以上[1]，并且仍在逐年惡化。土壤作為陸地生物的主要棲息地，在整個陸地生態系統功能維持中扮演著重要的角色。在草地退化中，土壤的理化性質會發生極大改變，這種改變會嚴重影響草地生態系統的功能[2]。對未退化、輕度退化、中度退化和重度退化4種不同退化類型草地的土壤理化性質及土壤養分的比較研究表明，未退化草地的有機碳養分顯著高于其他退化草地，退化草地土壤中碳、氮、磷均顯著降低[3]。研究表明，三江源地區退化草地的土壤碳、氮和地上生物量呈顯著正相關關系，土壤有機碳和全氮可以作為該地區草地退化程度的直接體現[4]。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[5]。氮是構成生命的要素，是植物的必需營養元素，也是保證草地生產力的必要條件[6-7]。土壤的生物地理化學循環也與土壤有機物的營養循環緊密相關[8]，所以土壤中碳、氮狀況反映了土壤的健康狀況，可作為退化草地恢復的重要指標。湖泊作為濕地生態系統的重要組成，具有改善周圍小氣候，提高物種多樣性及提升土壤營養的能力[9-10]。在退化草地上建造人工湖泊，就可能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。基于此，分析人工湖對毗鄰不同退化程度草地土壤有機碳、全氮的影響，評估草地在人工湖影響下的生態和生產恢復狀況，為草地管理和草地恢復給出一個可選擇的有效策略，可為更好地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，115°40′ E，41°46′ N，海拔 1 460 m。氣候為半干旱大陸季風氣候帶，年平均氣溫約1 ℃，最冷月(1月)平均氣溫-18.6 ℃，最熱月(7月)平均氣溫17.6 ℃。年降水量在350～450 mm，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。終年盛行西北風，年大風日數50～80 d，沙塵暴日數 10～25 d，無霜期 80～110 d，年日照時數2 930 h，主要土壤類型為栗鈣土。草地初始植物主要有羊草(Leymus chinensis)、堿茅(Puccinellia distans)、蘆葦 (Phragmites australis)、星毛委陵菜(Potentilla acaulis)、堿蓬(Suaeda glauca)、馬藺(Iris lactea)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13.3 hm2、深2 m的人工湖泊，并在年底完成蓄水。2013年7月，為研究人工湖對毗鄰不同退化放牧草地土壤碳、氮在時間和空間上的影響，在人工湖東側(植被蓋度平均 ≤50%，為重度退化草地，HG)、南側(植被蓋度平均 ≥ 80%，為輕度退化草地，LG)的放牧草地上按照不同湖距 (10、60、100、150、250、600 m)分別 依 次 放 置 6 個 2 m × 2 m× 2 m 鐵 籠 。 分 別于2014年、2015年和2016年植物生長旺季(7月下旬)從放牧草地放置鐵籠區域采取相應的土壤樣品。為使LG與HG植被狀況保持一致，剪去LG樣點內的植被，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和10-20 cm分層取土，取出的同層土樣，一部分放入鋁盒，另一部分放入牛皮紙袋，全部帶回實驗室在65 ℃烘箱烘至恒重，鋁盒中土壤測定土壤含水量，紙袋中土壤過2 mm篩，測定土壤碳、氮含量；土壤含水量采用干濕法；土壤有機碳含量采用TOC測碳儀測定；全氮含量采用凱氏定氮法測定。HG和LG兩者的差異性=(最大值-最小值)/最小值。

1.3 數據分析

數據采用 Microsoft Excel 2010 進行整理和初步分析，SPSS 21.0進行數據分析，雙因素相關性分析：土壤含水量、有機碳、全氮與湖距、年際、土層相關性分析。單因數方差分析：土壤含水量、碳和氮在不同湖距上的變化。采用Sigma Plot 10.0繪制折線圖。

表1 土壤理化性質與湖距、年際、土層相關性分析Table 1 Correlation analysis of soil physical and chemical properties with distance and by years and layers

表2 不同湖距上不同退化程度土壤含水量的變化Table 2 Change of soil moisture of different degraded grasslands in different distances from lake%

2 結果與分析

2.1 不同退化草地土壤含水量對人工湖的空間響應

分析發現，土壤含水量、有機碳和全氮與湖距的相關性極顯著 (P＜0.01)，其次是土層間顯著 (P ＜0.05)，而年際間相關性不顯著 (P ＞ 0.05)(表 1)。土壤含水量在不同退化程度草地上隨著湖距的增加總體表現出減少趨勢(表2)。

2014年，0-10 cm土層LG、HG土壤含水量總體隨著湖距的增加而降低，LG在距湖600 m處較10 m處土壤含水量減少了71%，HG土壤含水量在600 m 處較 10 m 處減少了 50%。10-20 cm 土層，LG土壤含水量隨著湖距的增加而減少。

2015年LG、HG土壤含水量變化高于2014年，距離上出現近湖區(小于150 m)含水量高于遠湖區(大于150 m)。LG土壤含水量在0-10和10-20 cm土層整體高于HG。2015年，10-20 cm層HG土壤含水量在距湖100 m處達到最大值。

2016年，0-10 cm土層，隨著湖距的增加，LG土壤含水量在600 m處較10 m處減少了46%，HG土壤含水量在600 m處較10 m處減少了48%。結果顯示，近湖區域(小于150 m)土壤含水量高于遠湖區域 (大于 150 m)。10-20 cm 土層，LG、HG土壤含水量在10 m處比600 m處分別高47%和48%。距湖越近，草地土壤含水量越高。

建湖3年后，HG和LG在不同土層土壤含水量的差異性由2014年10%、30%、60%、40%減少到2016年7%、4%、5%、24%，表明人工湖對退化草地土壤含水量存在改善作用。

表3 不同湖距上不同退化草地土壤有機碳含量的變化Table 3 Change of soil organ carbon of different degraded grasslands in distances from the lakeg·kg-1

2.2 不同退化草地土壤有機碳對人工湖的空間響應

2014年，0-10 cm土層不同退化草地土壤有機碳在距離上表現出不同的變化規律(表3)，在相同湖距下，LG土壤有機碳含量顯著高于HG(P＜0.05)；HG土壤有機碳隨湖距的增加先增加后減少。HG在距湖100 m處土壤有機碳達到最大值，為23.29 g·kg-1，距湖 600 m 處土壤有機碳含量比距湖 100 m處降低了80%。0-10 cm土層，LG總體隨湖距增加呈現上升趨勢，在距湖60 m處土壤有機碳含量最大，為 26.9 g·kg-1；在 10-20 cm 土層，HG 土壤有機碳含量整體上隨湖距的增加降低，從距湖10 m處到 600 m 處土壤有機碳顯著降低 79%(P＜0.05)，且10-20 cm土層的土壤有機碳明顯低于表層。在LG隨著湖距增加土壤有機碳含量也增加。到距湖150 m 處出現最大值，為 17.04 g·kg-1，比距湖 10 m處土壤有機碳增加了44%。HG土壤有機碳含量顯著低于 LG(P＜0.05)。

2015年，0-10 cm土層HG、LG土壤有機碳在距離上呈先升后降的趨勢，LG土壤有機碳含量隨著湖距增加在距湖150 m處達到最大值，為26.86 g·kg-1，湖距由 10 m 到 600 m，土壤有機碳含量增加了32%。HG土壤有機碳最大值出現在距湖60 m處，在距湖 600 m 處有機碳最低，為 3.72 g·kg-1；10-20 cm土層，LG土壤有機碳含量隨著湖距增加先增加后減小，在距湖150 m處達到最大值，為21.76 g·kg-1。HG土壤有機碳含量在近湖區高于遠湖區。研究發現，在2015年，HG表層土壤在距湖 10 m、60 m和 100 m 處樣點土壤有機碳含量大于2014年，說明隨著建湖時間延長，人工湖對HG土壤有機碳的影響程度更大。

2016年，HG、LG隨著湖距增加土壤有機碳含量呈現減少趨勢。LG在距湖10 m處土壤有機碳含量出現最大值，為26.52 g·kg-1。HG土壤有機碳含量在距湖 60 m 處出現最大值，為 33.09 g·kg-1。10-20 cm土層，HG土壤有機碳含量表現出隨湖距增加而逐漸減少的趨勢，有機碳含量低于2014、2015年，LG土壤有機碳含量隨著湖距增加出現波動，在距湖 150 m 處出現最大值，為 16.62 g·kg-1，其后隨著湖距增加而減少，距湖60 m處土壤有機碳含量在 2016年(16.56 g·kg-1)比 2014年(13.46 g·kg-1)提高了23%。

總體表明，不同退化草地土壤有機碳含量在距離上呈現近湖區大于遠湖區的趨勢。LG土壤有機碳含量大于HG，表層土壤(0-10 cm)有機碳含量大于下層土壤 (10-20 cm)。

表4 不同湖距上不同退化程度草地土壤全氮含量的變化Table 4 Change of soil total nitrogen of different degraded grasslands in distance from the lake g·kg-1

2.3 不同退化草地土壤全氮對人工湖的空間響應

2014年，0-10 cm土層(表4)，土壤全氮含量隨湖距增加呈現出先增加后減少的趨勢。LG、HG 土壤全氮含量差異顯著 (P＜0.05)。湖距由 10 m增加至600 m，輕度放牧草地土壤全氮含量減少了76%，重度放牧草地減少了11%。10-20 cm土層，LG、HG土壤全氮含量差異顯著。土壤全氮最大值均出現在距湖100 m處。

2015年，0-10 cm土層，輕度退化草地土壤全氮含量在距湖 60 m 處達到最大值 (3.73 g·kg-1)，比距湖10 m處增加了25%；重度退化草地土壤全氮含量最大值出現在 150 m 處 (3.12 g·kg-1)。10-20 cm土層，輕度退化草地在距湖100 m處土壤全氮達到最大值，為 2.38 g·kg-1，比距湖 10 m 處增加了 23%。重度退化草地最大值出現在距湖150 m處(2.67 g·kg-1)，比距湖10 m處增加了69%。

2016年，0-10 cm土層，輕度退化草地土壤全氮含量隨湖距的增加而降低，在距湖60 m處達到最大值(3.75 g·kg-1)。重度退化草地土壤全氮含量隨湖距增加而降低，在距湖600 m處土壤全氮含量最低(2.16 g·kg-1)。結果表明，重度退化草地表層土壤全氮含量大于輕度退化草地。在10-20 cm土層，輕度退化草地土壤全氮含量隨湖距增加而降低，在距湖 600 m 處土壤全氮含量最低 (0.40 g·kg-1)。重度退化草地土壤全氮含量隨湖距增加，呈現先增加后降低的趨勢，在距湖150 m處土壤全氮含量達到最高 (2.26 g·kg-1)。

總體來說，輕度退化草地土壤全氮含量高于重度退化草地。近湖區(小于150 m)土壤全氮含量高于遠湖區(大于150 m)，說明人工湖的存在能夠提高毗鄰退化草地土壤全氮含量。

3 討論

在草地上建立人工湖，必定會影響退化草地的土壤水分狀況。本研究中，隨著湖距的增加，土壤含水量呈現減少趨勢，表層土壤含水量高于下層土壤。人工湖建立后，人工湖水分按照一定速率向退化草地遷移，水分經由近湖區向遠湖區擴散，導致土壤水分含量在近湖區大于遠湖區。對于土層間含水量的差異，可能的原因是表層土壤的保水性高于下層，使得上層土含水量高于下層[11]。輕度退化草地土壤含水量一般高于重度退化草地[12]。土壤含水量以2015年最大，主要是2015年夏季樣品的采集時間為2015年7月27日，由國家草地野外站提供的相關降水數據可以得到，采樣當天有0.3 mm的降水量，采樣前（2015年7月20日）到采樣時累積降水量38.7 mm。降水對土壤含水量產生了一定影響。在人工湖的影響下，土壤有機碳和全氮隨著湖距增加呈現先增加后降低的趨勢，且表層土壤含量高于下層。由于植被枯落物和根系分布于表層，使得0-10 cm土壤有機碳和全氮含量高于10-20 cm土層。土壤水分的變化在土壤碳、氮的動態中扮演重要的作用。有研究發現，濕地土壤水分變化導致土壤有機碳含量隨之改變[13]。過高水分對有機碳礦化有顯著的抑制作用，土壤高水位成為當前土壤有機碳、氮的主要限制因素。其次，水分高會導致厭氧微生物消耗碳、氮含量增加[14]。在近湖區，土壤處于水浸條件，有機碳礦化被抑制，使得土壤有機碳含量較低。土壤碳、氮含量存在顯著相關性[15]，土壤水分分布對土壤碳循環固定和分布有顯著的影響[16]，草地土壤水分含量的降低會直接導致土壤有機碳、全氮含量降低[17-18]。由此，以湖泊為中心，距湖越遠，土壤有機碳和全氮含量逐漸降低[19]。草地土壤氮凈礦化和硝化速率隨著田間持水量的增加而明顯增加，田間持水量為9.5%時，凈硝化速率和凈礦化速率最大，說明土壤氮礦化速率與土壤水分有明顯相關性[20-21]。測定鹽堿地水分調控對土壤鹽分與養分的影響顯示，速效養分均在滴頭周圍形成累積區，土壤水分調控改善了土壤理化性質[22]。隨著沙化程度增強，草地草本群落由濕生型向旱生型轉變，沙化草地土壤水分、土壤碳和氮含量降低[23]。本研究結果與劉萍萍等[24]對濕地湖泊的研究結果一致，湖泊由近及遠對土壤的理化性質有顯著的影響，土壤含水量越高，土壤養分含量高。養分的變化有一定的聯動性，這也正好能夠解釋碳、氮在距離上的變化趨勢基本上是一致的。土壤養分含量隨著草地退化程度的增加而降低[25-26]。本研究也表明，輕度退化草地土壤碳、氮含量總體高于重度退化草地，且重度退化草地表層土壤有機碳含量在年際間有增加趨勢，這可能是因為建湖后草地植被蓋度增加，凋落物增加，能夠使土壤有機碳增加。

4 結論

本研究對河北沽源不同退化程度草地土壤含水量及碳、氮含量對湖泊湖距及建湖年限的時空響應進行分析，結果顯示，建湖3年來，土壤含水量隨建湖年際增加出現上升趨勢，在2015年最高。土壤含水量、有機碳和全氮含量均形成近湖效應，距湖越近，含量越高。重度退化草地、輕度退化草地表層土壤(0-10 cm)養分含量高于下層土壤(10-20 cm)。重度退化草地(HG)養分低于輕度退化草地(LG)。土壤有機碳在0-10 cm土層的年際間是增加的。總體來說，人工湖泊對退化草地土壤含水量以及近湖區土壤有機碳和全氮產生一定積極作用，但還需進一步延長時間尺度，評估人工湖對草地的影響。