人造湖對(duì)毗鄰?fù)嘶莸赝寥篮?、電?dǎo)率和pH的影響

安嬋，喬建霞，商建英,2，李金升，趙天賜，唐士明,邵新慶,3，黃頂,3，王堃,3,劉克思,3*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院草業(yè)科學(xué)系，北京 100193;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100193; 3.河北沽源草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 河北 沽源 076550)

北方草原是我國(guó)重要的放牧區(qū)，但是由于諸多自然因素與人為因素的干擾，使草原呈現(xiàn)出不同程度的退化狀態(tài)[1]。針對(duì)這種狀況，草地管理者采取了各種措施延緩草地退化或?qū)ν嘶莸剡M(jìn)行恢復(fù)，這其中包括圍封、翻耕、補(bǔ)播、施肥、灌溉等[2-4]。有研究證明，圍封的確對(duì)退化草地植物、土壤有所改善[5]，但圍封必然會(huì)降低牧場(chǎng)的利用面積和效率。長(zhǎng)期研究證明松土、補(bǔ)播、施肥、灌溉等措施有增產(chǎn)、提高土壤肥力等作用，但是草原面積廣闊，松土、施肥等措施成本高[3]。湖泊作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的一種重要組成，不僅具有提供休閑娛樂(lè)的景觀效應(yīng)，還具有保護(hù)和改善生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的生態(tài)效應(yīng)[6-7]。有研究表明，濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)土壤保蓄水、物種多樣性、環(huán)境等都具有保護(hù)作用，且影響區(qū)域內(nèi)土壤的理化性質(zhì)[8-9]。

放牧是草地的主要利用方式之一，持續(xù)過(guò)高的放牧強(qiáng)度是導(dǎo)致草地退化的主要因素，而草地退化的直接反應(yīng)就是土壤的理化性質(zhì)發(fā)生改變。許多研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，草地退化降低草地土壤中的含水量[10]，致使土壤中pH和電導(dǎo)率升高[11-12]。草地土壤含水量改變會(huì)導(dǎo)致土壤營(yíng)養(yǎng)狀況和草地生產(chǎn)力發(fā)生變化[13]。土壤pH可以反映出土壤的基本特性[14]，土壤電導(dǎo)率對(duì)于確定土壤植被營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)有重大意義[15]。在退化草地上建造人工湖泊，就可能使其與毗鄰?fù)嘶莸匦纬蓾竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)，從而改善退化草地的生態(tài)環(huán)境，提高草地土壤中的含水量和改善土壤理化性質(zhì)，加速退化草地恢復(fù)和增強(qiáng)草地的可持續(xù)性，但關(guān)于此方面的研究幾乎沒(méi)有?；诖耍芯咳嗽旌?duì)毗鄰?fù)嘶莸赝寥览砘再|(zhì)空間和時(shí)間上的影響，為更好改善退化草地生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于河北沽源草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外站，距河北省北部沽源縣城北12 km，東經(jīng)115°40′，北緯41°46′，海拔1460 m。氣候?yàn)榘敫珊荡箨懠撅L(fēng)氣候帶，冬季漫長(zhǎng)，夏季無(wú)暑，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350～450 mm，且多集中于6-9月，占全年降水量的79%，年蒸發(fā)量為1700～2300 mm。無(wú)霜期為80～110 d，年日照時(shí)數(shù)為2930 h，土壤類(lèi)型為栗鈣土。草地初始的主要植物有羊草(Leymuschinensis)、堿茅(Puccinelliadistans)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、堿蓬(Suaedaglauca)、馬藺(Irislactea)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與取樣設(shè)定

2013年6月，在河北沽源國(guó)家野外觀測(cè)站的放牧草地區(qū)建造一個(gè)面積約13.3 hm2(480 m×277 m)，深2 m的人工湖泊并在年底完成湖蓄水。為研究人工湖對(duì)退化草地土壤含水量、pH、電導(dǎo)率(electronic conductivity，EC)在時(shí)間和空間上的影響，在人工湖東側(cè)的退化放牧草地(草地覆蓋度低于40%)上，以湖泊中心位置延展，按照離湖邊距離(10、60、100、150、250、600 m)于2013年7月分別放置一個(gè)2 m×2 m×2 m的鐵籠，形成籠內(nèi)外相對(duì)獨(dú)立的環(huán)境，籠外保持原有的放牧狀態(tài)，籠內(nèi)形成免放牧干擾的環(huán)境，防止放牧動(dòng)物的踐踏和排泄影響采樣區(qū)樣品的準(zhǔn)確性。對(duì)于籠內(nèi)的植物，在植物最大生長(zhǎng)期(7月中旬)刈割至籠外植物的高度，盡可能模擬退化草地的本身狀態(tài)。在2014、2015和2016年植物的生長(zhǎng)旺季(7月下旬)，從鐵籠內(nèi)分別隨機(jī)選取3個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行土壤取樣。在每個(gè)取樣點(diǎn)，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，迅速混合均勻，分成2份，1份放入準(zhǔn)備的鋁盒(鋁盒稱重編號(hào)W3)蓋封好，1份放入牛皮紙袋。放入鋁盒的那份帶回實(shí)驗(yàn)室迅速稱重W1，然后和放入牛皮紙袋的那份一起放入60 ℃烘箱烘為恒重。烘完后，鋁盒的部分重新稱重W2，通過(guò)計(jì)算得出土壤含水量[含水量=[(W1-W2)/(W1-W3)]×100%。牛皮紙袋部分土樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)一步處理測(cè)定土壤pH和電導(dǎo)率EC。pH和EC用電位法測(cè)定：稱取5 g干土放入離心管中，再加入25 mL的去離子水(水土比為5∶1)，振蕩機(jī)振蕩1 h，靜止1 h后用酸度計(jì)(FE30-K, METTER TOLEDO)和電導(dǎo)率儀(FE30-K, METTER TOLEDO)分別測(cè)定pH和EC。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010整理試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步分析，用SPSS 21.0進(jìn)行方差分析，分析土壤各理化性質(zhì)在距離湖泊由近及遠(yuǎn)的不同距離上的變化和在年際的變化，從而綜合評(píng)價(jià)人工湖對(duì)退化草地土壤理化性質(zhì)的影響。用Sigma Plot 10.0繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)隨湖距的空間變化

2.1.1土壤含水量隨湖距的空間變化 2014年土壤含水量在人工湖周?chē)煌嚯x上及不同土層間變化顯著(表1)。在距離上，隨著距離的增加，4個(gè)土層均是顯著降低的。0～10 cm土層在距離湖泊10 m處土壤含水量為34%，隨著距離的增加，在距離湖泊600 m處的土壤含水量降為17%，相比10 m處降低了50%。10～60 cm各土層土壤含水量在距湖600 m處相對(duì)于10 m處分別下降了40%(10～20 cm層)，26%(20～40 cm層)和29%(40～60 cm層)。數(shù)據(jù)顯示，2013年建湖后，2014年土壤含水量在距離上已經(jīng)有顯著的變化，且上層土壤含水量在距離上的變化幅度大于下層土壤。

表1 2014-2016年土壤含水量在離湖不同距離變化Table 1 The variation of soil moisture at different distance from lake in 2014-2016 (%)

注：表中不同小寫(xiě)字母代表同一土層在不同距離間差異顯著(P<0.05)，不同大寫(xiě)字母代表同距離不同年際間在0.05水平上顯著, 下同。

Note： The different small letters mean the significant differences among the same layers with different distances (P<0.05), the different capital lerrers represent the significant differences among the same distance with different years (P<0.05), the same below.

2015年土壤含水量在距離上沒(méi)有2014年土壤含水量的變化趨勢(shì)顯著，但是總的來(lái)說(shuō)，離湖泊近的草地土壤含水量顯著高于遠(yuǎn)距離的，尤其是距離小于100 m的土壤含水量顯著高于距離大于100 m的土壤含水量(表1)。例如0～10 cm土層的土壤含水量從距離湖泊10 m處29%的土壤含水量下降到600 m處的15%，土壤含水量降低了48%。數(shù)據(jù)顯示，距離湖泊前100 m的土壤含水量在土層間的變化很明顯，而100 m之后的草地土壤含水量的變化幅度小于距離湖泊近的。

2016年土壤含水量變化與前兩年類(lèi)似，隨距湖距離的增加，含水量顯著降低(表1)。0～10 cm土層的土壤含水量從距離湖泊60 m處的39%下降到600 m處的15%，降低了62%。10～60 cm各土層的土壤含水量從10 m處的35%(10～20 cm)、25%(20～40 cm)、33%(40～60 cm)下降到600 m處的18%(10～20 cm)、15%(20～40 cm)、16%(40～60 cm)。數(shù)值顯示人工湖對(duì)上層土壤含水量的影響在距離上明顯高于下層土壤。

圖1 土壤水分含量與距湖距離的相關(guān)性Fig.1 Correlation between soil moisture and distance from lake

通過(guò)對(duì)2014、2015和2016年的不同土層在距湖不同距離上的變化趨勢(shì)綜合回歸分析發(fā)現(xiàn)：4個(gè)土層的土壤含水量和離湖距離均有顯著的線性相關(guān)關(guān)系(圖1，P<0.05)，其中0～10 cm土層由離湖不同的距離解釋70%。10～60 cm各土層由離湖不同距離分別解釋了44%(10～20 cm)、19%(20～40 cm)、32%(40～60 cm)。由此可以看出，表層土壤水分和離湖距離的相關(guān)性高于下層土壤。

2.1.2土壤pH隨湖距的空間變化 人工湖對(duì)距湖不同距離的退化草地土壤pH產(chǎn)生了一定的空間影響(表2)。2014年，0～10 cm土層土壤pH隨著距湖泊距離的增加而升高，其中，距離湖泊600 m處土壤pH達(dá)到最大值10.5，相比近湖區(qū)增加了11%左右。10～60 cm各土層土壤pH從距湖10～600 m土壤分別增加了16%(10～20 cm)、12%(20～40 cm)、11%(40～60 cm)。

2015年，土壤pH變化趨勢(shì)和2014年相似(表2)。0～10 cm土層土壤pH在距湖600 m處達(dá)到最大值10.1。10～60 cm各土層土壤pH從距湖10～600 m分別升高了12%(10～20 cm)、11%(20～40 cm)、10%(40～60 cm)。

2016年，土壤pH在離湖不同距離上的變化動(dòng)態(tài)同2014和2015年有差異，但也表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律(表2)。0～40 cm土層的土壤pH隨離湖距離的增加，先顯著降低后顯著升高，在距湖100 m處達(dá)到最小值為8.39(0～10 cm)、8.71(10～20 cm)和8.87(20～40 cm)，最大值是距湖最遠(yuǎn)的600 m處為10.0(0～10 cm)、10.1(10～20 cm)和10.0(20～40 cm)。整體來(lái)說(shuō)，土壤pH值對(duì)人工湖泊在距離上產(chǎn)生的效應(yīng)不同。

通過(guò)對(duì)2014、2015和2016年土壤pH在離湖距離上的綜合回歸分析發(fā)現(xiàn)：土壤pH和離湖的距離呈極顯著的線性相關(guān)關(guān)系(圖2，P<0.05)。4個(gè)土層的土壤pH隨著離湖距離的增加顯著升高可由離湖不同的距離分別解釋了50%、38%、34%、32%。以上分析說(shuō)明，建湖后短期內(nèi)，上層土壤(0～10 cm和10～20 cm)pH值在距離上的變化和離湖距離的相關(guān)性高于下層土壤。

表2 2014-2016年土壤pH值在離湖距離上的變化Table 2 The variation of soil pH values at different distance from lake in 2014-2016

圖2 土壤pH與距湖距離的相關(guān)性Fig.2 Correlation between soil pH and distance from lake

2.1.3EC隨湖距的空間變化 2014年土壤EC在距離上體現(xiàn)出先升高后降低的變化規(guī)律(表3)。0～60 cm各層土壤EC在距湖100 m處達(dá)到了最大7910、 2516、 1757、1247 μS·cm-1。除0～10 cm土層，EC值在250 m處達(dá)到最小1436 μS·cm-1，20～60 cm各土層的土壤EC在距離上的變化趨勢(shì)一致。距湖10 m處EC最小。

2015年土壤EC隨著距離的增加先出現(xiàn)升高的趨勢(shì)，均在距湖100 m處達(dá)到最大值，后又下降。10～60 cm在距湖10 m處為EC最小值，分別為712、445、335 μS·cm-1。0～10 cm土層在距湖250 m處達(dá)到最小1127 μS·cm-1。

2016年土壤EC與2014和2015年變化趨勢(shì)基本一致(表3)。0～10 cm土層土壤EC在距湖10 m處最小，隨著距離的增加土壤EC值顯著升高并在距湖100 m處達(dá)到最大值，而后隨著距離的增加顯著降低?？傮w說(shuō)明人工湖對(duì)不同距離上的EC值影響不同。

表3 2014-2016年土壤EC值在離湖距離上的變化Table 3 The variation of EC at different distance from lake in 2014-2016 (μS·cm-1)

2.2 土壤理化性質(zhì)的年際變化

2.2.1土壤水分的年際變化 土壤水分在不同土層不同的離湖距離隨建湖的年限產(chǎn)生不同的動(dòng)態(tài)(表1)。在距湖10 m處，土壤水分2016年在各土層(除了20～40 cm土層)有一定的升高，2014和2016年統(tǒng)計(jì)差異不顯著但都略高于2015年。在距湖60 m處，土壤水分在10～20 cm土層中隨年限的增長(zhǎng)有一定的下降，但在其他3個(gè)土層中2014和2016年沒(méi)有差異但都顯著高于2015年。在距湖100 m處，0～20 cm層中土壤水分在3年間變化不大，但在20～60 cm層土壤水分2014和2016年沒(méi)有差異且都顯著高于2015年。在距湖150和250 m處，2014年土壤水分在各土層都略高于2015和2016年，2015和2016年間沒(méi)有差異。在距湖600 m處，從2014到2016年土壤水分在0～20 cm層變化不大，但在20～60 cm層中顯著下降。土壤水分受到降水、地下水和蒸發(fā)等的影響，從人工湖毗鄰?fù)嘶莸赝寥浪衷诓煌臻g的年際動(dòng)態(tài)變化看，人工湖在一定程度上削弱了年際間降水和蒸發(fā)不同對(duì)土壤水分的影響，特別是對(duì)離人工湖更近的草地部分(小于100 m)。在距湖小于100 m的草地土壤各層中，2014和2016年土壤水分差異基本不顯著，但在距湖大于150 m草地土壤中，2014年土壤水分在20～60 cm土層中顯著高于2016年。

2.2.2土壤pH的年際變化 0～10 cm層的土壤pH在距湖60、100和600 m處都是隨著建湖年限的增加顯著降低，距湖100 m處2014年pH為9.34，2016年為8.39，兩年內(nèi)降低了10%。距湖600 m處兩年間降低了5%(表2)。2015和2016年土壤pH顯著低于建湖初年2014年。距湖150 m和距湖250 m處雖然方差分析在年際間沒(méi)有顯著的差異，但是從數(shù)值上來(lái)看是降低的。10～20 cm土層的土壤pH在年際間除了距湖10 m處外(10 m處有增加的趨勢(shì))，都沒(méi)有顯著的差異。20～40 cm土層的土壤pH的年際變化在不同距離上有不同的變化動(dòng)態(tài)，距湖60和100 m土壤pH隨著建湖年限的積累顯著降低，而距湖10、150和250 m處隨著建湖年限的積累，土壤pH顯著升高。40～60 cm土層的土壤pH表現(xiàn)為距湖近的(10 和60 m)和距湖遠(yuǎn)的(距湖600 m)土壤pH隨著建湖年限的積累顯著降低，而距湖100、150 和250 m的距離上的土壤pH是隨著建湖年限的積累顯著升高的。對(duì)4個(gè)土層不同距離上的土壤pH的年際變化動(dòng)態(tài)分析表明，上層土壤(0～10 cm和10～20 cm)中一般隨著建湖年限的增加，土壤pH顯著降低。下層土壤(20～40 cm和40～60 cm)中距離湖泊近的和距離湖泊最遠(yuǎn)的土壤pH隨著建湖年限的增加而顯著降低，而處于中間距離(距湖100 、150和250 m)是隨著年限的增加而顯著增加。由以上的分析可以看出來(lái)，年際間土壤pH在4個(gè)土層間的動(dòng)態(tài)是不同的，上層土壤pH有降低的趨勢(shì)，而下層土壤在不同距離上有不同的變化趨勢(shì)。

2.2.3土壤EC的年際變化 土壤EC的年際變化動(dòng)態(tài)在4個(gè)土層間是不同的(表3)。0～10 cm土層土壤EC除了150 m處外，其他距離上的土壤EC隨著建湖年限的增加顯著降低。其中距湖10 m處在年際間的變化最顯著，2016年相對(duì)2014年降低了59%。10～20 cm土層土壤EC在年際間只有在距湖100和150 m處隨著建湖年限的增加土壤EC顯著升高，其他距離上的土壤EC沒(méi)有顯著的年際間差異。20～40 cm土層土壤EC在年際間有非常顯著的變化，在距湖各個(gè)距離上都是隨著建湖年限的增加，土壤EC值顯著升高，各土層的土壤EC在2016年分別相對(duì)2014年升高了36%、27%、22%、18%、30%、25%。40～60 cm土層的土壤EC在年際間不同距離上變化不同。在距湖10和600 m處電導(dǎo)率在年際上是顯著降低的，其他距離土壤EC隨著建湖年限的增加而顯著升高。由此可以看出，上層土壤(0～10 cm)EC隨年限的增加顯著降低，下層土壤特別是20～40 cm土層的土壤EC在年際間隨著建湖年限的積累顯著升高。說(shuō)明從建湖后，原本積累在上層土壤的土壤鹽分向下層運(yùn)移。對(duì)于植物根系活動(dòng)的土壤區(qū)域來(lái)說(shuō)，土壤EC值降低，土壤鹽分降低，有利于地上植物的生長(zhǎng)。

3 討論

從研究退化草地土壤理化性質(zhì)(土壤含水量、酸堿度和EC)對(duì)人工湖泊在距離上的反映結(jié)果來(lái)看，人工湖泊對(duì)退化草地有一定的影響。首先，在距離上土壤含水量表現(xiàn)出隨著離湖距離的增加而顯著降低的趨勢(shì)，2014和2016年的土壤含水量在距離上變化趨勢(shì)一致。這種在距離上的變化說(shuō)明建湖后湖泊影響著周?chē)嘶莸赝寥赖暮浚嗪浇浜吭礁?。在土層間，2014和2016年的土壤含水量表現(xiàn)為上層土壤在距離上的變化更顯著，降低幅度更大，下層土壤含水量在距離上變化幅度較小，說(shuō)明湖泊對(duì)周?chē)嘶莸赝寥篮康挠绊懮蠈油寥来笥谙聦油寥?。土壤pH在人工湖泊的影響下在距離上隨著距離的增加而顯著增加，說(shuō)明提高土壤含水量對(duì)土壤降堿有一定的促進(jìn)作用。關(guān)于土壤水分對(duì)土壤pH的影響，王赟峰[16]研究表明水分管理對(duì)土壤pH的影響作用顯著。土壤含水量過(guò)多會(huì)致使土壤中形成厭氧環(huán)境，從而產(chǎn)生二氧化碳和還原態(tài)物質(zhì)，厭氧環(huán)境下土壤中產(chǎn)生的物質(zhì)會(huì)影響土壤的酸堿度[17-18]。Hefting等[19]研究認(rèn)為不論是酸性土壤還是堿性土壤，土壤含水量高使得土壤出現(xiàn)厭氧情況后，土壤pH都會(huì)朝著中性的趨勢(shì)變化。本實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)橥嘶}堿性草地，初始pH為8～10，隨著距湖泊的距離越來(lái)越大，土壤含水量降低，土壤pH顯著升高。這與上述結(jié)論一致，對(duì)堿性土壤增加土壤水分可降低土壤pH。土壤EC在人工湖泊的影響下在距離上呈先增高后降低的趨勢(shì)，在距湖100 m處達(dá)到最大值。土壤的EC受水分影響特別大，有句形容土壤鹽分受水分影響的話 “鹽隨水來(lái)，鹽隨水走”很形象地說(shuō)明了水分對(duì)土壤鹽分運(yùn)動(dòng)的影響[20]。導(dǎo)致土壤EC隨距離動(dòng)態(tài)變化的原因可能是隨著建湖年限增加，水分在距離上會(huì)由高向低處運(yùn)移，鹽分也隨著水分運(yùn)動(dòng)。所以造成100 m后土壤EC高于距離100 m前，土壤水分將鹽分蒸發(fā)到地表，使EC值升高。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)水分和高溫條件下的蒸發(fā)力是土壤鹽分運(yùn)移的主要條件[21]。在距離湖泊100 m以外，EC隨著距離的增加而顯著降低，可能是由于在100 m以外，土壤含水量少，無(wú)法將地下的鹽分通過(guò)蒸發(fā)而帶到地表，所以，導(dǎo)致土壤EC值降低。但100 m處隨建湖年限的增加，表層土壤(0～10 cm)的EC隨著建湖年限的增加顯著降低，而下層土壤(特別是20～40 cm)的EC隨著建湖年限的增加顯著升高，這種變化說(shuō)明土壤鹽分由上層土壤下滲到下層。土壤水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律就是鹽分隨水分蒸發(fā)到地表和隨水分下滲到地下的過(guò)程[22]，湖泊的建立使毗鄰草地上層土壤的鹽分隨水分下滲到下層土壤，使得上層土壤的鹽分降低，將更適合植物生長(zhǎng)和草地恢復(fù)。

4 結(jié)論

人工湖泊對(duì)毗鄰?fù)嘶莸氐耐寥览砘再|(zhì)產(chǎn)生一定的積極影響，在距湖泊10～600 m形成一定的變化趨勢(shì)。土壤水分在距離上隨著離湖距離的增加顯著降低，土壤pH隨著距離的增加顯著升高，而土壤EC在距離上先升高在距湖100 m處達(dá)到最大后降低。土壤水分、pH和距離有顯著的線性相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明湖泊對(duì)毗鄰草地土壤水分和pH造成顯著的影響。在建湖3年這個(gè)短時(shí)期內(nèi)，形成了(特別是上層土壤)靠近湖泊的土壤水分高，其次就是土壤pH小，EC低的特點(diǎn)，以上說(shuō)明人工湖對(duì)毗鄰?fù)嘶莸馗纳拼嬖谝欢ǖ姆e極作用。