人工湖对沽源退化草地土壤碳、氮、磷的时空影响

时间：2024-07-28

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(1. 中国农业大学动物科技学院草业科学系，北京 100193; 2. 中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193;3. 河北沽源草地生态系统国家野外科学观测研究站, 河北沽源 076550)

我国北方草地面积广阔，是畜牧业生产的重要基地，但是由于人为因素和自然因素，草地生态系统出现不同程度的退化, 目前我国中重度退化草地已占草地总面积50%多[1-2]，并且每年还在继续增加。草地退化分为土壤退化和植被退化，其中土壤退化会严重影响草地生态系统的功能[3-5]。土壤有机碳对土壤肥力、土壤生产力、碳循环都有重要的作用[6]。氮是构成生命的要素，是植物的必需营养元素，磷是植物生长必需的大量元素之一，所以土壤中有机碳、氮和磷等含量反应土壤的肥力状况，可作为退化草地恢复的重要指标。为了维持草地生态系统的平衡发展和延缓草地进一步退化，已经采取了不同措施延缓和修复放牧草地，通过合理的放牧方式、放牧强度、放牧时间以及人为管理等去积极恢复草地生长状态，目前退化草地的修复主要有松土、浅翻耕、灌溉、施肥等措施[7-10]，这些措施对退化草地修复都有一定的积极作用，但不足之处就是持续花费大量的人力物力[11]。而湖泊作为湿地的一种重要组成部分，对其周围的环境具有修复作用，同时也维持土壤蓄水性、植被多样性、改善周围小气候条件等功能。具有独特的水文、土壤、植被与生物特征，在物质循环和能量流动中有独特的作用[12-13]。赵慧[14]等研究发现在湿地水分梯度下，土壤碳氮含量是沿着水分降低而减少的趋势，刘萍萍[15]也发现，以湖为中心，向外延伸，土壤含水量的土壤养分是逐渐降低。说明湖泊是对毗邻土壤产生一定的影响。在退化草地上建造人工湖泊，就可以使人工湖泊与毗邻退化草地形成近湿地生态系统，从而可能改善毗邻退化草地的生长环境，积极影响退化草地土壤中营养的流动，加快退化草地的修复[16]。基于此，分析人工湖对毗邻退化草地土壤有机碳、全氮和全磷的影响，评估退化草地土壤营养在人工湖影响下的恢复状况，为草地管理和恢复给出一个可选择的有效策略，为更好的利用和改善放牧草地提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于河北沽源草地生态系统国家野外站，河北省北部沽源县城北12 km，东经115°40 ′，北纬 41°46 ′，海拔 1 460 m。气候为半干旱大陆季风气候带，冬季漫长，夏季无暑，年平均气温约1℃左右，最冷月(1月)平均气温-18.6℃，最热月(7月)平均气温 17.6℃。年降水量350～450 mm之间，且降水多集中于6-9月，占全年降水量的79%，年蒸发量为1 700～2 300 mm，是降水的4～5倍，湿润系统介于0.5～0.8之间。终年盛行西北风，年大风日数50～80天，沙尘暴的日数10～25天，无霜期约为80～110天，年日照时数2 930 h，试验区为碱性土壤，pH偏高为7.9～9.8，主要土壤类型为栗钙土。草地初始的主要植物有羊草(Leymuschinensis)、碱茅(Puccinelliadistans)、芦苇(Phragmitesaustralis)、星毛萎陵菜(Potentillaacaulis)、碱蓬(Suaedaglauca)、马蔺(Irislactea)等。

1.2 试验设计与取样测定

2013年6月，在河北沽源国家野外观测站的放牧草地区建造一个面积约200亩，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，为研究人工湖对毗邻退化放牧草地土壤碳氮磷在时间和空间上的影响，在人工湖东侧的放牧草地上按照离湖边距离(10 m、60 m、100 m、150 m、250 m、600 m)依次放置6个铁丝网笼(2 m ×2 m ×2 m)。在2014年、2015年和2016年植物的生长旺季(7月下旬)从放牧草地放置铁笼区域采取相应的土壤样品。在铁笼内分别随机选取3个采样点进行土壤取样。在每个取样点，用取土器按0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，和40～60 cm分层取土，取出的同层土样，放入牛皮纸袋，带回实验室在65℃烘箱烘至恒重，然后过2 mm筛，测定土壤碳、氮和磷。

1.3 数据分析

试验所测数据采用Microsoft Excel 2007进行整理和初步分析，用SPSS 21.0进行方差分析，分析土壤碳、氮和磷在距离湖泊不同距离的变化和年际间的变化。用Sigma Plot 10.0绘制图形。

土壤有机碳的测定：TOC测定仪。测定前将土壤样品用0.5 mol·L-1HCl反应，将土壤中的无机碳反应完全后60℃烘干，称取90～120 mg(精确到0.0001 g)干土样(根据土壤的含碳量定，一般上层土壤含碳量较高，称取90～100 mg，下层土壤含碳量较低，称取约120 mg)，用TOC测定仪，样品燃烧后并在氧化铜作用下将土壤中的碳反应生成CO2，根据红外原理计算出土壤中有机碳含量。

土壤全氮的测定：凯氏定氮法，采用全自动开氏定氮仪(FOSS Kjeltec 开氏定氮仪，型号KjeltecTM23200)。

土壤全磷的测定：氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法。

2 结果与分析

2.1 退化草地土壤有机碳对人工湖的空间响应

2014年不同土层土壤有机碳在距离上表现出不同的变化规律(表1)。0～10 cm土层土壤有机碳在近湖区(小于100 m)显著高于远湖区(大于100 m)，距湖100 m处土壤有机碳达到最大，为23.29 g·kg-1，比距湖最远的600 m处土壤有机碳含量降低80%。10～20 cm土层土壤有机碳含量整体上随着距离的增加显著降低，从距湖10 m到600 m土壤有机碳降低了79%。10～20 cm土层的土壤有机碳明显低于表层0～10 cm土层。20～60 cm土层的土壤有机碳含量在远湖区(大于100 m)是随着距离的增加而显著降低2015年0～10 cm土层土壤有机碳在距离上呈降低的趋势。在距湖600m处有机碳最低，为3.72 g·kg-1。10～20 cm土层土壤有机碳在距离上呈先升高后降低的趋势，在距湖100 m达到最大值13.50 g·kg-1，距湖600 m处最小2.21 g·kg-1，在距离上降低了84%。20～60 cm土层土壤有机碳都在距湖100 m处最大，在距湖600 m处最低。

2016年距建湖两年，土壤有机碳在距离上的变化更稳定。土壤有机碳含量距湖近的(距离小于150 m)显著大于距离远的(距离大于150 m)。10～20 cm土层土壤有机碳含量在距离上为逐渐减少的趋势。其它各土层土壤有机碳含量在距离上呈先升高后降低，在距湖600 m处最小。

表1 距湖不同距离土壤有机碳的变化Table 1 The variation of soil organ carbon with distances from artificial lake

注：表中同行的不同小写字母代表同一土层不同距离在0.05水平上的差异性下同

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 土壤全氮对人工湖的空间响应

2014年土壤全氮在距离上有显著的变化趋势(表2)。0～10 cm、10～20 cm土层土壤全氮含量在距离变化是先显著升高后显著降低，土壤全氮在距离上分别降低了79%、78%。近湖区(距离小于100 m)土壤全氮含量显著高于远湖区(距离大于100 m)。20～40 cm土层土壤全氮含量在远湖区随着距离的升高显著降低，在距湖600 m处最低为0.35 g·kg-1，距湖100 m最大为1.29 g·kg-1。40～60 cm土层土壤全氮在10 m处最大，在600 m处最低，湖距在150 m之后随着距离的增加显著降低。

2015年不同土层的土壤全氮含量在不同距离上的变化同2014年相似。0～10 cm土层土壤全氮含量在距离大于60 m后随着湖距而增加，土壤全氮含量显著降低在600 m处，在距离上土壤全氮含量降低了77%。并且在距离上近湖区的土壤全氮含量显著高于远湖区。10～40 cm土层土壤全氮含量在距离上随着湖距的增加呈显著升高，在距湖100 m处最大，随后显著降低并在600 m处最小。从距离上看，土壤全氮含量近湖区显著高于远湖区。40～60 cm土层在距离上变化不明显，但是能够看出距离湖泊越远其值越小。

2016年土壤全氮含量在距湖不同距离上较2014年和2015年的变化更为显著，4个土层的土壤全氮含量在距离上均有随着距离的增加显著降低的趋势。0～10 cm土层土壤全氮含量显著升高，在距湖60 m处达到最大值为3.75 g·kg-1，随着距离的增加，在距湖600 m处最小为0.68 g·kg-1，土壤全氮含量在距离上降低了82%，10～60 cm各土层土壤全氮含量在距离上有显著减少的趋势，总体是近湖区的显著高于远湖区。

表2 距湖不同距离土壤全氮的变化Table 2 The variation of soil total nitrogen with distances from artificial lake

对3年土壤全氮和距离的相关性分析发现，4个土层土壤全氮含量和距离都有极显著的相关性(图1，P<0.01)。0～60 cm各土层的土壤全氮和距离呈抛物线形相关，土壤全氮在距离上的变化可由距离分别解释81%(0～10 cm层)、82%(10～20 cm层)、47%(20～40 cm层)和72%(40～60 cm层)。以上分析表明，在建湖后短期内，湖泊对周围退化草地的土壤全氮含量有显著的影响，且距离湖泊近的影响高于距离湖泊远的。

2.3 土壤全磷对人工湖的空间响应

2014年土壤全磷含量在4个土层间不同距离上的变化趋势不一致(表3)，总的来说，除40～60 cm土层外，其它3层的土壤全磷含量均表现为近湖区显著大于远湖区。在距离上，0～10 cm土层距湖10～150 m之间没有显著的差异，但是显著高于距湖250 m和600 m处的土壤全磷含量，其中土壤全磷含量最低值在距湖600 m处为0.27 g·kg-1。10～20 cm土层的土壤全磷在距离上表现为随着距离的增加(去掉距湖60 m处)土壤全磷含量显著降低，在距离上相对降低了51%。20～40 cm土层的土壤全磷在距离上的变化趋势同10～20 cm土层一致，除了距湖60 m处出现了一个较低值外，表现为距湖近的其土壤全磷含量显著高于距湖远的。40～60 cm土层土壤全磷含量不同于其他3层，在距离上没有显著的变化。

图1 建湖短期内土壤氮全与距离的相关性Fig.1 The correlation between soil N and distance from artificial lake

2015年，0～10 cm土层土壤全磷含量在距离上没有显著的差异，但是总体表现为先升高后降低的趋势。在距湖60 m处其磷含量达到最高值，在距湖250 m处磷含量最低。10～20 cm土层的土壤全磷含量在距离上没有差异。20～40 cm土层的土壤全磷含量在距湖100 m处达到最高值为0.15 g·kg-1。40～60 cm土壤全磷含量在距离上(10 m到600 m)降低了78%，全磷含量在距湖小于150 m处显著高于距湖大于150 m处，说明近湖区其磷含量显著高于远湖区。

2016年， 0～10 cm土层土壤磷含量在距离上先升高，在距湖60m处达到最大值为0.32 g·kg-1，随后显著降低，在距湖600 m处最低为0.14 g·kg-1。10～20 cm土层土壤全磷含量在距离上有显著降低趋势，距湖10 m处土壤全磷含量最高为0.45 g·kg-1，在距湖250 m处最低为0.10 g·kg-1。20～40 cm土层的土壤全磷含量在距湖距离10m最大，在距离大于60 m后，土壤磷含量在距离上没有显著的变化。40～60 cm土层土壤全磷在距离上变化不显著。对4个土层的土壤全磷在不同距离上的分析可以得出，湖泊对上层土壤磷的影响大于下层土壤。

表3 距湖不同距离土壤全磷的变化Table 3 The variation of soil total phosphorus with distances from artificial lake

2.4 碳氮磷变化相关性

土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)变化和全氮(total nitrogen,TN)及全磷(total phosphorus,TP)变化呈极显著的正相关关系(表4)，对结果分析可得土壤有机碳、全氮和全磷在距离湖泊不同距离上变化趋势基本一致，说明湖泊致使土壤某种元素变化，土壤中的其它元素也产生一定的联动效应。

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

注：**表示在0.01水平上的极显著相关

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

2.5 退化草地土壤有机碳对人工湖的时间响应

土壤有机碳随着建湖年限的增加在不同土层的不同离湖距离上有不同的变化趋势(表5)。0～10 cm土层除距湖100 m处是随着建湖年限的的增加而降低外，年际间在距湖60 m、150 m和250 m处是显著升高的，距湖10 m和600 m处虽然没有显著的差异，但在数值上明显增加。10～20 cm土层的土壤有机碳含量随着年限的增加除距湖600 m处是升高的之外，在其它距离上均有降低的趋势。20～40 cm土层的土壤有机碳含量在年际间的差异显著且有较大的特异性，特别是湖距60 m和100 m处的相对差86%，但是随着湖泊对土壤影响年限的增加，在年际间距湖60 m处土壤有机碳显著升高，距湖100 m处显著降低，在2016年距湖60 m和100 m处的有机碳含量相对差25%，说明随着建湖年限的增加人工湖削弱了土壤在距离上的差异性。40～60 cm土层的土壤有机碳除距湖600 m处在年际间没有差异外，随着年限的增加，都有降低的趋势。

表5 土壤有机碳在年际间的变化Table 5 The change of soil organic carbon among years

注：表中的不同小写字母代表同距离不同年际间在0.05水平上的差异性,下同

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

2.6 土壤全氮对人工湖的时间响应

土壤全氮含量在不同土层的不同距离上在建湖年限上有不同的变化动态(表6)。0～10 cm土层土壤全氮含量除了距湖60 m和250 m处土壤全氮含量随年限的增加而显著升高外，距湖100 m和150 m处土壤全氮含量随着年限的增加显著降低，距离湖泊10 m和600 m处虽没有显著的差异，但是数值上是降低的。10～20 cm土层的土壤全氮含量除了距湖10 m处没有显著差异外，其它距离上的土壤全氮含量均有降低的趋势，特别是远湖区(距离大于150 m)是随着建湖年限的增加土壤全氮含量显著降低的，距湖10 m处没有差异，距湖60 m处没有显著差异，但数值上是降低的，距湖100 m处显著降低，随着建湖年限的增加，土壤全氮含量显著降低。说明建湖削弱实验点的特异性。20～40 cm土层在距离10 m处，土壤全氮含量在年际间升高了10%，其余距离在年际间变化不显著。40～60 cm土层的土壤全氮含量在年际间表现出随着建湖年限的增加，土壤全氮含量显著升高，除了距湖600 m处没有显著的变化外，其他距离上均有显著升高的趋势，说明在土壤下层40～60cm处，土壤全氮受到人工湖的影响，并且随着建湖年限的增加，土壤全氮含量增加。对土壤全氮在4个土层在年际间的动态分析可以得出，上层土壤(0～10 cm和10～20 cm)随着建湖年限的增加，土壤全氮含量减少，下层土壤(20～40 cm和40～60 cm)随着建湖年限的增加，土壤全氮含量增加。

表6 土壤全氮在年际间的变化Table 6 The variation of soil total nitrogen among years

2.7 土壤全磷对人工湖的时间响应

土壤全磷在年际间在4个土层中所有距离上均呈显著降低的趋势(表7)。0～10 cm土层除了距湖60 m处没有显著差异外，其它距离上均是随着建湖年限的增加土壤全磷含量显著降低，距湖10 m、100 m、150 m、250 m 、600 m 处在年际间分别降低了50%、40%、45%、36%、48%。10～20 cm土层的土壤全磷含量，在2014年建湖，2015年时土壤全磷含量显著减少，2016年相对于2015年没有显著差异。20～40 cm土层土壤全磷含量在年际间的变化同10～20 cm一致，在2015年到2016年是显著升高。年际间，距湖10 m处土壤全磷含量相对升高了37%，距湖60 m处相对升高了29%，距湖100 m处相对升高了17%。40～60 cm土层的土壤全磷含量同上层土壤在年际间的变化是一致的，随着建湖年限的增加，土壤全磷含量显著降低。并且自2014年建湖后，2015年则出现显著降低，说明土壤全磷含量受到人工湖的影响敏感，在短期内则有所变化。

表7 土壤全磷在年际间的变化Table 7 The variation of total phosphorus among years

3 讨论

3.1 土壤碳氮磷对人工湖的空间响应

土壤有机碳、全氮、全磷在人工湖泊的影响下，在距离上的变化趋势表明上层土壤(0～10 cm和10～20 cm)的养分含量随着距离的增加显著降低。在距离大于100 m时，土壤有机碳、全氮、全磷都是随着距离的增加而显著下降的，体现了距离湖泊越远其养分含量越低。下层土壤(20～40 cm和40～60 cm)养分一般随着距离的增加先升高后降低，大约在距湖100 m处达到最大值。水分的变化可能在其中扮演重要的作用，有研究已表明水分是土壤矿化作用的重要影响因素[17-18]。陈静等关于水分对土壤氮素的矿化作用影响的研究发现在温度不变的情况下，改变土壤水分对土壤的硝化速率和矿化速率有明显的作用，土壤的氮素矿化作用随土壤水分的增加先升高后下降，在9.5%田间含水量处达到最大值[17]，也有研究表明，在极端干旱的条件下，水分控制氮的矿化作用，但随着土壤含水量的增加，水分对氮矿化的影响减弱[18]，水分过高也会有抑制矿化作用[19]。张晓建等[20]研究说明适宜的土壤水分能够增加土壤速效磷含量，提高根基磷素的有效性。本实验的结果与刘萍萍等研究湿地湖泊的结果有一定的一致性，湖泊由近及远对土壤的理化性质有显著的影响，含水量越高，土壤养分含量越高[21]。这3种养分的变化有一定的联动性，我们的相关分析也证实了这一点，土壤碳氮磷之间是呈显著地正相关关系，这也正好能够解释这3个指标在距离上的变化趋势基本上是一致的。碳氮的极显著正相关关系在很多研究中也有证实[22-23]。

3.2 土壤碳氮磷对人工湖的时间响应

2014年建湖后，随着建湖年限的增加，各个土层的土壤全磷含量显著降低，2014年土壤全磷含量显著高于2015年和2016年的，虽然土壤全磷含量有所降低，但并不能说明土壤磷素的供应能力减弱，只能说土壤全磷在建湖后随年际的增加有显著的变化，对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，土壤磷素对磷的贡献程度不同，其中退耕还湖2年后，有机磷含量下降，随后在上升，占全磷比例的17.80%～50.15%；退耕2年到8年无机磷也是降低的趋势；退耕8年后土壤全磷含量才逐渐上升，占全磷比例的35.90%～67.27%。土壤水文条件、植被生长和土壤黏粒含量变化不仅影响土壤磷素组分特征，也影响着恢复湿地土壤磷素有效性[24]。土壤有机碳和全氮是反映草地土壤营养状况的直接指标，土壤有机碳在不同距离上随年际的变化不同，虽然在每个土层不同距离上的土壤有机碳变化方式不同，有的显著升高有的显著降低，土壤有机碳在年际间反映不显著，但土壤有机碳在不同距离上的差异显著，说明湖泊对土壤有机碳在空间上的影响强于时间上。土壤有机碳含量主要是由植被枯落物分解得到。土壤有机碳在建湖初期草地上本身含有大量枯落物。为了保持与笼外放牧状态一致，采样完成后会剪除样方中植被，样方中土壤植物减少，枯落物也相对减小了，可能会使土壤有机碳随着年际增加而没有改变。有研究表明，土壤的异质性程度可以作为草原荒漠化程度的指标，土壤异质性的变化能反应退化土壤的恢复过程[25]，土壤全氮在年际间也是出现减少的现象，2016年土壤全氮含量在各距离上表现比2014年趋于稳定，建湖也削弱土壤全氮含量在试验点的差异性。草地植被生物量比建湖初期明显增加。但样方植被剪除导致大量植物氮不能分解到土壤中，造成土壤中部分全氮损失。土壤中另一部分氮素经反硝化作用和氨的挥发重新返回大气中。相关数据表明，建湖后草地土壤微生物数量上升，微生物分解土壤中硝酸盐和氨释放到大气中也可能会使土壤全氮含量损失[26]。