人造湖对毗邻退化草地土壤含水量、电导率和pH的影响

安婵，乔建霞，商建英,2，李金升，赵天赐，唐士明,邵新庆,3，黄顶,3，王堃,3,刘克思,3*

(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)

北方草原是我国重要的放牧区，但是由于诸多自然因素与人为因素的干扰，使草原呈现出不同程度的退化状态[1]。针对这种状况，草地管理者采取了各种措施延缓草地退化或对退化草地进行恢复，这其中包括围封、翻耕、补播、施肥、灌溉等[2-4]。有研究证明，围封的确对退化草地植物、土壤有所改善[5]，但围封必然会降低牧场的利用面积和效率。长期研究证明松土、补播、施肥、灌溉等措施有增产、提高土壤肥力等作用，但是草原面积广阔，松土、施肥等措施成本高[3]。湖泊作为湿地生态系统的一种重要组成，不仅具有提供休闲娱乐的景观效应，还具有保护和改善生态系统环境的生态效应[6-7]。有研究表明，湿地生态系统对土壤保蓄水、物种多样性、环境等都具有保护作用，且影响区域内土壤的理化性质[8-9]。

放牧是草地的主要利用方式之一，持续过高的放牧强度是导致草地退化的主要因素，而草地退化的直接反应就是土壤的理化性质发生改变。许多研究已经发现，草地退化降低草地土壤中的含水量[10]，致使土壤中pH和电导率升高[11-12]。草地土壤含水量改变会导致土壤营养状况和草地生产力发生变化[13]。土壤pH可以反映出土壤的基本特性[14]，土壤电导率对于确定土壤植被营养和生长有重大意义[15]。在退化草地上建造人工湖泊，就可能使其与毗邻退化草地形成湿地生态系统，从而改善退化草地的生态环境，提高草地土壤中的含水量和改善土壤理化性质，加速退化草地恢复和增强草地的可持续性，但关于此方面的研究几乎没有。基于此，研究人造湖对毗邻退化草地土壤理化性质空间和时间上的影响，为更好改善退化草地生态环境提供理论依据和数据支持。

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，距河北省北部沽源县城北12 km，东经115°40′，北纬41°46′，海拔1460 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 ℃，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，且多集中于6-9月，占全年降水量的79%，年蒸发量为1700～2300 mm。无霜期为80～110 d，年日照时数为2930 h，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)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、碱蓬(Suaedaglauca)、马蔺(Irislactea)等。

1.2 实验设计与取样设定

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13.3 hm2(480 m×277 m)，深2 m的人工湖泊并在年底完成湖蓄水。为研究人工湖对退化草地土壤含水量、pH、电导率(electronic conductivity，EC)在时间和空间上的影响，在人工湖东侧的退化放牧草地(草地覆盖度低于40%)上，以湖泊中心位置延展，按照离湖边距离(10、60、100、150、250、600 m)于2013年7月分别放置一个2 m×2 m×2 m的铁笼，形成笼内外相对独立的环境，笼外保持原有的放牧状态，笼内形成免放牧干扰的环境，防止放牧动物的践踏和排泄影响采样区样品的准确性。对于笼内的植物，在植物最大生长期(7月中旬)刈割至笼外植物的高度，尽可能模拟退化草地的本身状态。在2014、2015和2016年植物的生长旺季(7月下旬)，从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，迅速混合均匀，分成2份，1份放入准备的铝盒(铝盒称重编号W3)盖封好，1份放入牛皮纸袋。放入铝盒的那份带回实验室迅速称重W1，然后和放入牛皮纸袋的那份一起放入60 ℃烘箱烘为恒重。烘完后，铝盒的部分重新称重W2，通过计算得出土壤含水量[含水量=[(W1-W2)/(W1-W3)]×100%。牛皮纸袋部分土样在实验室内进一步处理测定土壤pH和电导率EC。pH和EC用电位法测定：称取5 g干土放入离心管中，再加入25 mL的去离子水(水土比为5∶1)，振荡机振荡1 h，静止1 h后用酸度计(FE30-K, METTER TOLEDO)和电导率仪(FE30-K, METTER TOLEDO)分别测定pH和EC。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2010整理试验所测得的数据并进行初步分析，用SPSS 21.0进行方差分析，分析土壤各理化性质在距离湖泊由近及远的不同距离上的变化和在年际的变化，从而综合评价人工湖对退化草地土壤理化性质的影响。用Sigma Plot 10.0绘制图形。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质随湖距的空间变化

2.1.1土壤含水量随湖距的空间变化 2014年土壤含水量在人工湖周围不同距离上及不同土层间变化显著(表1)。在距离上，随着距离的增加，4个土层均是显著降低的。0～10 cm土层在距离湖泊10 m处土壤含水量为34%，随着距离的增加，在距离湖泊600 m处的土壤含水量降为17%，相比10 m处降低了50%。10～60 cm各土层土壤含水量在距湖600 m处相对于10 m处分别下降了40%(10～20 cm层)，26%(20～40 cm层)和29%(40～60 cm层)。数据显示，2013年建湖后，2014年土壤含水量在距离上已经有显著的变化，且上层土壤含水量在距离上的变化幅度大于下层土壤。

表1 2014-2016年土壤含水量在离湖不同距离变化Table 1 The variation of soil moisture at different distance from lake in 2014-2016 (%)

注：表中不同小写字母代表同一土层在不同距离间差异显著(P<0.05)，不同大写字母代表同距离不同年际间在0.05水平上显著, 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年土壤含水量在距离上没有2014年土壤含水量的变化趋势显著，但是总的来说，离湖泊近的草地土壤含水量显著高于远距离的，尤其是距离小于100 m的土壤含水量显著高于距离大于100 m的土壤含水量(表1)。例如0～10 cm土层的土壤含水量从距离湖泊10 m处29%的土壤含水量下降到600 m处的15%，土壤含水量降低了48%。数据显示，距离湖泊前100 m的土壤含水量在土层间的变化很明显，而100 m之后的草地土壤含水量的变化幅度小于距离湖泊近的。

2016年土壤含水量变化与前两年类似，随距湖距离的增加，含水量显著降低(表1)。0～10 cm土层的土壤含水量从距离湖泊60 m处的39%下降到600 m处的15%，降低了62%。10～60 cm各土层的土壤含水量从10 m处的35%(10～20 cm)、25%(20～40 cm)、33%(40～60 cm)下降到600 m处的18%(10～20 cm)、15%(20～40 cm)、16%(40～60 cm)。数值显示人工湖对上层土壤含水量的影响在距离上明显高于下层土壤。

图1 土壤水分含量与距湖距离的相关性Fig.1 Correlation between soil moisture and distance from lake

通过对2014、2015和2016年的不同土层在距湖不同距离上的变化趋势综合回归分析发现：4个土层的土壤含水量和离湖距离均有显著的线性相关关系(图1，P<0.05)，其中0～10 cm土层由离湖不同的距离解释70%。10～60 cm各土层由离湖不同距离分别解释了44%(10～20 cm)、19%(20～40 cm)、32%(40～60 cm)。由此可以看出，表层土壤水分和离湖距离的相关性高于下层土壤。

2.1.2土壤pH随湖距的空间变化 人工湖对距湖不同距离的退化草地土壤pH产生了一定的空间影响(表2)。2014年，0～10 cm土层土壤pH随着距湖泊距离的增加而升高，其中，距离湖泊600 m处土壤pH达到最大值10.5，相比近湖区增加了11%左右。10～60 cm各土层土壤pH从距湖10～600 m土壤分别增加了16%(10～20 cm)、12%(20～40 cm)、11%(40～60 cm)。

2015年，土壤pH变化趋势和2014年相似(表2)。0～10 cm土层土壤pH在距湖600 m处达到最大值10.1。10～60 cm各土层土壤pH从距湖10～600 m分别升高了12%(10～20 cm)、11%(20～40 cm)、10%(40～60 cm)。

2016年，土壤pH在离湖不同距离上的变化动态同2014和2015年有差异，但也表现出一定的变化规律(表2)。0～40 cm土层的土壤pH随离湖距离的增加，先显著降低后显著升高，在距湖100 m处达到最小值为8.39(0～10 cm)、8.71(10～20 cm)和8.87(20～40 cm)，最大值是距湖最远的600 m处为10.0(0～10 cm)、10.1(10～20 cm)和10.0(20～40 cm)。整体来说，土壤pH值对人工湖泊在距离上产生的效应不同。

通过对2014、2015和2016年土壤pH在离湖距离上的综合回归分析发现：土壤pH和离湖的距离呈极显著的线性相关关系(图2，P<0.05)。4个土层的土壤pH随着离湖距离的增加显著升高可由离湖不同的距离分别解释了50%、38%、34%、32%。以上分析说明，建湖后短期内，上层土壤(0～10 cm和10～20 cm)pH值在距离上的变化和离湖距离的相关性高于下层土壤。

表2 2014-2016年土壤pH值在离湖距离上的变化Table 2 The variation of soil pH values at different distance from lake in 2014-2016

图2 土壤pH与距湖距离的相关性Fig.2 Correlation between soil pH and distance from lake

2.1.3EC随湖距的空间变化 2014年土壤EC在距离上体现出先升高后降低的变化规律(表3)。0～60 cm各层土壤EC在距湖100 m处达到了最大7910、 2516、 1757、1247 μS·cm-1。除0～10 cm土层，EC值在250 m处达到最小1436 μS·cm-1，20～60 cm各土层的土壤EC在距离上的变化趋势一致。距湖10 m处EC最小。

2015年土壤EC随着距离的增加先出现升高的趋势，均在距湖100 m处达到最大值，后又下降。10～60 cm在距湖10 m处为EC最小值，分别为712、445、335 μS·cm-1。0～10 cm土层在距湖250 m处达到最小1127 μS·cm-1。

2016年土壤EC与2014和2015年变化趋势基本一致(表3)。0～10 cm土层土壤EC在距湖10 m处最小，随着距离的增加土壤EC值显著升高并在距湖100 m处达到最大值，而后随着距离的增加显著降低。总体说明人工湖对不同距离上的EC值影响不同。

表3 2014-2016年土壤EC值在离湖距离上的变化Table 3 The variation of EC at different distance from lake in 2014-2016 (μS·cm-1)

2.2 土壤理化性质的年际变化

2.2.1土壤水分的年际变化 土壤水分在不同土层不同的离湖距离随建湖的年限产生不同的动态(表1)。在距湖10 m处，土壤水分2016年在各土层(除了20～40 cm土层)有一定的升高，2014和2016年统计差异不显著但都略高于2015年。在距湖60 m处，土壤水分在10～20 cm土层中随年限的增长有一定的下降，但在其他3个土层中2014和2016年没有差异但都显著高于2015年。在距湖100 m处，0～20 cm层中土壤水分在3年间变化不大，但在20～60 cm层土壤水分2014和2016年没有差异且都显著高于2015年。在距湖150和250 m处，2014年土壤水分在各土层都略高于2015和2016年，2015和2016年间没有差异。在距湖600 m处，从2014到2016年土壤水分在0～20 cm层变化不大，但在20～60 cm层中显著下降。土壤水分受到降水、地下水和蒸发等的影响，从人工湖毗邻退化草地土壤水分在不同空间的年际动态变化看，人工湖在一定程度上削弱了年际间降水和蒸发不同对土壤水分的影响，特别是对离人工湖更近的草地部分(小于100 m)。在距湖小于100 m的草地土壤各层中，2014和2016年土壤水分差异基本不显著，但在距湖大于150 m草地土壤中，2014年土壤水分在20～60 cm土层中显著高于2016年。

2.2.2土壤pH的年际变化 0～10 cm层的土壤pH在距湖60、100和600 m处都是随着建湖年限的增加显著降低，距湖100 m处2014年pH为9.34，2016年为8.39，两年内降低了10%。距湖600 m处两年间降低了5%(表2)。2015和2016年土壤pH显著低于建湖初年2014年。距湖150 m和距湖250 m处虽然方差分析在年际间没有显著的差异，但是从数值上来看是降低的。10～20 cm土层的土壤pH在年际间除了距湖10 m处外(10 m处有增加的趋势)，都没有显著的差异。20～40 cm土层的土壤pH的年际变化在不同距离上有不同的变化动态，距湖60和100 m土壤pH随着建湖年限的积累显著降低，而距湖10、150和250 m处随着建湖年限的积累，土壤pH显著升高。40～60 cm土层的土壤pH表现为距湖近的(10 和60 m)和距湖远的(距湖600 m)土壤pH随着建湖年限的积累显著降低，而距湖100、150 和250 m的距离上的土壤pH是随着建湖年限的积累显著升高的。对4个土层不同距离上的土壤pH的年际变化动态分析表明，上层土壤(0～10 cm和10～20 cm)中一般随着建湖年限的增加，土壤pH显著降低。下层土壤(20～40 cm和40～60 cm)中距离湖泊近的和距离湖泊最远的土壤pH随着建湖年限的增加而显著降低，而处于中间距离(距湖100 、150和250 m)是随着年限的增加而显著增加。由以上的分析可以看出来，年际间土壤pH在4个土层间的动态是不同的，上层土壤pH有降低的趋势，而下层土壤在不同距离上有不同的变化趋势。

2.2.3土壤EC的年际变化 土壤EC的年际变化动态在4个土层间是不同的(表3)。0～10 cm土层土壤EC除了150 m处外，其他距离上的土壤EC随着建湖年限的增加显著降低。其中距湖10 m处在年际间的变化最显著，2016年相对2014年降低了59%。10～20 cm土层土壤EC在年际间只有在距湖100和150 m处随着建湖年限的增加土壤EC显著升高，其他距离上的土壤EC没有显著的年际间差异。20～40 cm土层土壤EC在年际间有非常显著的变化，在距湖各个距离上都是随着建湖年限的增加，土壤EC值显著升高，各土层的土壤EC在2016年分别相对2014年升高了36%、27%、22%、18%、30%、25%。40～60 cm土层的土壤EC在年际间不同距离上变化不同。在距湖10和600 m处电导率在年际上是显著降低的，其他距离土壤EC随着建湖年限的增加而显著升高。由此可以看出，上层土壤(0～10 cm)EC随年限的增加显著降低，下层土壤特别是20～40 cm土层的土壤EC在年际间随着建湖年限的积累显著升高。说明从建湖后，原本积累在上层土壤的土壤盐分向下层运移。对于植物根系活动的土壤区域来说，土壤EC值降低，土壤盐分降低，有利于地上植物的生长。

3 讨论

从研究退化草地土壤理化性质(土壤含水量、酸碱度和EC)对人工湖泊在距离上的反映结果来看，人工湖泊对退化草地有一定的影响。首先，在距离上土壤含水量表现出随着离湖距离的增加而显著降低的趋势，2014和2016年的土壤含水量在距离上变化趋势一致。这种在距离上的变化说明建湖后湖泊影响着周围退化草地土壤的含水量，距湖越近其含水量越高。在土层间，2014和2016年的土壤含水量表现为上层土壤在距离上的变化更显著，降低幅度更大，下层土壤含水量在距离上变化幅度较小，说明湖泊对周围退化草地土壤含水量的影响上层土壤大于下层土壤。土壤pH在人工湖泊的影响下在距离上随着距离的增加而显著增加，说明提高土壤含水量对土壤降碱有一定的促进作用。关于土壤水分对土壤pH的影响，王赟峰[16]研究表明水分管理对土壤pH的影响作用显著。土壤含水量过多会致使土壤中形成厌氧环境，从而产生二氧化碳和还原态物质，厌氧环境下土壤中产生的物质会影响土壤的酸碱度[17-18]。Hefting等[19]研究认为不论是酸性土壤还是碱性土壤，土壤含水量高使得土壤出现厌氧情况后，土壤pH都会朝着中性的趋势变化。本实验区域为退化盐碱性草地，初始pH为8～10，随着距湖泊的距离越来越大，土壤含水量降低，土壤pH显著升高。这与上述结论一致，对碱性土壤增加土壤水分可降低土壤pH。土壤EC在人工湖泊的影响下在距离上呈先增高后降低的趋势，在距湖100 m处达到最大值。土壤的EC受水分影响特别大，有句形容土壤盐分受水分影响的话 “盐随水来，盐随水走”很形象地说明了水分对土壤盐分运动的影响[20]。导致土壤EC随距离动态变化的原因可能是随着建湖年限增加，水分在距离上会由高向低处运移，盐分也随着水分运动。所以造成100 m后土壤EC高于距离100 m前，土壤水分将盐分蒸发到地表，使EC值升高。有关研究发现水分和高温条件下的蒸发力是土壤盐分运移的主要条件[21]。在距离湖泊100 m以外，EC随着距离的增加而显著降低，可能是由于在100 m以外，土壤含水量少，无法将地下的盐分通过蒸发而带到地表，所以，导致土壤EC值降低。但100 m处随建湖年限的增加，表层土壤(0～10 cm)的EC随着建湖年限的增加显著降低，而下层土壤(特别是20～40 cm)的EC随着建湖年限的增加显著升高，这种变化说明土壤盐分由上层土壤下渗到下层。土壤水盐运动规律就是盐分随水分蒸发到地表和随水分下渗到地下的过程[22]，湖泊的建立使毗邻草地上层土壤的盐分随水分下渗到下层土壤，使得上层土壤的盐分降低，将更适合植物生长和草地恢复。

4 结论

人工湖泊对毗邻退化草地的土壤理化性质产生一定的积极影响，在距湖泊10～600 m形成一定的变化趋势。土壤水分在距离上随着离湖距离的增加显著降低，土壤pH随着距离的增加显著升高，而土壤EC在距离上先升高在距湖100 m处达到最大后降低。土壤水分、pH和距离有显著的线性相关关系，说明湖泊对毗邻草地土壤水分和pH造成显著的影响。在建湖3年这个短时期内，形成了(特别是上层土壤)靠近湖泊的土壤水分高，其次就是土壤pH小，EC低的特点，以上说明人工湖对毗邻退化草地改善存在一定的积极作用。