人工湖對毗鄰放牧草地土壤理化性質和植物 特征的短期影響

趙天賜，安 嬋，李金升，喬建霞，唐士明,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))

放牧是草地的主要利用方式之一，持續高強度放牧是導致草地退化的主要因素[1]，而草地退化的直接反應就是土壤的理化性質發生改變，土壤理化性質是評價草地發育狀況的重要條件。已有研究發現，重度和中度放牧降低草地土壤中的含水量[2-3]，導致土壤養分流失，土壤鹽堿化程度加重[4-5]，土壤含水量一定程度上決定著土壤營養狀況和草地生產力[6-7]，土壤pH反映土壤基本特性而電導率(EC)影響植物的生存環境和生長[8-9]。湖泊作為濕地生態系統的一種重要組成，不僅具有提供休閑娛樂的景觀效應,還具有保護和改善生態系統的生態效應[10]，而濕地生態系統對土壤保蓄水，物種多樣性，環境等都具有保護作用，且積極影響區域內土壤的理化性質[11]。因此，在放牧草地上建造人工湖泊，可與毗鄰區域形成近似濕地的生態環境，并在一定程度上改變毗鄰放牧草地土壤中的含水量、pH、EC和植被多樣性。在河北沽源國家野外觀測站人工湖毗鄰的放牧草地，研究人工湖對毗鄰放牧草地的植被生物量、多樣性以及土壤含水量，pH和EC在空間和時間上的影響，為放牧草地生態環境穩定發展提供一個可行的數據支持。

1 材料和方法

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科學觀測站，河北省北部沽源縣城北12 km，E 115°40′，N 41°46′，海拔1 460 m，半干旱大陸季風氣候，年均氣溫1℃，最冷月(1月)平均氣溫-18.6℃，最熱月(7月)平均氣溫17.6℃。年降水量為350～450 mm，年蒸發量為1 700～2 300 mm，年大風日數50～80 d，無霜期為80～110 d，年日照時數2 930 h，主要土壤類型為栗鈣土。草地初始的主要植物有羊草(Leymuschinensis)、堿茅(Puccinelliadistans)、蘆葦(Phragmites australis)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、堿蓬(Suaedaglauca)、馬藺(Irislactea)，試驗點草地屬于天然草地、中度放牧，植被覆蓋度為80%。

1.2 試驗設計與取樣測定

1.3 數據分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2013進行整理和分析，用SPSS 21.0進行方差分析，單因子分析土壤含水量、pH、EC和在不同湖距上植被的變化。

2 結果與分析

2.1 湖距對土壤含水量的影響

2014年草地土壤含水量隨著湖距增加土壤含水量減少(表1)。0～10 cm土層，土壤含水量在30 m處達到最大值39%，隨著距離增加，600 m土壤含水量達到最低值10.70%，比距離10 m處下降62%。10～20 cm同樣隨著距離增加土壤含水量下降57%。20～40 cm土層，近湖區土壤含水量高于遠湖區，最小值也在距湖600 m處。

2015年，隨著距湖越遠，土壤含水量同樣呈現降低現象。0～10 cm土層土壤含水量在距離上表現顯著的差異，距離湖泊30 m到600 m處，含水量減少60%。10～60 cm 3個土層在距離上含水量均有減少但差異不明顯，但從距湖近30 m到600 m處，3個土層土壤含水量均有降低37%，34%和22%。

2016年，土壤含水量在0～10 cm同樣是距湖越近土壤含水量越高，土壤含水量最大值是距湖30 m處10～20 cm土層，隨著距離的增加，土壤含水量減少了42%。20～60 cm土層間含水量差異不顯著。但數值有降低趨勢。結果顯示人工湖對含水量的影響是越靠近湖泊，含水量越高。上層(0～20 cm)含水量在距離上的變化大于下層(20～60 cm)。

2.2 湖距對土壤pH的影響

2014年，隨著湖距的增加，pH值趨于減少(表2)。0～10 cm表層，距湖10 m處pH最大值9.61、隨著湖距增加，在100 m處最小值7.59，pH相對減少了21%。10～20、20～40、40～60 cm土層隨著湖距越遠，pH出現降低。pH最大值出現在距湖10 m處，最小值出現距湖較遠的250 m、400 m處。

表1 2014～2016年7月的土壤含水量

注：不同小寫字母表示同一年不同距離的方差分析(P<0.05)

2015年，土壤pH在各土層上表現不一致，隨著距離增加而增加，pH值出現波動趨勢。0～10 cm土層，pH值最小值8.39出現在距湖30 m處。100 m距離后差異不顯著。10～20 cm土層，在距離30 m處出現最低值，與距湖60 m、100 m土壤pH差異顯著(P<0.05)，遠湖區pH沒有差異。20～60 cm土層，pH值隨距離增加呈增長的趨勢，從30 m到600 m土壤pH的值分別上升12%、13%。

2016年，0～10 cm土層土壤pH出現先升高，隨著距離增加又降低的趨勢，但0～10 cm土層其余各湖距間pH表現不顯著。10～20 cm土層pH在距離上也是出現波動，但總體是降低趨勢，20～40、40～60 cm土層，隨著距離的增加，土壤pH出現升高，最小值9.22、9.02出現在距湖30 m、60 m處。

表2 2014～2016年7月土壤的pH

2.3 湖距對土壤EC的影響

2014年土壤電導率隨著湖距增加而顯著增加，隨著土層深度增加EC值減小(表3)。表層最小EC值在離湖距離30 m處，為1 474 us/cm。而EC最大4 603 us/cm出現在距湖250 m處。EC值增加了68%。土層深度為10～20 m土壤電導率隨著距離變化呈現增加的趨勢，且最大值2 129 us/cm(600 m)與最小值469 us/cm(30 m)電導率的變化為77%。20～40、40～60 cm土層的土壤EC值在距離結果表現為距湖越近，電導率值越小。

2015年，0～10 cm土層土壤的EC值是隨著湖距的變化呈先增大再減少的趨勢。離湖100 m處出現最大值，為4 413 us/cm，最小值(714 us/cm)就是距離在400 m處。20～40 cm、40～60 cm土層，除距湖30 m處值較大外，其余EC值總體隨著距離的增加出現升高，從30 m到600 m，土壤EC值分別增加了59%、45.6%。

2016年，0～20 cm土層EC隨湖距增加而出現先增加后減少的變化，0～10 cm土層EC在湖距250 m處達到最大值2 096 us/cm。10～20 cm土層電導率則在250 m處為最大值。20～40 cm、40～60 cm土層離湖由近及遠(30 m到600 m)EC值出現增加，分別增加了74%、51%。土壤EC值在深度上的變化是隨著土層深度加深而降低。

2.4 人工湖湖距對植被特征的影響

2014年，植被覆蓋度在不同樣點的差異較大，距湖100 m植被覆蓋度大于100 m后的樣點。2015年，植被覆蓋度從100 m樣點處開始增加，距湖30，150和600 m植被覆蓋度比2014年都增加，不同湖距樣點間植被蓋度特異性有減弱趨勢。2016年距離150 m后樣點與近湖樣點的植被蓋度相接近，2016年不同距離樣點覆蓋度比2014年增加6%(150 m)、10%(250 m)、17%(400 m)、15%(600 m)。植被生物量隨著時間增加而增加，生物量在30、60、250、600 m處比2014年升高了92%、85%、73%、72%。建湖初期，放牧草地上植被多樣性隨著湖距增加各樣點存在較大差異(表4)，特別是距湖150 m、250 m處simpson指數明顯低于其他樣點。60 m與100 m處樣點的simpson指數相差33%。2015年，不同距離上樣點的simpson指數有明顯升高，60 m與100 m處樣點simpson指數相差20%。其中，距湖150 m、250 m處simpson指數相比2014年增加79%、62%。說明人工湖不僅提高草地的多樣性，而且減弱草地上各距離間植被多樣性的差異。隨著建湖年限的增加，到2016年，不同湖距的樣點simpson指數呈現增加的趨勢，除距湖較遠的400 m、600 m外。結果顯示出距湖30，60和150 m處simpson指數比2015年分別升高22%，33%和22%。離湖越遠，simpson指數在年際間變化趨勢不同。表明建立人工湖時間的延長增加了草地植被蓋度、生物量、多樣性等，其中距離越近越顯著。

表3 2014～2016年7月不同湖距的土壤EC值

表4 2014～2016年不同湖距的植被生物量、蓋度、多樣性

3 討論

人工湖泊對放牧草地土壤理化性質(土壤含水量、酸堿度和EC)、以及植被蓋度、生物量、多樣性具有一定影響。放牧草地土壤含水量隨著湖泊的距離的增加呈減少的趨勢，說明湖泊水分運移是隨著距離增加出現減少的。而水分運移需要一定的條件[12]，如土壤間梯度差異，距湖近樣點與湖泊存在一定的水勢差，水分運移速率相對加快。導致近湖區草地含水量高于遠湖區。土壤pH在人工湖泊的影響下，建湖初期表現為越靠近人工湖，pH值越高，分析可能是由于是建湖初期，離湖越近，越靠近水源，家畜飲水增加踩踏靠近人工湖試驗點的頻繁。許多研究表明，家畜踩踏使土壤緊實度、容重增加[13-14]，家畜排泄在靠近水源區分解會對土壤化學組成產生影響[15]。除人工湖放牧草地的影響外，草地土壤pH的變化還受到氣候因素的影響。隨著建湖年限的增加，2015年土壤pH產生一定改變，近湖區樣點pH值相對低于遠湖區，說明土壤pH隨著土壤含水量的變化而變化，2016年，土壤pH在距離上表現更顯著。研究發現，在一定程度上增加土壤含水量，土壤pH會相對降低[16]，通過人工注水等方式修復退化濕地等研究發現，隨著恢復年限增加，土壤pH隨著含水量的增加而降低[17-18]。對于土壤EC和土壤水分的關系解釋最合理的是“鹽隨水來，鹽隨水去”[19-20]。反映了土壤的EC易受水分的影響。試驗中，2014年土壤EC在人工湖泊的影響下在距湖前100 m處土壤EC小于100 m后樣點處土壤電導率值。而2015年土壤EC隨距離動態變化出現先增加而減少的原因可能是在距離湖泊100 m之內，土壤含水量高于其后距離，土壤水分將下層鹽分蒸發到地表，使EC值達到最大。有關研究發現水分和高溫條件下的蒸發力是土壤鹽分運移的主要條件[20]，而在距離湖泊100 m以外，土壤水分隨距離的增加而顯著降低，而EC也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，無法將地下的鹽分通過蒸發而帶到地表，所以，放牧草地土壤含水量越高，土壤EC值也越低。隨建湖年限的增加，削弱了土壤的鹽分在距離上的差異性，并相對降低了土壤表層鹽分，對于淺根系區域來說，將更適合植物的生長和草地恢復。植被生物量以及蓋度、多樣性均隨著建湖年際的增加而增加，說明改變土壤含水量導致放牧草地植被基本特征也發生改變，對云貴高原恢復濕地研究中發現，隨著恢復時間的增加，改變原有植被的數量并增加了植被的多樣性，植被數量從修復前的10科、11屬、14種增加到15科、21屬、26種[22]。在塔里木河岸植被特征研究中，以河域為中心向外延展，發現距離河岸越遠，灌木、草本的頻度、蓋度、密度在一定程度上減少，物種多樣性指數也明顯降低。說明植物數量特征、物種多樣性指數因土壤水分降低產生一定程度的退化，因此，植被特征與土壤水分分布格局存在一定的相關性，并且成為表層土壤水分制約植被數量發展的因子，也是植被格局形成和演變的主要因素，且兩者屬于正相關性[23-24]。

4 結論

人工湖泊對毗鄰放牧草地的土壤理化性質，植被特征產生一定的積極影響，草地含水量在3年內增加了45%(0～10 cm,600 m)。2016年土壤pH隨著距離的增加而升高，pH在10～20 cm土層的30 m處為9.41，到距湖600 m處，pH上升到9.88。土壤電導率隨著年際的增加，表層土壤鹽分降低，底層鹽分出現上升現象。說明人工湖對草地土壤鹽分有向下運移的作用，利于植物生長。草地覆蓋度在距離上的差異從20%減少到2%(2014年)，生物量和多樣性在距離上的差異同樣減弱，植物基本特征對人工湖存在積極響應。人工湖對毗鄰放牧草地有一定的改善作用。