黑龍江三江平原不同退耕年限濕地土壤持水量變化

趙琬婧 李海興 焦健 王瑜 原卉 蔡體久 孫曉新*

(1 黑龍江三江國家級自然保護區(qū)管理局，黑龍江 撫遠 156500；2 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；3 黑龍江三江平原濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，黑龍江 撫遠 156500)

三江平原是中國最大的淡水沼澤濕地的集中分布區(qū)之一，也是我國中緯度冷濕( 季節(jié)性凍融) 低平原沼澤濕地的典型分布區(qū)。從20 世紀50 年代開始，三江平原進行了大規(guī)模的開發(fā)，至本世紀初，天然沼澤濕地由352.7 萬hm2下降到81 萬hm2，三江平原減少的沼澤濕地大部分被轉(zhuǎn)化為農(nóng)田(Wang et al, 2011; Liu et al, 2018)，為國家糧食供應(yīng)做出了貢獻，但同時也因為大片濕地遭到破壞而對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了較大影響。

從上世紀90 年代開始，隨著濕地科學(xué)的發(fā)展以及國家生態(tài)環(huán)境保護政策的落實，人們逐漸認識到濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要性，中國逐漸減少濕地的破壞，開始實施退耕還濕工程。1900—2010 年，中國對846 km2的農(nóng)田進行了退耕還濕工程，其中，東北地區(qū)的濕地恢復(fù)工程效果最明顯，恢復(fù)濕地面積占全國濕地恢復(fù)工程總面積的61.1%(Mao et al, 2018)。三江平原地區(qū)是東北最重要的濕地分布區(qū)之一，近30 年來，該區(qū)已建立多個濕地類型的自然保護區(qū)，并分期逐步進行了退耕還濕工程。

退耕還濕等生態(tài)恢復(fù)工程是提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要手段(Barral et al, 2015)。農(nóng)田在實施退耕還濕后，退耕地向天然沼澤方向演替，在此過程中，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能會產(chǎn)生較大變化，尤其是水土保持功能會大大提高( 熊遠清等, 2011)。三江平原地區(qū)的相關(guān)研究結(jié)果表明，自然沼澤水土保持功能是農(nóng)田的6 倍(Liu et al, 2017)。土壤持水量是衡量濕地水土保持功能的最重要指標(biāo)之一( 熊順貴, 2001)，如果土壤持水量增加，則可以直接反映出濕地水土保持功能的提高( 熊遠清等, 2011)。本文以黑龍江三江國家級自然保護區(qū)退耕還濕樣地為研究對象，通過對不同退耕年限恢復(fù)樣地以及鄰近的大豆田和天然臌囊苔草- 小葉章沼澤進行土壤持水量測定，揭示退耕還濕過程中恢復(fù)樣地土壤持水量變化，并為濕地恢復(fù)過程中水土保持功能變化的評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江三江自然保護區(qū)位于黑龍江省東北部的撫遠和同江市境內(nèi)，烏蘇里江和黑龍江交匯的三角地帶，地理坐標(biāo)為47°26′00″～48°22′50″ N，133°43′20″～134°46′40″ E。 總面積19.81 萬hm2，其中核心區(qū)面積6.60 萬hm2，緩沖區(qū)面積2.80萬hm2，實驗區(qū)面積10.41 萬hm2。屬溫帶濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫2.5℃，年均降水量558 mm。

本 研 究 選 取 退 耕 還 濕1 a、2 a、6 a、8 a、11 a、15 a 和25 a 的 恢 復(fù) 樣 地， 并 選 取 未 恢 復(fù)的農(nóng)田和天然沼澤濕地作為對照地。大豆田以大豆(Glycine max) 為優(yōu)勢種， 零散分布些野莧(Amaranthus viridis) 和鴨跖草(Commelina communis) 等雜草；退耕還濕1 ～2 a，恢復(fù)地植被以雜草為主，可見濕地植物畫眉草(Eragrostis pilosa) 和藨草(Scirpus triqueter)；退耕還濕6 a后，植被以小葉章(Deyeuxia angustifolia) 和臌囊苔草(Carex schmidti) 為主 ；至恢復(fù)到15 ～25 a時，植被與天然沼澤濕地基本一致，以小葉章和臌囊苔草占絕對優(yōu)勢( 表1)。

表1 樣地植物種類Table 1 Plant species in sampling plots

1.2 研究方法

1.2.1 土樣采集在退耕還濕1 a、2 a、6 a、8 a、11 a、15 a 和25 a 的恢復(fù)樣地以及農(nóng)田和原始沼澤濕地，用環(huán)刀直接取土壤樣品進行土壤持水量分析，每個樣地取3 個重復(fù)，每個重復(fù)取0 ～50 cm，每10 cm 分1 個層次，共5 個層次。樣品放進保溫箱后帶回實驗室分析。

1.2.2 實驗方法按照森林土壤水分- 物理性質(zhì)的測定(LY/T 1215-1999) 方法進行土壤持水量測定，具體步驟如下：

(1) 將裝有濕土的環(huán)刀，揭去上、下底蓋，僅留一墊有濾紙的帶網(wǎng)眼的底蓋，放入平底盆( 或盤)中，注入并保持盆中水層的高度至環(huán)刀上沿為止，使其吸水達12 h(質(zhì)地粘重的土壤放置時間可稍長)，此時環(huán)刀土壤中所有非毛管孔隙及毛管孔隙都充滿了水分，蓋上、下底蓋，水平取出，立即稱量(A)，即可算出最大持水量(g/kg)。

(2) 將上述稱量(A) 后的環(huán)刀，去掉底蓋，放置在鋪有干砂的平底盤中2 h，此時環(huán)刀中土壤的非毛管水分已全部流出，但環(huán)刀中土壤的毛細管仍充滿水分，蓋上底蓋，立即稱量(B)，即可計算出毛管持水量(g/kg)。

(3) 再將上述稱A(B) 后的環(huán)刀，揭去上、下底蓋，繼續(xù)放置在鋪有干砂的平底盤中，保持一定時間(3晝夜)，此時環(huán)刀中土壤的水分為毛管懸著水，蓋上、下底蓋，立即稱量(C)，即可算出最小持水量(g/kg)。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析與處理使用Excel 記錄數(shù)據(jù)，SPSS 25 進行統(tǒng)計分析，其中每個樣地土層深度指標(biāo)數(shù)值均為3 個重復(fù)的算術(shù)平均值，每個樣地指標(biāo)均值為5 個土層( 每個土層3 個重復(fù)，共15 個數(shù)據(jù)) 的算術(shù)平均值，計算標(biāo)準誤差(SE)。 用一元方差分析(one-way ANOVA, Duncan analysis) 對不同退耕年限恢復(fù)沼澤之間土壤持水量的差異進行分析；當(dāng)P ＜0.05 時差異具有顯著性。使用Origin 2017作圖。

圖1 不同樣地土壤持水量垂直分布Fig.1 The vertical distribution of soil-water holding capacity in different sample plots

2 結(jié)果與討論

2.1 不同土壤深度土壤持水量變化

隨著土壤深度的增加，土壤最大持水量、毛管持水量和田間持水量均逐漸減小。各樣地土壤持水量在0 ～10 cm 土層最高，最大持水量、毛管持水量和田間持水量變幅分別為612.93 ～1 591.71 g/kg、480.88 ～1 411.82 g/kg、359.16 ～1 178.01 g/kg； 土 壤 持 水 量在40 ～50 cm 土層最低， 最大持水量、毛管持水量和田間持水量變幅分別為352.94 ～532.19 g/kg、308.76 ～440.42 g/kg、208.08 ～419.38 g/kg。大豆田0 ～20 cm 土層持水量( 最大持水量、毛管持水量和田間持水量) 要高于20 ～50 cm 土層，但其差異不顯著(P ＞0.05)，而其他樣地0 ～20 cm 土層持水量( 最大持水量、毛管持水量和田間持水量) 均顯著高于20 ～50 cm土層(P ＜0.05)。這是由于沼澤濕地土壤表層含有大量有機物、大量半分解狀態(tài)和分解狀態(tài)的草根，又因其容重小，土壤孔隙度大( 陳懷滿, 2010)，所以退耕樣地與天然濕地在0 ～20 cm 土層土壤持水量( 最大持水量、毛管持水量和田間持水量) 均顯著高于20 ～50 cm 土層(P ＜0.05)；而大豆田因農(nóng)業(yè)活動導(dǎo)致容重較大且趨于均化，孔隙度較小(王世巖, 2004)，所以大豆田不同土層土壤持水量(最大持水量、毛管持水量和田間持水量) 差異不顯著(P ＞0.05)。

圖2 不同樣地間土壤持水量Fig.2 Soil-water holding capacity in different sample plots

大豆田0 ～20 cm 土層最大持水量顯著低于其余樣地(P ＜0.05)， 而樣地間最大持水量在20 ～50 cm 土層差異不顯著(P ＞0.05)。這是因為退耕開始后，植被逐漸恢復(fù)，植物物種多樣性和生產(chǎn)力相較于大豆田顯著升高(P ＜0.05, Jin et al, 2020)，植被的變化會導(dǎo)致土壤表層有機質(zhì)含量升高，土壤孔隙度增大( 田應(yīng)兵, 2005; Dodds et al, 2008; 王國棟, 2012)，從而導(dǎo)致退耕土壤持水量較大豆田顯著提高(P ＜0.05)。與本研究結(jié)果相似，安慶菜子湖、云南大包山等不同退耕年限濕地土壤持水量自退耕后逐漸增大( 鄭真等, 2014; 王濤, 2015; Yang et al, 2019)。本研究不同樣地土壤持水量( 最大持水量、毛管持水量和田間持水量) 在20 ～50 cm 土層差異不顯著(P ＞0.05)，說明土壤底層受退耕恢復(fù)的影響較小( 圖1)。

2.2 不同退耕年限土壤持水量變化

各 樣 地 土 壤 持 水 量(0 ～50 cm 土 層) 隨退耕時間增加呈波動變化， 最大持水量變幅 為421.08 ～914.09 g/kg， 毛 管 持 水 量為355.59 ～815.42 g/kg， 田 間 持 水 量 為257.64 ～721.55 g/kg。退耕后，恢復(fù)樣地的土壤持水量( 最大持水量、毛管持水量和田間持水量)都高于大豆田，但土壤底層(20 ～50 cm 土層) 持水量受退耕恢復(fù)影響較小，導(dǎo)致大部分恢復(fù)樣地與大豆田的土壤持水量差異不顯著(P ＞0.05)，而退耕8 a 樣地和退耕11 a 樣地田間持水量均顯著高于大豆田(P ＜0.05)。恢復(fù)樣地與天然臌囊苔草- 小葉章沼澤之間土壤持水量差異不顯著(P ＞0.05)( 圖2)。以前的相關(guān)研究表明，濕地土壤持水能力可能需要較長的時間才能恢復(fù)到天然濕地的水平，例如菜子湖區(qū)退耕濕地土壤持水量的結(jié)果表明，退耕濕地需要經(jīng)過31 a 的恢復(fù)，土壤持水量才能恢復(fù)到與天然濕地相同的水平( 楊艷芳等, 2013)。這與本研究的結(jié)果差異較大，本研究結(jié)果顯示，農(nóng)田退耕后，不同恢復(fù)年限的恢復(fù)濕地土壤持水量與天然濕地沒有顯著差異( 圖2)，可能與本研究恢復(fù)樣地的土壤有機質(zhì)含量較高( 李海興, 2020)，且下層土壤受恢復(fù)影響較小有關(guān)。大包山和菜子湖濕地退耕后土壤持水量的研究結(jié)果表明，濕地下層土壤持水量增加趨勢小于上層土壤( 鄭真等, 2014; 王濤, 2015)，可見下層土壤持水量變化普遍較緩慢，并可能因此導(dǎo)致土壤剖面持水量整體差異不顯著。

3 結(jié)論

(1) 不同年限退耕還濕樣地以及對照樣地表層土壤(0 ～20 cm) 的保水能力顯著高于下層土壤(20 ～50 cm)；(2) 退耕還濕后，恢復(fù)樣地0 ～20 cm土層的土壤持水量( 最大持水量、毛管持水量和田間持水量) 顯著高于大豆田(P ＜0.05)，說明退耕還濕后，土壤表層水土保持能力顯著提升；(3) 樣地間土壤持水量( 最大持水量、毛管持水量和田間持水量) 在20 ～50 cm 土層差異不顯著(P ＞0.05)，說明土壤底層保水能力受農(nóng)業(yè)墾殖和恢復(fù)活動的影響較小，并因此導(dǎo)致不同年限退耕還濕恢復(fù)樣地與天然沼澤濕地土壤持水量差異不顯著。