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放牧对西藏高寒典型湿地土壤碳、氮分布的影响

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 摘要:以西藏高寒色林错湿地为研究对象,对重度践踏型(ZM)、轻度扰动型(QM)以及长期禁牧(CK)影响下草甸土壤容重、表面紧实度及其碳、氮空间分布进行了研究。结果表明:①土壤容重随土层深度的增加呈增加的趋势。不同放牧对表层(0~20 cm)土壤容重和土壤紧实度的影响均存在显著差异,其中ZM>CK>QM。随着土层深度(20~40 cm)的增加,这种影响差异不断减小至无差异。②不同放牧干扰下,土壤总有机碳(SOC)含量和土壤全氮(TN)含量随土层深度的增加呈现逐渐减少的趋势。但不同放牧干扰下,表层(0~20 cm)土壤SOC和TN含量存在显著差异,其中CK>ZM>QM。随着土层深度(20~40 cm)的增加,不同放牧干扰对土壤SOC和TN含量的影响不存在显著差异。研究表明,放牧对湿地表层土壤(0~20 cm)物理性状及其碳、氮营养物质积累存在显著影响,不同放牧对其影响存在差异,进而对湿地生态系统“汇”功能产生影响。
  关键词:西藏高寒湿地;放牧;土壤容重;土壤碳氮
  中图分类号:S153.6 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2016)18-4660-04
  DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.18.011
  湿地由于具有改善环境污染、减少温室效应、控制洪水和防止土壤沙化等功能而被称为“地球之肾”。西藏高寒湿地是世界上独一无二的湿地类型,除具有一般湿地共同拥有的功能外,由于其区位的重要性、环境的特殊性,西藏高寒湿地比一般湿地更具有特殊经济、社会、保护功能。但是在人口爆炸和经济发展的双重压力下,20世纪中后期由于湿地围垦、生物资源的过度利用、湿地环境污染、湿地水资源过度利用、大江大河流域水利工程建设、泥沙淤积、海岸侵蚀与破坏、城市建设与旅游业的盲目发展等不合理利用导致湿地生态系统退化,造成湿地面积缩小,水质下降、水资源减少甚至枯竭、生物多样性降低、湿地功能降低甚至丧失。土壤作为湿地的主要营养物质,特别是碳和氮的储存库,在湿地碳汇、氮汇等汇功能中起着关键作用,是湿地生态系统的基础和核心。湿地土壤中营养物质的积累及其转化直接影响到湿地生态系统的“汇”功能。因此,研究湿地土壤营养物质分布及其关键驱动因子,是掌握湿地生态系统“汇”功能效益及其“源/汇”演化过程的基础和关键。
  西藏高寒湿地地处藏族等少数游牧民族聚集区。随着当地人口的增长以及社会经济发展的需求,放牧的强度不断增大,放牧的类型由原来单一的牦牛放牧类型向牛、羊、马、猪等多元放牧类型转变。放牧影响湿地土壤的理化性质[1]、营养物质积累[2],进而对湿地土壤“汇”功能产生影响。然而受环境因素影响,放牧是否对高寒湿地土壤营养物质空间分布格局产生差异影响的有关研究尚未开展。因此,研究不同放牧对湿地土壤营养物质空间分布的差异影响,能为湿地不同放牧的分类管理、维护湿地生态系统“汇”功能提供理论依据,这也是该区域实现湿地资源合理利用的重大需求。
  本研究依据放牧对湿地土壤干扰的特征,将放牧划分为重度放牧和轻度扰动型放牧2种。通过调查,研究了不同放牧干扰对湿地土壤物理性质(容重、紧实度等)的影响及其差异;土壤有机碳分布的影响及其差异和土壤全氮分布格局的影响及其差异。通过研究,拟掌握不同放牧干扰对高寒湿地土壤碳、氮积累影响的异同,为加强该区域湿地生态系统“汇”功能保护、开展湿地放牧分类管理提供科学依据。
  1 材料与方法
  1.1 研究区域概况
  研究区位于西藏自治区申扎、尼玛、班戈三县交界处的色林错湖区(31°29′-31°47′N,89°19′-89°56′E),是西藏自治区第一大湖,全国第二大咸水湖,湖面海拔4 530 m。色林错湖区年平均气温-0.4 ℃,最热月(7月)平均气温15.9 ℃,最冷月(1月)平均气温-17.9 ℃;多年平均降水量290.8 mm,主要集中在6~9月份,降水量占全年总量的92.2%;全年日照时数2 897.4 h,年日照百分率65%。≥17.0 m/s的大风日数达90.8 d。
  随着当地人口数量的增长以及经济社会发展的需求,色林错草甸放牧压力不断增加,过度放牧导致原有草甸植被受到严重破坏,物种组成及其空间格局发生改变,影响了湿地土壤营养物质的输入;同时,也造成湿地土壤理化性质改变而引起土壤沙化。因此,中国在2003年建立了色林错国家级自然保护区,以保护当地的生态。
  1.2 研究方法
  1.2.1 放牧类型的划分 通过对研究区域基本情况的掌握,以及该区域放牧种类及其对湿地生态系统干扰特征,将色林错高山草甸、沼泽化草甸放牧类型划分为重度放牧(ZM)和轻度扰动型放牧(QM)2种类型,同时选择长期禁牧的自然草甸(CK)为对照。
  1.2.2 野外监测与土壤样品采集 2014年夏季通过对该区域放牧情况的调查,分别确定了重度放牧与扰动型放牧干扰区域,并以围栏禁牧区为对照,进行土壤调查取样。其中,采用土壤紧实度仪测定不同放牧干扰下土壤的表面紧实度,每区域重复测定3次,并对照土壤紧实度换算表计算土壤表面紧实度。在测定土壤紧实度的同时,分别在每种放牧干扰类型典型区挖取土壤剖面。用小刀除去地面植被和枯枝落叶后,从上到下将土壤坡面按0~5、5~10、10~20、20~30、30~40 cm分成5层,分别采集原状土(环刀法)和混合土样带回实验室进行测定。
  1.2.3 室内分析 土壤容重采用环刀法,土壤有机质(SOC)采用重铬酸钾氧化外加热法,土壤全氮(TN)测定采用半微量凯氏法[3]。
  1.2.4 数据分析 运用DPS 7.0统计软件,采用单因素方差分析方法,对不同放牧干扰下的土壤表面紧实度、土壤容重、SOC、TN的相关指标进行差异性检验。
  2 结果与分析
  2.1 土壤紧实度与容重不同放牧干扰对湿地土壤表面紧实度的影响存在差异。其中,重度放牧干扰下土壤表面紧实度(15.42 kg/cm3)显著高于禁牧区(5.13 kg/m3)和扰动型放牧干扰(0.27 kg/cm3)的土壤紧实度(P<0.05)。湿地土壤容重随土壤深度的增加均呈现增加的趋势(图1)。但是,不同放牧干扰对湿地0~20 cm土壤容重的影响存在显著差异,其中,重度放牧干扰下的表层0~5、5~10、10~20 cm土壤容重(1.32、1.48、1.62 g/cm3)显著高于禁牧区(1.01、1.19、1.38 g/cm3),禁牧区土壤容重显著高于轻度放牧干扰下的土壤容重(0.78、0.89、1.15 g/cm3)(P<0.05)。随着土壤深度的增加(20~40 cm),不同放牧干扰对土壤容重的影响不存在显著性差异。
  2.2 土壤总有机碳(SOC)
  土壤有机碳含量随土壤深度的增加均呈现逐渐减少的趋势(图2)。但不同放牧干扰对表层土壤SOC含量的影响存在显著差异,其中,禁牧区0~5、5~10、10~20 cm土层土壤有机碳含量分别为45.51、38.45、28.57 g/kg,显著高于重度放牧干扰SOC含量,而重度放牧干扰SOC含量显著高于轻度扰动型放牧干扰下的SOC含量(P<0.05)。随着土壤深度(20~40 cm)的增加,不同放牧干扰对SOC含量的影响无显著性差异(图2)。
  2.3 土壤全氮(TN)
  土壤全氮含量随土壤深度的增加均呈现逐渐减少的趋势,但不同放牧干扰对土壤表层全氮含量的影响存在显著差异(图3)。其中,禁牧区土壤表层0~5、5~10、10~20 cm土层全氮含量分别为2.23、2.05、1.54 g/kg,显著高于重度放牧下同土层土壤全氮含量,而重度放牧土壤表层全氮含量显著高于轻度扰动型放牧干扰下土壤表层全氮含量(P<0.05)。随着土壤深度(20~40 cm)的增加,不同放牧干扰对土壤全氮含量的影响不存在显著差异。
  3 讨论
  放牧通过改变土壤的孔隙度进而影响土壤的物理性质,如容重[4]。许多研究表明,放牧会造成土壤压板,土壤紧实度和容重会随着放牧强度的增加而增加[5],在一定程度上具有累积效应[6]。本研究通过不同放牧类型对西藏高寒湿地表层土壤物理性状影响的研究发现,不同放牧类型对土壤理化性质的影响存在差异。其中,重度放牧增加了表层土壤的紧实度和土壤容重,而轻度扰动型放牧会降低表层土壤紧实度。此研究结果和范桥发等[7]的研究一致,主要是由于重度放牧以大型家畜为主,通过反复踩踏压实,使湿地土壤中非毛管孔隙减少,导致土壤的通气性、渗透性和蓄水能力遭到破坏,而轻度扰动型放牧主要以小型家畜和候鸟等为主,它们对表层土壤具有一定的翻拱,会使得土壤相对疏松,孔隙度增大从而导致土壤容重减少。但这种表现仅体现在表层土壤,随着土层深度的增加,差异会越来越小。
  放牧对草地生态系统中化学元素的间接影响是改变化学元素的循环过程和行为特征。西藏高寒湿地在不同放牧干扰下,其表层土壤有机质、全氮含量均呈下降趋势,很大程度上是因为通过食草动物的践踏,植物残体变得破碎,同时,植物覆盖度下降,土壤容重增加,其结果是提高了土壤表面温度,这些环境因子的变化均有利于植物残体的分解。放牧亦使土壤养分矿化速率增大,固定速率降低,增强植物残体分解和土壤矿化,至少在短期内可以提高土壤养分浓度,有利于植物吸收积累养分,提高生产力,这也是系统的一种生产力补偿机制。但是,不同放牧干扰对西藏高寒湿地土壤有机质、全氮的积累影响存在一定差异。重度放牧下表层土壤有机质、全氮含量显著高于扰动型放牧下的表层土壤有机质、全氮含量,主要是因为重度放牧可大幅度降低植被地上生物量,踩踏的同时增加土壤紧实度和容重,使得土壤有机质矿化作用减弱[8]。而轻度扰动型放牧不仅使得原有植物物种丧失、生物量降低,其土壤有机质矿化也随着土壤紧实度降低、通透性的改善而加强,进一步加剧了土壤养分衰竭退化,导致土壤有机质的积累与释放失衡。
  虽然湿地面积仅占全球面积的4%~6%[9],但湿地生态系统中的碳储量却占全球陆地碳储量的12%~24%[10],湿地生态系统较高的生产力水平及其特殊的还原环境,使湿地在碳的储存过程中呈现出碳汇的功能[11-13]。土壤营养物质的贮量和积累速率是湿地“汇”功能体现的基础。据不完全统计,1980-2002年,西藏高寒生态系统形成平均每年2 300万t的净碳汇,约占中国陆地植被碳汇增加量的13%,其中高寒草地生态系统形成平均每年1 760万t的碳汇,西藏高原植被生态系统已成为中国重要碳汇地区之一[14]。西藏高寒湿地由湖泊、河流、原生沼泽、沼泽化草甸、草甸及库塘湿地等组成,其中沼泽和沼泽草甸湿地分布面积约占整个湿地面积的50%[15],但草甸也是藏区发展牧业的重要区域。本研究表明,放牧均导致西藏高寒湿地草甸土壤表层营养元素的含量减少,尤其是轻度扰动型放牧加速了土壤有机质矿化、养分衰竭,使湿地生态系统功能退化,严重影响了湿地生态系统的“汇”功能,成为碳、氮排放的“源”。因此,在该地区应进一步开展湿地放牧承载力的研究。在基于湿地保护管理目标与该区域湿地草甸放牧承载力的基础上,加强对放牧的分类管理,科学设置践踏型放牧的时间、区域及其强度,尤其是要严控扰动型放牧,进而维护西藏高寒湿地生态系统的碳“汇”功能。
  参考文献
  [1] 王向涛.放牧强度对高寒草甸植被和土壤理化性质的影响[D].兰州:兰州大学,2010.
  [2] 王明君,赵萌莉,崔国文,等.放牧对草甸草原植被和土壤的影响[J].草地学报,2010,18(6):758-762.
  [3] 鲍士旦.土壤农化分析[M].第三版.北京:中国农业出版社, 2000.
  [4] 丁小慧,宫 立,王东波,等.放牧对呼伦贝尔草地植物和土壤生态化学计量学特征的影响[J].生态学报,2012,32(15):4722-4730.

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