放牧對西藏高寒典型濕地土壤碳、氮分布的影響

摘要：以西藏高寒色林錯濕地為研究對象，對重度踐踏型（ZM）、輕度擾動型（QM）以及長期禁牧（CK）影響下草甸土壤容重、表面緊實度及其碳、氮空間分布進行了研究。結果表明：①土壤容重隨土層深度的增加呈增加的趨勢。不同放牧對表層（0～20 cm）土壤容重和土壤緊實度的影響均存在顯著差異，其中ZM>CK>QM。隨著土層深度（20～40 cm）的增加，這種影響差異不斷減小至無差異。②不同放牧干擾下，土壤總有機碳（SOC）含量和土壤全氮（TN）含量隨土層深度的增加呈現逐漸減少的趨勢。但不同放牧干擾下，表層（0～20 cm）土壤SOC和TN含量存在顯著差異，其中CK>ZM>QM。隨著土層深度（20～40 cm）的增加，不同放牧干擾對土壤SOC和TN含量的影響不存在顯著差異。研究表明，放牧對濕地表層土壤（0～20 cm）物理性狀及其碳、氮營養物質積累存在顯著影響，不同放牧對其影響存在差異，進而對濕地生態系統“匯”功能產生影響。

關鍵詞：西藏高寒濕地；放牧；土壤容重；土壤碳氮

中圖分類號：S153.6 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）18-4660-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.18.011

濕地由于具有改善環境污染、減少溫室效應、控制洪水和防止土壤沙化等功能而被稱為“地球之腎”。西藏高寒濕地是世界上獨一無二的濕地類型，除具有一般濕地共同擁有的功能外，由于其區位的重要性、環境的特殊性，西藏高寒濕地比一般濕地更具有特殊經濟、社會、保護功能。但是在人口爆炸和經濟發展的雙重壓力下，20世紀中后期由于濕地圍墾、生物資源的過度利用、濕地環境污染、濕地水資源過度利用、大江大河流域水利工程建設、泥沙淤積、海岸侵蝕與破壞、城市建設與旅游業的盲目發展等不合理利用導致濕地生態系統退化，造成濕地面積縮小，水質下降、水資源減少甚至枯竭、生物多樣性降低、濕地功能降低甚至喪失。土壤作為濕地的主要營養物質，特別是碳和氮的儲存庫，在濕地碳匯、氮匯等匯功能中起著關鍵作用，是濕地生態系統的基礎和核心。濕地土壤中營養物質的積累及其轉化直接影響到濕地生態系統的“匯”功能。因此，研究濕地土壤營養物質分布及其關鍵驅動因子，是掌握濕地生態系統“匯”功能效益及其“源/匯”演化過程的基礎和關鍵。

西藏高寒濕地地處藏族等少數游牧民族聚集區。隨著當地人口的增長以及社會經濟發展的需求，放牧的強度不斷增大，放牧的類型由原來單一的牦牛放牧類型向牛、羊、馬、豬等多元放牧類型轉變。放牧影響濕地土壤的理化性質[1]、營養物質積累[2]，進而對濕地土壤“匯”功能產生影響。然而受環境因素影響，放牧是否對高寒濕地土壤營養物質空間分布格局產生差異影響的有關研究尚未開展。因此，研究不同放牧對濕地土壤營養物質空間分布的差異影響，能為濕地不同放牧的分類管理、維護濕地生態系統“匯”功能提供理論依據，這也是該區域實現濕地資源合理利用的重大需求。

本研究依據放牧對濕地土壤干擾的特征，將放牧劃分為重度放牧和輕度擾動型放牧2種。通過調查，研究了不同放牧干擾對濕地土壤物理性質（容重、緊實度等）的影響及其差異；土壤有機碳分布的影響及其差異和土壤全氮分布格局的影響及其差異。通過研究，擬掌握不同放牧干擾對高寒濕地土壤碳、氮積累影響的異同，為加強該區域濕地生態系統“匯”功能保護、開展濕地放牧分類管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區位于西藏自治區申扎、尼瑪、班戈三縣交界處的色林錯湖區（31°29′-31°47′N，89°19′-89°56′E），是西藏自治區第一大湖，全國第二大咸水湖，湖面海拔4 530 m。色林錯湖區年平均氣溫-0.4 ℃，最熱月（7月）平均氣溫15.9 ℃，最冷月（1月）平均氣溫-17.9 ℃；多年平均降水量290.8 mm，主要集中在6～9月份，降水量占全年總量的92.2%；全年日照時數2 897.4 h，年日照百分率65%。≥17.0 m/s的大風日數達90.8 d。

隨著當地人口數量的增長以及經濟社會發展的需求，色林錯草甸放牧壓力不斷增加，過度放牧導致原有草甸植被受到嚴重破壞，物種組成及其空間格局發生改變，影響了濕地土壤營養物質的輸入；同時，也造成濕地土壤理化性質改變而引起土壤沙化。因此，中國在2003年建立了色林錯國家級自然保護區，以保護當地的生態。

1.2 研究方法

1.2.1 放牧類型的劃分 通過對研究區域基本情況的掌握，以及該區域放牧種類及其對濕地生態系統干擾特征，將色林錯高山草甸、沼澤化草甸放牧類型劃分為重度放牧（ZM）和輕度擾動型放牧（QM）2種類型，同時選擇長期禁牧的自然草甸（CK）為對照。

1.2.2 野外監測與土壤樣品采集 2014年夏季通過對該區域放牧情況的調查，分別確定了重度放牧與擾動型放牧干擾區域，并以圍欄禁牧區為對照，進行土壤調查取樣。其中，采用土壤緊實度儀測定不同放牧干擾下土壤的表面緊實度，每區域重復測定3次，并對照土壤緊實度換算表計算土壤表面緊實度。在測定土壤緊實度的同時，分別在每種放牧干擾類型典型區挖取土壤剖面。用小刀除去地面植被和枯枝落葉后，從上到下將土壤坡面按0～5、5～10、10～20、20～30、30～40 cm分成5層，分別采集原狀土（環刀法）和混合土樣帶回實驗室進行測定。

1.2.3 室內分析 土壤容重采用環刀法，土壤有機質（SOC）采用重鉻酸鉀氧化外加熱法，土壤全氮（TN）測定采用半微量凱氏法[3]。

1.2.4 數據分析 運用DPS 7.0統計軟件，采用單因素方差分析方法，對不同放牧干擾下的土壤表面緊實度、土壤容重、SOC、TN的相關指標進行差異性檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤緊實度與容重

不同放牧干擾對濕地土壤表面緊實度的影響存在差異。其中，重度放牧干擾下土壤表面緊實度（15.42 kg/cm3）顯著高于禁牧區（5.13 kg/m3）和擾動型放牧干擾（0.27 kg/cm3）的土壤緊實度（P<0.05）。濕地土壤容重隨土壤深度的增加均呈現增加的趨勢（圖1）。但是，不同放牧干擾對濕地0～20 cm土壤容重的影響存在顯著差異，其中，重度放牧干擾下的表層0～5、5～10、10～20 cm土壤容重（1.32、1.48、1.62 g/cm3）顯著高于禁牧區（1.01、1.19、1.38 g/cm3），禁牧區土壤容重顯著高于輕度放牧干擾下的土壤容重（0.78、0.89、1.15 g/cm3）（P<0.05）。隨著土壤深度的增加（20～40 cm），不同放牧干擾對土壤容重的影響不存在顯著性差異。

2.2 土壤總有機碳（SOC）

土壤有機碳含量隨土壤深度的增加均呈現逐漸減少的趨勢（圖2）。但不同放牧干擾對表層土壤SOC含量的影響存在顯著差異，其中，禁牧區0～5、5～10、10～20 cm土層土壤有機碳含量分別為45.51、38.45、28.57 g/kg，顯著高于重度放牧干擾SOC含量，而重度放牧干擾SOC含量顯著高于輕度擾動型放牧干擾下的SOC含量（P<0.05）。隨著土壤深度（20～40 cm）的增加，不同放牧干擾對SOC含量的影響無顯著性差異（圖2）。

2.3 土壤全氮（TN）

土壤全氮含量隨土壤深度的增加均呈現逐漸減少的趨勢，但不同放牧干擾對土壤表層全氮含量的影響存在顯著差異（圖3）。其中，禁牧區土壤表層0～5、5～10、10～20 cm土層全氮含量分別為2.23、2.05、1.54 g/kg，顯著高于重度放牧下同土層土壤全氮含量，而重度放牧土壤表層全氮含量顯著高于輕度擾動型放牧干擾下土壤表層全氮含量（P<0.05）。隨著土壤深度（20～40 cm）的增加，不同放牧干擾對土壤全氮含量的影響不存在顯著差異。

3 討論

放牧通過改變土壤的孔隙度進而影響土壤的物理性質，如容重[4]。許多研究表明，放牧會造成土壤壓板，土壤緊實度和容重會隨著放牧強度的增加而增加[5]，在一定程度上具有累積效應[6]。本研究通過不同放牧類型對西藏高寒濕地表層土壤物理性狀影響的研究發現，不同放牧類型對土壤理化性質的影響存在差異。其中，重度放牧增加了表層土壤的緊實度和土壤容重，而輕度擾動型放牧會降低表層土壤緊實度。此研究結果和范橋發等[7]的研究一致，主要是由于重度放牧以大型家畜為主，通過反復踩踏壓實，使濕地土壤中非毛管孔隙減少，導致土壤的通氣性、滲透性和蓄水能力遭到破壞，而輕度擾動型放牧主要以小型家畜和候鳥等為主，它們對表層土壤具有一定的翻拱，會使得土壤相對疏松，孔隙度增大從而導致土壤容重減少。但這種表現僅體現在表層土壤，隨著土層深度的增加，差異會越來越小。

放牧對草地生態系統中化學元素的間接影響是改變化學元素的循環過程和行為特征。西藏高寒濕地在不同放牧干擾下，其表層土壤有機質、全氮含量均呈下降趨勢，很大程度上是因為通過食草動物的踐踏，植物殘體變得破碎，同時，植物覆蓋度下降，土壤容重增加，其結果是提高了土壤表面溫度，這些環境因子的變化均有利于植物殘體的分解。放牧亦使土壤養分礦化速率增大，固定速率降低，增強植物殘體分解和土壤礦化，至少在短期內可以提高土壤養分濃度，有利于植物吸收積累養分，提高生產力，這也是系統的一種生產力補償機制。但是，不同放牧干擾對西藏高寒濕地土壤有機質、全氮的積累影響存在一定差異。重度放牧下表層土壤有機質、全氮含量顯著高于擾動型放牧下的表層土壤有機質、全氮含量，主要是因為重度放牧可大幅度降低植被地上生物量，踩踏的同時增加土壤緊實度和容重，使得土壤有機質礦化作用減弱[8]。而輕度擾動型放牧不僅使得原有植物物種喪失、生物量降低，其土壤有機質礦化也隨著土壤緊實度降低、通透性的改善而加強，進一步加劇了土壤養分衰竭退化，導致土壤有機質的積累與釋放失衡。

雖然濕地面積僅占全球面積的4%～6%[9]，但濕地生態系統中的碳儲量卻占全球陸地碳儲量的12%～24%[10]，濕地生態系統較高的生產力水平及其特殊的還原環境，使濕地在碳的儲存過程中呈現出碳匯的功能[11-13]。土壤營養物質的貯量和積累速率是濕地“匯”功能體現的基礎。據不完全統計，1980-2002年，西藏高寒生態系統形成平均每年2 300萬t的凈碳匯，約占中國陸地植被碳匯增加量的13%，其中高寒草地生態系統形成平均每年1 760萬t的碳匯，西藏高原植被生態系統已成為中國重要碳匯地區之一[14]。西藏高寒濕地由湖泊、河流、原生沼澤、沼澤化草甸、草甸及庫塘濕地等組成，其中沼澤和沼澤草甸濕地分布面積約占整個濕地面積的50%[15]，但草甸也是藏區發展牧業的重要區域。本研究表明，放牧均導致西藏高寒濕地草甸土壤表層營養元素的含量減少，尤其是輕度擾動型放牧加速了土壤有機質礦化、養分衰竭，使濕地生態系統功能退化，嚴重影響了濕地生態系統的“匯”功能，成為碳、氮排放的“源”。因此，在該地區應進一步開展濕地放牧承載力的研究。在基于濕地保護管理目標與該區域濕地草甸放牧承載力的基礎上，加強對放牧的分類管理，科學設置踐踏型放牧的時間、區域及其強度，尤其是要嚴控擾動型放牧，進而維護西藏高寒濕地生態系統的碳“匯”功能。

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