放牧对滇西北高原纳帕海沼泽化草甸湿地土壤氮转化的影响

王 雪,郭雪莲,*,郑荣波,王山峰,刘双圆,田 伟

1 西南林业大学国家高原湿地研究中心，昆明 650224 2 西南林业大学化学工程学院，昆明 650224 3 云南香格里拉市纳帕海湿地管理局，迪庆 674400

滇西北是云南高原湿地的集中分布区,地处少数民族聚集的农牧交错带,当地对于湿地资源利用的主要途径是放牧。纳帕海是滇西北高原典型沼泽化草甸湿地集中分布区,同时也是受放牧干扰最为典型和严重的区域。放牧类型主要为牦牛放牧和藏香猪放养。放牧过程中动物践踏、翻拱扰动会不同程度的影响湿地植被[6]、土壤的理化性质[7]及碳氮空间分布规律[8],进而对湿地土壤氮的迁移转化过程产生影响[9- 10]。然而,关于放牧干扰对滇西北高原沼泽化草甸湿地土壤氮的迁移转化的影响规律尚不清楚。因此,本研究选取纳帕海沼泽草甸湿地为研究区,采用野外采样和室内培养分析相结合的方法,对比研究不同放牧干扰(牲畜践踏和猪翻拱活动)对沼泽化草甸湿地土壤理化性质、矿化作用、硝化作用和反硝化作用的影响,阐明放牧过程中动物活动对沼泽化草甸湿地土壤氮迁移转化的影响及规律,为放牧对湿地生态系统干扰研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地位于滇西北高原的纳帕海国际重要湿地(99°37′10.6″—99°40′20.0″ E,27°48′55.6″—27°54′28.0″ N)内,行政上隶属云南省迪庆藏族自治州香格里拉市,距市区8km,平均海拔3260m。纳帕海发育在石灰岩母质的中甸高原上,受喀斯特作用的强烈影响,湖盆底部被蚀穿而形成落水洞,湖水在地下汇集后从北部穿过小背斜出露形成支流汇入金沙江。湖盆四周山岭环绕,从湖盆中心至湖岸生长着大量的水生和陆生植被,湖滨有较大面积的沼泽化草甸,周围山上生长着硬叶常绿阔叶林和云杉冷杉针叶林以及灌丛。水量补给主要依靠降雨、冰雪融水和湖东南侧几条短小河流,以及湖两侧沿金沙江一中甸断裂带上涌的泉水[11]。纳帕海湿地地处青藏高原与亚热带季风气候区和中南半岛热带季风区的结合部,具有高寒、年均温低、霜期长、气温年较差和日较差大、干湿季节分明等特点。年均温为5.4℃,年降水量为619.9mm,主要集中在6—8月[12]。

依据典型性和代表性原则,在纳帕海国际重要湿地内选取典型沼泽化草甸湿地作为研究区。研究区内主要物种有早熟禾(Poaannua)(约30%)、小苔草(Carexparva)(约5%—10%)、云雾苔草(Carexnubigena)(约5%—20%,随水深增加而增加)、木里苔草(Carexmuliensis)(投影盖度在群落中约5%—60%)、单鳞苞荸荠Eleocharisuniglumis(5%—100%)、嵩草Kobresiabellardii(5%—20%,少数水边环境可形成宽约30cm的纯群)等。地表季节性积水,土壤为草甸沼泽土,发育明显的泥炭层和潜育层。

1.2 研究方法

研究区位于纳帕海国际重要湿地纳帕村附近,在纳帕海村环湖路以西的围栏禁牧区设置对照样地(CK),在纳帕海村环湖路以东,根据地表植被和土壤物理状况设置猪翻拱扰动样地(ZG)、牲畜践踏样地(JT)(图1)。样地大小为10m×10m,沿对角线选3个取样点,每个取样点用PVC管(内径10cm,长30cm)取0—10cm土柱2个(分别用于矿化/硝化和反硝化实验),共取土柱18个。取土柱前去除地上植被,用塑料薄膜封住PVC管上下口带回实验室。同时用自封袋取0—10cm土样带回实验室用于土壤理化性质的测定。将取回的原位土柱打开上口,25℃下恒温箱内预培养24h[13]。

图1 实验样地Fig.1 Experimental plots

矿化/硝化作用：在预培养后的土柱内取少量土样用于土壤氨氮、硝氮初始含量的测定;然后,将预培养的土柱重新封住上口,25℃下恒温箱内培养30d,打开土柱封口取土样测定土壤氨氮、硝氮的含量,计算矿化量、矿化速率和硝化量、硝化速率。

反硝化作用：采用乙炔抑制法[14]。将预培养后的土柱重新封住上口,用注射器抽取顶部10%的气体置换成乙炔气体(V/V)。注射乙炔气体后的土柱在黑暗环境下25℃培养24h,抽取150mL气体,用超痕量温室气体分析仪(N2O/CO LOS GATOS RESEARCH)(仪器属于西南林业大学大型仪器共享平台)测定N2O浓度,计算反硝化速率。

反硝化速率(mg m-2d-1)=44/22.4 ×M×273/(273+T) × (V1-V2)/S

式中,M为气体浓度ppm,T为培养温度,V1、V2分别为PVC管和土壤有效体积,S为土柱面积,d=1为天数

土壤含水率的测定采用烘干法,土壤容重的测定采用环刀法,土壤 pH 值采用土壤原位 pH 计测定,土壤总氮(TN)采用分光光度计测定,土壤总有机碳(TOC)采用总有机碳分析仪测定,土壤氨态氮、硝态氮含量采用1mol/L的KCL溶液浸提(土水比1∶10)后提取上清液用连续流动分析仪(SKALAR San++, Skalar Co., Netherlands)(仪器属于西南林业大学大型仪器共享平台)测定[15]。

1.3 数据统计

实验数据统计分析采用 SPSS 19.0软件,采用单因素方差分析法分析放牧干扰对沼泽化草甸湿地土壤理化性质间的差异性以及矿化速率、硝化速率和反硝化速率间的差异性。采用Pearson相关系数法分析放牧干扰下沼泽化草甸湿地氮转化与土壤环境的关系,以P<0.05位差异显著。图件制作采用 SigmaPlot 10.0软件。

2 结果与分析

2.1 放牧干扰对沼泽化草甸湿地土壤理化性质的影响

表1 放牧干扰对沼泽化草甸湿地土壤理化性质的影响

括号内数值为标准差;同列内含有不同上标字母表示差异显著(P<0.05); ZG：猪翻拱扰动样地,pig arch;JT：牲畜践踏样地,cattle-trampled;CK：对照样地,control

2.2 放牧干扰对沼泽化草甸湿地土壤氮矿化和硝化特征的影响

放牧干扰对沼泽化草甸湿地土壤氮矿化和硝化作用的影响如表2所示。放牧干扰下沼泽化草甸湿地土壤氮矿化量和矿化速率均为负值,说明 ZG、JT和CK地土壤微生物的固持作用均高于矿化作用,固持作用占据主导地位。可能是由于实验期为植物生长旺季,植物大量吸收无机氮而使土壤表现为氮素固持状态。放牧干扰下沼泽化草甸湿地土壤氮矿化量和矿化速率均均表现为ZG>JT>CK(P>0.05)。说明猪的翻拱活动比牲畜践踏活动对土壤氮矿化作用的促进作用更显著。放牧干扰下沼泽化草甸湿地土壤净氨化量和净氨化速率均表现为JT>CK>ZG(P>0.05)。说明牲畜践踏活动促进了土壤氨化作用,而猪的翻拱活动抑制了土壤氨化作用。放牧干扰下沼泽化草甸湿地土壤净硝化量和净硝化速率均表现为ZG>JT>CK(P<0.01)。说明猪的翻拱活动比牲畜践踏活动对土壤硝化作用的促进作用更显著。ZG和JT地土壤的硝化量和硝化速率均为正值,说明其硝化作用产生的NO3-N被微生物固持后有较多剩余,而CK地硝化作用产生的NO3-N被微生物固持后没有剩余。

表2 放牧干扰对沼泽化草甸湿地土壤氮矿化和硝化特征的影响

括号内的数值为标准差;同行内含有不同上标字母表示差异显著(P<0.05)

2.3 放牧干扰对沼泽化草甸湿地土壤氮反硝化特征的影响

图2 放牧干扰对沼泽化草甸湿地土壤反硝化速率的影响 Fig.2 The denitrification rate of swamp meadow wetland soil with influence of grazing disturbanceZG：猪翻拱扰动样地,pig arch;JT：牲畜践踏样地,cattle-trampled;CK：对照样地,control

放牧干扰对沼泽化草甸湿地土壤反硝化速率的影响如图2所示。ZG、JT和CK地土壤的平均反硝化速率分别为(8.42±3.38)、(1.79±0.25) mg m-2d-1和(2.35±0.66) mg m-2d-1,表现为ZG>CK>JT。ZG地土壤的平均反硝化速率分别为JT 地和 CK 地土壤平均反硝化速率的4.7倍和3.6倍(P<0.05)。表明猪翻拱活动促进了土壤N2O气体的释放,而牲畜践踏活动抑制了土壤N2O气体的排放。

3 讨论

3.1 放牧干扰对沼泽化草甸湿地土壤理化性质的影响

放牧干扰不同程度的影响着沼泽化草甸湿地土壤的理化性质,牲畜践踏和猪翻拱活动导致土壤容重增大,土壤含水率降低。这主要是由于牲畜践踏引起土壤空间结构的变化,导致土壤总孔隙度的减少使得土壤变得紧实,从而加大了土壤的容重[16],降低土壤水分含量。猪翻拱活动使沼泽化草甸土壤下层被翻拱裸露,下层比表层土壤容重大,因此测定的猪翻拱区比对照区表层土壤容重大。同时由于猪的翻拱活动,利于土壤水分蒸发,从而导致猪翻拱区土壤含水率下降[17]。

放牧干扰使得沼泽化草甸湿地土壤pH增大,呈碱性。是由于放牧活动通过影响土壤水分及土壤可溶性盐类的迁移、转化,使得放牧地土壤中部分的可溶性盐类累积在土壤表层从而提高了放牧地表层土壤的pH值。此外,牲畜排泄物的输入也会导致土壤pH值增大[18]。

3.2 放牧干扰对沼泽化草甸湿地土壤氮转化的影响

不同放牧类型对沼泽化草甸湿地土壤的反硝化作用的影响不同,猪的翻拱活动促进了反硝化作用,而牲畜践踏活动抑制了反硝化作用。这是由于猪的翻拱活动增加了土壤的松散度和透气性,更有利于N2O气体的排放,而牲畜践踏活动则使土层压实不利于N2O气体的排放。此外,碳源的输入可以提高反硝化速率[34],本研究中CK地土壤的TOC含量要明显高于JT 地,其反硝化速率也高于JT地,这可能与CK地土壤的TOC含量高可以提供源源不断的碳源供应相关。

表3放牧干扰下沼泽化草甸湿地土壤氮转化与土壤环境的关系

Table3Therelationshipsbetweennitrogentransformationandenvironmentalfactorsinsoilsofswampmeadowwetlandwithinfluenceofgrazingdisturbance

类型Type指数Index容重Bulkdensity含水率MoisturecontentpH总有机碳TOC总氮TN氨态氮NH+4-N硝态氮NO-3-N碳氮比C∶N矿化速率Mineralizationrate相关性0.817**-0.817**0.679*-0.679*-0.721*-0.852**-0.2740.369显著性0.0070.0070.0440.0390.0280.0040.4750.328硝化速率Nitrifacrionrate相关性0.960**-0.912**0.779*-0.757*-0.742*-0.911**-0.1090.374显著性0.0010.0010.0130.0180.0220.0010.7800.322氨化速率Ammonificationrate相关性0.028-0.010-0.051-0.051-0.182-0.123-0.5500.109显著性0.9420.9790.8970.8960.6390.7530.1250.780反硝化速率Denitrificationrate相关性0.377-0.2910.065-0.841**0.059-0.2660.094-0.495显著性0.3170.4480.8690.0040.8790.5580.8090.176

**在0.01水平(双侧)上显著相关; *在0.05水平(双侧)上显著相关

4 结论

(1)放牧活动影响了沼泽化草甸湿地土壤的理化性质,牲畜践踏和猪翻拱活动使得沼泽化草甸湿地土壤容重增大,含水率降低,pH值增大,TOC、TN、TP含量降低。

(2)放牧干扰下沼泽化草甸湿地土壤的矿化和硝化速率均表现为ZG > JT > CK,牲畜践踏和猪翻拱均促进了沼泽化草甸湿地土壤的矿化和硝化作用。矿化速率和硝化速率均与土壤容重、pH 呈显著正相关关系,与土壤含水率、TOC、TN、氨氮含量呈显著负相关关系。

(3)放牧干扰下沼泽化草甸湿地土壤的反硝化速率表现为ZG > CK > JT,表明猪翻拱活动促进了土壤N2O 温室气体的排放,而牲畜践踏活动抑制了土壤N2O 的排放。反硝化速率与土壤 TOC含量呈极显著负相关关系。

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