湿地占地球陆地表面的5%—8%^[1], 却储存着陆地土壤碳库20%—30%的碳, 是陆地生态系统中单位面积土壤碳储量最高的生态系统, 在维持全球碳平衡与控制温室气体排放方面具有重要作用^[2]。有机碳是土壤碳库的重要组成部分, 它不仅是度量土壤肥力的关键因子, 更是表征生态系统服务功能大小的综合指标之一^[3]。活性有机碳是土壤有机碳的活性部分, 被认为是土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解矿化、对植物养分供应有最直接作用的有机碳^[4], 虽然占总碳比例很小, 但对土壤环境变化的响应比总有机碳敏感^[5], 能够在土壤全碳发生变化之前反应出土壤环境引起的微小变化。

滇西北是云南高寒湿地的集中分布区, 受高海拔、寒冷气候影响, 泥炭和泥炭沼泽发育, 土壤碳储量丰富, 具有重要的碳汇功能, 在维持全球碳平衡与控制温室气体排放方面具有重要作用，同时又是少数民族集聚地区, 受放牧干扰影响严重。其中, 纳帕海湿地是受放牧干扰最严重和典型的区域^[6], 纳帕海湿地的实际载畜量已达到理论载畜量的132.5%^[7]。过度放牧导致高寒湿地生态系统结构改变和功能退化^[7]。放牧过程中动物践踏、翻拱不同程度地影响湿地土壤理化性质、微生物群落^[8]和酶活性^[9], 改变湿地土壤碳库的迁移转化过程, 威胁滇西北高寒湿地生态系统碳汇功能。

近年来, 随着国家生态效益补偿项目的实施, 纳帕海湿地采用了围封禁牧方式进行放牧湿地的恢复。湿地恢复过程中, 土壤碳汇功能的恢复是湿地生态功能恢复的重要内容^[10]。目前, 纳帕海湿地土壤有机碳的研究主要为不同土地利用方式对土壤有机碳分布的影响^[11]、不同放牧方式下土壤碳的对比研究^[12]以及禁牧对高寒退化草甸土壤理化性质的影响^[13]。然而, 关于围栏禁牧对高寒湿地土壤活性有机碳库的影响研究尚未见报道。因此, 本研究选取滇西北高原纳帕海沼泽湿地为研究区, 对比研究不同围栏禁牧年限湿地土壤总有机碳(TOC)、颗粒有机碳(POC)、可溶性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(EOC)和微生物生物量碳(MBC)含量的变化特征, 阐明围栏禁牧对滇西北高寒湿地土壤活性有机碳库的影响, 为放牧湿地恢复研究提供理论基础。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于云南省迪庆藏族自治州香格里拉市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), 平均海拔3260 m。本区气候属寒温带高原季风气候区西部型季风气候, 由于海拔较高且地理位置偏北, 气候特点表现为春秋短促, 干湿季分明, 且气温年差较小。年均降雨量620 mm左右, 其中6—9月降雨量占全年降雨量的80%—90%。气温年差较小, 日差较大, 年均温度5.4℃左右。纳帕海湿地由沼泽、沼泽化草甸、草甸及耕地组成。其中, 草甸与沼泽化草甸面积为2174.85 hm², 占整个湿地总面积的70.1%, 为该地区的主要放牧区域, 是纳帕海湿地生态系统发挥碳汇功能的重要区域^[14]。

1.2 研究方法 1.2.1 样品采集

2020年8月在纳帕海湿地分别选取禁牧3年(GE3)、禁牧8年(GE8)、禁牧10年(GE10)和未禁牧区(GE0)作为实验区；禁牧区和未禁牧区均位于纳帕海湿地西侧湖滨带, 围栏内外土壤类型和植被特征基本相同。每个实验区内分别设置20 m×20 m的草甸和沼泽化草甸样地各3个。每个样地按对角线设置3个1 m×1 m的样方, 清理地表覆盖生物后, 挖掘土壤剖面, 按照0—10、10—20、20—30、30—40 cm分层采集土壤样品, 装入恒温箱内带回实验室, 挑出小石子、根等其他杂物, 放置于4 ℃冷藏保存。

1.2.2 土壤指标及测定方法

测定土壤含水率、容重、总氮(TN)、总磷(TP)、TOC、POC、DOC、EOC和MBC含量。含水率和容重采用环刀法测定。TN和TP含量采用连续流动分析仪测定, 采用消煮炉(SPH620G红外消解仪)进行消煮, 之后用连续流动分析仪测定含量。TOC含量采用重铬酸钾外加热法测定^[15]。

POC含量：采用六偏磷酸钠浸提法测定。POC含量=土壤颗粒组分碳含量×土壤颗粒组分比例^[16]。DOC含量：采用硫酸钾浸提法测定, 用总有机碳分析仪测定含量^[17]。EOC含量：采用333 mmol/L KMnO₄氧化—比色法测定。在波长565 nm的分光光度计进行比色, 测定吸光度, 计算空白样与待测样的吸光率之差, 得出KMnO₄的浓度消耗量, 再计算EOC含量^[18]。MBC含量采用氯仿熏蒸法测定。MBC=EC/0.45, 式中EC为熏蒸与未熏蒸土壤浸提液测定的有机碳差值, 0.45为MBC氯仿熏蒸后提取的生物量碳比例系数^[19]。

1.3 数据处理

采用Excel 2016进行数据整理、采用SPSS 20对数据进行单因素方差分析、双因素方差分析和显著性检验、采用Canoco 5软件进行冗余分析(RDA)、采用Origin 2018制图。

2 结果与分析 2.1 围栏禁牧对土壤理化性质的影响

围栏禁牧对土壤理化性质产生影响(表 1)。草甸土壤中, 含水率、TN、TOC含量均随着禁牧年限的增加而增加(P < 0.05), 容重随着禁牧年限的增加而降低(P < 0.05), 禁牧提高了土壤TP含量(P < 0.05)。沼泽化草甸土壤中, 容重随着禁牧年限的增加而降低(P < 0.05), 土壤含水率、TN、TP、TOC含量均随禁牧年限的增加而增加(P < 0.05)。在GE0中, 沼泽化草甸土壤的TP含量低于草甸, 沼泽化草甸土壤的含水率、容重、TN和TOC含量均高于草甸；在禁牧期间, 沼泽化草甸土壤的容重低于草甸, 沼泽化草甸土壤的含水率、TN、TP和TOC含量均高于草甸。沼泽化草甸土壤的含水率、禁牧年限对沼泽化草甸土壤含水率、TN、TP、TOC存在着极显著影响(P < 0.01), 土壤深度对含水率、容重、TN、TP、TOC存在着极显著的影响(P < 0.01)(表 2)。

2.2 围栏禁牧对土壤活性有机碳含量的影响

围栏禁牧对土壤活性有机碳含量的影响如图 1所示。草甸土壤中, DOC和EOC含量均随着禁牧年限的增加而增加(P < 0.05), 表层POC含量随着禁牧年限的增加而降低(P < 0.05), 禁牧提高了土壤MBC含量。沼泽化草甸土壤中, POC、DOC、EOC和MBC含量均随着禁牧年限的增加而增加(P < 0.05)。不同禁牧年限的草甸土壤POC含量高于沼泽化草甸, 沼泽化草甸土壤的DOC、EOC和MBC含量高于草甸。

禁牧年限对沼泽化草甸土壤POC、DOC、EOC、MBC含量存在极显著的影响(P < 0.01), 土壤深度对土壤活性有机碳组分DOC、EOC、MBC含量存在极显著的影响(P < 0.01)(表 2)。

2.3 不同禁牧年限土壤活性有机碳与理化性质的关系

由表 3可知, 草甸土壤中, POC与TP呈显著正相关关系(P < 0.05)；EOC与含水率、TOC、TN、TP均呈极显著正相关关系(P < 0.01), 与容重呈极显著负相关关系(P < 0.01)；MBC与TN呈显著正相关关系(P < 0.05), 和TP呈极显著正相关关系(P < 0.01), 与容重呈显著负相关关系(P < 0.05)。沼泽化草甸土壤中, POC与TOC(P < 0.01)和含水率(P < 0.05)均呈显著正相关关系；DOC与TP呈显著负相关关系(P < 0.05)；EOC、MBC与TOC、含水率、TN、TP均呈极显著正相关关系(P < 0.01), 与容重呈极显著负相关关系(P < 0.01)。

土壤理化因子和土壤活性有机碳组分冗余分析结果表明, 草甸土壤和沼泽化草甸土壤的第一排序轴特征值分别为0.910和0.753, 由此可知第一排序轴能够很好地反映土壤理化因子与土壤活性有机碳组分的关系, 而且TN贡献率分别达到了98.7%和97.5%, 说明TN是影响草甸和沼泽化草甸土壤活性有机碳含量的主要因素(图 2)。

3 讨论 3.1 围栏禁牧对土壤理化性质的影响分析

土壤有机碳是指示土壤健康的关键因子^[20]。本研究发现, 草甸和沼泽化草甸土壤TOC含量随土层深度的增加而减少, 随着禁牧年限的增加而增加。地上生物量和地下根系是土壤TOC的主要来源, 有机质主要在表层土壤累积, 并随深度增加而逐渐减少, 因此, 土壤表层有机碳含量显著高于低层^[21]。本研究表明草甸和沼泽化草甸土壤TOC在0—20 cm土层含量很高, 因为植被根系集中, 大量植被枯落物和死根的腐解归还, 为表层土壤提供了丰富的碳源, 在表层土壤形成TOC的大量累积。在30—40 cm土层, 植物根系因难深入而分布较少, 致使土壤中TOC含量明显降低^[22]。围栏禁牧条件下, 草甸和沼泽化草甸土壤环境的改善, 提供给植被充足的养分和适宜的生长条件, 加速了植被的正向演替, 提高植物生产力, 植物死亡后残体进入土壤, 促进土壤碳累积^[23]。本研究发现沼泽化草甸土壤TOC含量高于草甸土壤, 因为沼泽化草甸的淹水状态导致植物残体的分解过程受到强烈限制, 有机生物残体分解速率低于好氧土壤的分解速率, 厌氧状态下的土壤腐殖化过程致使土壤TOC大量积累^[22]。

本研究发现, 随着禁牧年限的增加, 草甸和沼泽化草甸土壤含水率逐渐增加, 而土壤容重逐渐减小。一方面, 由于禁牧促进了植被恢复, 增加植被盖度, 减少了强太阳辐射对地表水分的蒸散作用^[24]；另一方面, 禁牧条件下土壤不被牲畜践踏和采食, 且促进土壤有机质含量增加, 提高土壤的入渗率和持水能力^[25], 提高土壤含水量。禁牧条件下, 植被根系发育, 并向土层深度插入, 穿插作用明显, 导致土壤容重降低^[26]。此外, 本研究中土壤容重与TOC呈显著负相关关系, 也表明禁牧后土壤有机质的增加也是导致土壤容重减少的重要原因^[27]。

本研究发现, 草甸和沼泽化草甸土壤中TN和TOC含量变化规律相似, 均随禁牧年限的增加而增加, 这与刘俊廷^[28]研究结果一致。禁牧期间, 生态系统中没有物质和能量流向牲畜, 植物通过根系和凋落物增加了土壤有机质的输入, 促进了土壤TOC和TN的积累^[29—30]。此外, 因禁牧后植物修复而增长的土壤微生物量导致微生物量碳的增加, 直接促进了土壤TOC和TN含量的增加^[31]。

3.2 围栏禁牧对土壤活性有机碳的影响分析

POC是新鲜动植物残体与腐殖化有机物间过渡的有机碳库^[32]。本研究发现, 随着禁牧年限的增加, 土壤表层POC含量下降。放牧容易引起植物根系的浅层化, 导致表层土壤回归的残量增加, 同时动物的践踏和采食也会加速地上生物量的分解与归还, 导致土壤表层POC含量维持较高状态。围栏禁牧虽然会增加地上植被的生物量, 但是也会增加通过植被呼吸作用损失的碳含量^[33], 所以POC含量下降。杨静等^[34]研究发现封育9年土壤POC含量才逐渐出现平衡, 开始慢慢积累。

DOC和EOC均为土壤活性有机碳, 可作为土壤肥力和土壤质量及其持续性评价的有效参数, 是土壤潜在生产力和土壤管理措施变化引起土壤有机质变化的早期预警指标^[35]。本研究发现, 随着禁牧年限的增加, 土壤DOC和EOC含量均逐渐增加。这主要是因为土壤活性有机碳在很大程度上取决于土壤总有机碳含量, 围栏禁牧改善了土壤环境, 促进了植被的生长, 养分归还量增加有机碳含量增加, 活性变大^[36]。植物的根系分泌物是土壤DOC的主要来源^[37], 随着土层的加深, 植物根系生物量降低, DOC含量随之降低。然而, 本研究发现沼泽化草甸土壤DOC含量随着土壤深度的增加而增加。首先, 湿地处于淹水状态, 具有很大的垂直水分运动速率, DOC随着渗漏水的垂直下渗而迁移至深层土壤^[38]。其次, 深层土壤富含具有强烈吸附作用的粘土矿物, DOC土壤深层被大量吸附并形成积累^[38]。本研究还表明, EOC含量随土层的增加而降低。植被枯枝落叶覆盖土壤表层, 使表层土壤具有较高的养分浓度, 从而为植物细根向表土层聚集提供了良好的条件^[39], 而凋落物和根系分泌物经微生物的分解, 成为土壤活性有机碳的重要来源。

MBC含量虽然只占土壤有机碳总量的0.3%—7%左右, 但其养分有效性高, 周转速率很快, 常被用于评价土壤质量和土壤生态系统功能变化的敏感指标^[40]。本研究发现, MBC含量随着禁牧年限的增加而增加, 由于禁牧后植被地上盖度、密度及生物量的增加, 土壤水、热条件得到改善, 同时返还土中的植物残体量及土表层凋落物逐年增加, 促进微生物的繁殖及其活性的提高所致^[34]。土壤MBC含量随土层深度的增加逐渐降低, 由于表层根系和凋落物分布较多, 能够为微生物提供更多的碳源, 有利于微生物生长和繁殖。随着土层的加深, 微生物可利用碳源减少, MBC含量明显降低^[41]。

本研究还发现, 沼泽化草甸土壤DOC、EOC和MBC含量高于草甸土壤, 因为草甸是纳帕海湿地生态系统中最为脆弱和敏感的演替阶段, 生态恢复相对较慢^[42]。沼泽化草甸长期积累大量土壤有机质储存和较高的生物量, 沼泽化生态系统土壤含水量较高, 温度升高使微生物活性增强^[43], MBC含量增高, 而EOC、DOC与MBC呈显著正相关关系, 因此DOC和EOC含量也增高。

4 结论

随着禁牧年限的增加(< 10 a), 沼泽化草甸和草甸土壤各土层土壤含水率、TN、TP、TOC含量均增加, 土壤容重均下降。不同禁牧年限沼泽化草甸土壤的容重均低于草甸, 沼泽化草甸土壤的含水率、TN、TP和TOC含量均高于草甸。不同禁牧年限沼泽化草甸和草甸土壤含水率、TN、TP、TOC含量均随土壤深度的增加而下降, 土壤容重则随土壤深度的增加而增加。

随着禁牧年限的增加(< 10 a), 沼泽化草甸和草甸土壤各土层POC、DOC、EOC、MBC含量均增加；随着土壤深度的增加, 不同禁牧年限沼泽化草甸和草甸土壤TOC、EOC、MBC含量均逐渐下降, POC、DOC含量逐渐增加。不同禁牧年限草甸土壤POC含量高于沼泽化草甸, 沼泽化草甸土壤的DOC、EOC和MBC含量高于草甸。

围栏禁牧有利于纳帕海沼泽化草甸和草甸土壤肥力、通气状况和固碳能力的恢复, 且随着禁牧年限的增加, 恢复效果越明显。相同恢复年限, 纳帕海沼泽化草甸土壤恢复效果比草甸土壤显著。