李 璇, 栗忠飛

西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 云南 昆明 650224

滇西北納帕海高原濕地區(qū)域退化草甸土壤有機(jī)碳含量特征

李 璇, 栗忠飛*

西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 云南 昆明 650224

為了解氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響下納帕海高原濕地區(qū)域有機(jī)碳含量特征，采用空間格網(wǎng)狀抽樣調(diào)查方法，對(duì)區(qū)域內(nèi)退化系列下濕地草甸w(SOC)(SOC為土壤有機(jī)碳)特征進(jìn)行研究. 結(jié)果表明：①隨著草甸的退化及土壤深度的增加，土壤含水量呈下降趨勢，土壤容重呈增加趨勢；②從無退化草甸到重度退化草甸，植被地上生物量從321.4 g/m2降至142.1 g/m2；③在地表至地下50 cm深度范圍內(nèi)，從無退化到重度退化草甸，w(SOC)分別為28.21、20.59、18.01、14.81 g/kg，濕地草甸退化導(dǎo)致w(SOC) 下降了近50%，ρ(SOC)從40.92 kg/m3降至25.23 kg/m3；④狼毒草甸的w(SOC)、ρ(SOC)等均表現(xiàn)出相對(duì)較高的水平，僅次于無退化樣地；⑤w(SOC)與土壤含水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)、與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01). 濕地草甸植被退化所形成的地上植被蓋度及生物量的下降，以及土壤含水量的下降和土壤容重的增加，最終導(dǎo)致近50%左右的w(SOC)發(fā)生流失；此外，若從同類研究中季節(jié)性淹水的沼澤或沼澤化草甸轉(zhuǎn)變?yōu)樵撗芯恐谐Ｄ瓿雎队谒娴牟莸榫坝^后，在20 cm土壤深度內(nèi)將導(dǎo)致45%以上的w(SOC)損失.

納帕海; 高原濕地; 退化草甸; 土壤有機(jī)碳

Abstract： The Napahai plateau wetland, located in the low latitude and high altitude areas of China where the economic development is relatively backward, is sensitive to climate change. Small changes of natural environment have a profound impact on the region. In order to understand the characteristics of soil organic carbon content under the dual influence of climate change and human activities in the Napahai plateau wetland, the characteristics of soil organic carbon (SOC) in meadows with different degradation in the area were studied by spatial grid sampling survey. The results indicated that: (1) With the meadow vegetation degradation and soil depth increasing, the soil water content decreased and bulk density increased significantly. (2) From non-degraded meadow to severely degraded meadow, the aboveground biomass of vegetation declined from 321.4 g/m2to 142.1 g/m2continuously. (3) At 50 cm soil depth,w(SOC) of non-degraded meadow, lightly degraded meadow, moderately degraded meadow and severely degraded meadow were 28.21, 20.59, 18.01, and 14.81 g/kg respectively. With the degradation degree increasing, the lossw(SOC) was about 50%, and the SOC density decreased from 40.92 kg/m3to 25.23 kg/m3. (4) SOC density ofStellerachamaejasmemeadow showed a relative higher level, lower only than the non-degraded meadow. (5) There was significant positive correlation betweenw(SOC) and soil water content (P<0.05), and significant negative correlation betweenw(SOC) and soil bulk density (P<0.01). The research shows that the decrease of vegetation cover and biomass, the decrease of soil water content and the increase of soil bulk density resulted from the degradation of wetland vegetation, which eventually led to the loss of about 50% ofw(SOC). In addition, it may cause more than 45% of thew(SOC) loss at 0-20 cm soil depth from a seasonally flooded marsh or swamp meadow to this study′s meadow landscape, which is perennial exposed above the surface of water compared to similar studies.

Keywords： Napahai; plateau wetland; degraded meadow; soil organic carbon

全球濕地碳儲(chǔ)量占陸地碳儲(chǔ)量的12%～24%[1]，在全球碳循環(huán)中承擔(dān)著重要的碳匯功能. 濕地對(duì)氣候變化的響應(yīng)在生態(tài)系統(tǒng)過程以及全球氣候反饋中都有著重要的意義[2-4]. 眾多研究[4-12]表明，氣候變化、外部自然環(huán)境、理化因子以及人為干擾都有可能對(duì)濕地碳沉積和碳循環(huán)產(chǎn)生重大影響.

有研究[13]認(rèn)為，大多數(shù)的濕地都是碳匯，而由于氣候變遷和人類干擾的加劇，濕地退化日趨嚴(yán)峻，全球濕地面積迅速減少，碳匯也可能轉(zhuǎn)為碳源，將大大加劇全球氣候變暖的進(jìn)程[14]. 濕地植被退化下造成的土壤侵蝕是導(dǎo)致濕地土壤固碳能力減弱的重要因素[15]. 楊力軍等[16-17]報(bào)道了高寒草甸的退化減少了植被生產(chǎn)力和土壤有機(jī)質(zhì)輸入量，并加快了土壤有機(jī)質(zhì)分解速率，使SOC(土壤有機(jī)碳)大量流失. 而張旭輝等[18]估計(jì)，由于濕地退化，我國表土中SOC總損失約為1.5 Pg. 人類活動(dòng)干擾尤其是濕地開墾農(nóng)田是人為影響濕地碳固存和碳循環(huán)的重要方式. Bridgeham等[11,19]對(duì)濕地碳循環(huán)的研究表明，濕地墾殖降低植被碳蓄積能力，水分排干加速了土壤中有機(jī)碳的氧化分解，水位下降導(dǎo)致泥炭地濕地碳“匯”功能減弱，影響生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡. 美國北部草原區(qū)就有約10.1 Mg/hm2的SOC儲(chǔ)量損失是由濕地向農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的[20]. 此外，Hirota等[21]的研究也證明，由放牧造成的植被退化可能會(huì)增加高寒濕地區(qū)域的全球暖化潛勢，而植被作為影響高原凍土泥炭地碳循環(huán)的關(guān)鍵因子，極易受到外界環(huán)境的影響，因而在應(yīng)對(duì)氣候變化方面比潮沼濕地更為脆弱[22].

近年來國內(nèi)有關(guān)高原濕地區(qū)域SOC的研究逐漸增多，西北、青藏高原和云貴高原是我國高原濕地集中分布的地區(qū)，但目前的研究多以泥炭沼澤地為主，并且w(SOC)總體上呈若爾蓋>尕海>青海湖[23-25]的變化規(guī)律. 云南納帕海高原濕地位于青藏高原東南緣，橫斷山脈三江縱向嶺谷區(qū)東部，屬喀斯特型季節(jié)性高原沼澤濕地，與長江中下游濕地、北方平原濕地及若爾蓋高原濕地顯著不同，其面積較小、孤立分散、相互間無水道相通，形成封閉或半封閉的濕地環(huán)境，具有敏感度高、空間轉(zhuǎn)移能力強(qiáng)、穩(wěn)定性差的特點(diǎn)[26-27]，是我國濕地的獨(dú)特類型，也是我國重要的生態(tài)功能區(qū)及生態(tài)安全保障的關(guān)鍵區(qū)域. 納帕海高原濕地獨(dú)特的自然、地理環(huán)境條件，使其在區(qū)域碳源匯功能方面具有重要的調(diào)控作用.

針對(duì)納帕海高原濕地SOC的相關(guān)研究較少，現(xiàn)有研究主要體現(xiàn)兩個(gè)方面的特征：①多集中在單點(diǎn)尺度上開展[28-29]，難以反映區(qū)域空間范圍的整體狀況；②多針對(duì)季節(jié)性淹水區(qū)域的泥炭地、沼澤地等開展[30-32]，缺乏對(duì)當(dāng)前因湖區(qū)萎縮、疏干排灌等導(dǎo)致的大面積常年出露于水面的草甸在旅游、放牧等強(qiáng)烈人類活動(dòng)影響下SOC變化趨勢的探討.

因此，該研究針對(duì)當(dāng)前研究區(qū)域內(nèi)常年出露于水面的濕地草甸因放牧、旅游、農(nóng)田開墾等人類活動(dòng)以及氣候變化因素等影響導(dǎo)致的退化現(xiàn)狀，采用空間格網(wǎng)狀方式進(jìn)行抽樣調(diào)查，以期為全面代表區(qū)域內(nèi)濕地草甸所處的狀態(tài)及變化趨勢，并為時(shí)空尺度下納帕海高原濕地草甸退化對(duì)SOC的影響研究提供更為詳實(shí)的現(xiàn)狀分析，同時(shí)為區(qū)域或更大尺度上的碳循環(huán)、碳儲(chǔ)量模擬預(yù)算等提供最為直接的依據(jù).

1 研究區(qū)概況

納帕海高原地處云南省香格里拉市(99°37′E～99°43′E、27°49′N～27°55′N)境內(nèi)，海拔 3 260 m，屬于亞熱帶西南季風(fēng)氣候，同時(shí)受高海拔及高原地貌的疊加影響，形成溫涼濕潤的高原氣候，年均溫度5.4 ℃，年均降水量619 mm[30].

納帕海湖泊周邊主要植被類型為高山松林及高山灌叢(周邊面山上)、高寒草甸和沼澤化草甸. 土壤類型有泥炭土、沼澤土和草甸土[33]. 無積水區(qū)域的高寒草甸以華扁穗草(Blysmussinocomopressus)、鵝絨萎菱菜(Potentillaanserine)、斑唇馬先蒿(Pedicularilongifloravar.Tubiformis)等物種為優(yōu)勢，土壤類型為草甸土.

無積水區(qū)域的草甸植被群落終年受到旅游、放牧等人類活動(dòng)的影響，出現(xiàn)不同程度的退化狀況，靠近村莊的多被開墾為農(nóng)田，部分被圍封用于牧草收獲. 流域南端因遠(yuǎn)離湖泊積水區(qū)，并且周邊村莊分布密集，受到高強(qiáng)度人類活動(dòng)的影響，植被向旱生化群落過渡，形成大面積以瑞香狼毒(Stellerachamaejsama)為優(yōu)勢種的群落類型.

2 研究方法

2.1 空間抽樣

于2014年7月10—20日植被生長盛期，在納帕海濕地區(qū)域內(nèi)，針對(duì)濕地草甸植被類型，綜合依據(jù)圍封、放牧、旅游、生物量、植被蓋度等因素，確定無退化草甸(圍封10 a以上，無放牧、無旅游)、輕度退化草甸(圍封5 a，無放牧、無旅游)、中度退化草甸(無圍封、任意放牧、無旅游)、重度退化草甸(無圍封，任意放牧，有旅游踐踏)、狼毒草甸等草甸類型(見圖1、表1).

所有樣地與湖泊水域均具有一定距離，全年出露于水面，植被及土壤也多偏向草甸及草甸土類型. 樣地在空間上從北端到南端呈格網(wǎng)狀分布，共計(jì)40個(gè)(見圖1).

狼毒草甸主要位于研究區(qū)南端的山麓緩坡區(qū)域，地勢相對(duì)較高，周邊村莊密集且遠(yuǎn)離湖泊水域區(qū)域，受氣候、人類活動(dòng)、局地土壤等因素的綜合影響，形成以狼毒為優(yōu)勢物種的、具有鮮明退化特征和區(qū)域代表性的植被類型. 該研究選取這一群落類型與其他退化系列草甸群落進(jìn)行對(duì)照，以便更為全面地揭示區(qū)域SOC的變化特征，但在樣地命名上又難以統(tǒng)一到退化等級(jí)樣地中，故單獨(dú)列出命名，作為對(duì)照樣地加以研究(見圖1).

圖1 樣地空間分布Fig.1 Distribution of sample plots

表1 樣地概況

2.2 指標(biāo)的測定

在所建立的退化系列樣地上，按照巢式取樣法，選擇具代表性的3個(gè)小樣方，樣方大小為1 m×1 m. 在選取的3個(gè)樣方中，采用格網(wǎng)數(shù)和目測相結(jié)合的方法，測定樣方植被蓋度. 采用收獲法，采集植物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，105 ℃下滅活15 min，80 ℃下烘干至恒質(zhì)量，測定植被地上生物量.

在每個(gè)樣地上，分別在植被調(diào)查的小樣方旁挖取1個(gè)50 cm深的土壤剖面，共3個(gè). 在每個(gè)剖面上，以10 cm為間隔分層取樣，共五層，分別記為為L1、L2、L3、L4和L5(0 cm

土壤含水量現(xiàn)場測定濕質(zhì)量后，帶回實(shí)驗(yàn)室105 ℃ 采用烘干法測定.土壤容重用100 cm3環(huán)刀采樣測定.w(SOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定[34].ρ(SOC)和單位面積上、一定土層深度內(nèi)的SOC儲(chǔ)量按如下公式[35]計(jì)算：

(1)

(2)

式中：Ci為第i層ρ(SOC)，kg/m3；Di為第i層土壤容重，g/cm3；Wc為w(SOC)，g/kg；Gi為第i層土壤大于2 mm礫石所占體積百分比；Tc為單位面積0～50 cm深度范圍內(nèi)SOC儲(chǔ)量，kg/m2；di為第i層土壤厚度，cm；n為層數(shù)，該研究中n=5. 由于該研究區(qū)主要土壤類型為沼澤和由沼澤化草甸泥炭土發(fā)展演化而來的草甸土，土層分布較厚(一般都在1 m以下)，但受保護(hù)區(qū)內(nèi)管理規(guī)定等限制，所取樣品深度為50 cm，樣品中基本無礫石含量或含量極少. 因此，在計(jì)算ρ(SOC) 時(shí)不再考慮礫石含量的比例.

3 結(jié)果與分析

3.1 樣地及其植被狀況

根據(jù)空間抽樣結(jié)果，調(diào)查區(qū)域內(nèi)多數(shù)樣地處于中度退化狀況，圍封無退化的樣地非常少，狼毒草甸在所研究流域的南端大面積分布，其樣地?cái)?shù)量僅次于中度退化樣地(見表1).

隨退化程度的加重，地上生物量和植被蓋度均出現(xiàn)明顯下降，從無退化到重度退化，地上生物量下降了55.8%，植被蓋度下降了40.9%.此外，狼毒草甸植被蓋度最低，但因其植株較大，生物量較大，僅次于無退化樣地(見表1).

3.2 樣地土壤含水量特征

由表2可見，無退化草甸和狼毒草甸土壤含水量隨著土層深度的增加出現(xiàn)持續(xù)下降，特別是無退化草甸，其下降程度更為顯著. 輕度退化草甸、中度退化草甸和重度退化草甸土壤含水量隨深度的增加略有增加. 各樣地L1層土壤含水量均顯著高于其他層次. 無退化草甸和重度退化草甸的土壤含水量各層次間均無顯著差異(P>0.05)，狼毒草甸的L4和L5層土壤含水量無顯著差異(P>0.05)，而輕度退化草甸、中度退化草甸和狼毒草甸的L1與L2、L3、L4土層間均形成顯著性差異(P<0.05).

各樣地間L1層土壤含水量以無退化草甸為最高，重度退化草甸最低，分別為46.07%和32.35%. 從五層土壤的平均值來看，以無退化草甸和輕度退化草甸為最高，分別為32.05%和34.35%，而重度退化草甸仍然最低，為27.64%. 總體上，各樣地土壤含水量均表現(xiàn)出相對(duì)較高的特征，并且土壤含水量呈隨退化程度加重而下降的特征(見表2).

3.3 樣地土壤容重特征

表2 滇西北納帕海高原濕地區(qū)域不同退化等級(jí)濕地草甸土壤含水量

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差. 不同字母表示差異顯著(P<0.05)，大寫字母表征土層間差異.

由表3可見，從無退化草甸到重度退化草甸再到狼毒草甸，土壤容重總體上表現(xiàn)出隨土層深度的增加而增大的趨勢. 值得注意的是，無退化草甸和輕度退化草甸L1層土壤的容重顯著低于其他層次. 所有樣地L1層土壤容重均與L5層形成顯著性差異(P<0.05).

各樣地之間，L1層土壤容重較低的為無退化草甸和輕度退化草甸，分別為1.24和1.42 g/cm3，較高的是重度退化草甸，為1.66 g/cm3. 從五層土壤的平均值來看，狼毒草甸最低，僅為1.63 g/cm3；其次為無退化草甸和輕度退化草甸，分別為1.65和1.70 g/cm3；而重度退化草甸最高，為1.78 g/cm3. 除狼毒草甸外，土壤容重在其他樣地間均呈隨退化程度的增加而增大的趨勢(見表3).

表3 滇西北納帕海高原濕地區(qū)域不同退化等級(jí)濕地草甸土壤容重

Table 3 Soil bulk density of meadow of different degradation grades in Napahai plateau wetland in northwest Yunnan g/cm3

退化等級(jí)土壤層次L1L2L3L4L5平均值無退化草甸1.24±0.30Aa1.61±0.32Ba1.75±0.21Bab1.79±0.10Ba1.87±0.01Ba1.65輕度退化草甸1.42±0.17Aab1.72±0.15Ba1.75±0.15Bab1.76±0.09Ba1.87±0.13Bab1.70中度退化草甸1.55±0.16Abc1.74±0.11Ba1.75±0.08Bab1.77±0.12Ba1.80±0.14Ba1.72重度退化草甸1.66±0.09Ac1.73±0.11ABa1.80±0.09Bab1.84±0.13Bab1.87±0.04Bab1.78狼毒草甸1.56±0.19Abc1.61±0.13Aa1.62±0.17Aac1.65±0.14ABac1.73±0.13Ba1.63

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差. 不同字母表示差異顯著(P<0.05)，大寫字母表征土壤層次間差異.

3.4 土壤有機(jī)碳含量特征

各退化系列樣地上，w(SOC)隨深度的增加呈逐次下降的趨勢，特別是無退化草甸和狼毒草甸，幾乎各層次之間均形成顯著差異(P<0.05). L1層的w(SOC) 均顯著高于其他層次(P<0.05)(見表4).

各樣地之間，L1層w(SOC)以無退化草甸為最高，達(dá)到58.75 g/kg，顯著高于其他樣地(P<0.05)；其次是狼毒草甸，為42.12 g/kg；最低的為重度退化草甸，僅為29.19 g/kg. 總體上看，無退化草甸和輕度退化草甸各層w(SOC)顯著高于重度退化草甸，而狼毒草甸除L1層外，其他各層w(SOC)卻表現(xiàn)出與無退化草甸基本相當(dāng)?shù)奶卣?見表4).

從五層土壤的平均值來看，存在同樣類似的規(guī)律，無退化草甸和狼毒草甸較高，分別為28.21和24.45 g/kg；重度退化草甸最低，為14.81 g/kg(見表4).

表4 滇西北納帕海高原濕地區(qū)域不同退化等級(jí)濕地草甸w(SOC)

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同字母表示差異顯著(P<0.05).大寫字母表征土壤層次間差異.

3.5w(SOC)土壤含水量及土壤容重的相關(guān)性

由表5可見，w(SOC)與各層土壤含水量均表現(xiàn)出顯著相關(guān)的特征，在L1、L2和L3土層為極顯著相關(guān)(P<0.01)，在L4和L5土層為顯著相關(guān)(P<0.05).w(SOC)與土壤各層容重均表現(xiàn)出極顯著相關(guān)(P<0.01)的特征.

表5 滇西北納帕海高原濕地草甸w(SOC)與土壤含水量及土壤容重的相關(guān)性

3.6ρ(SOC)及SOC儲(chǔ)量

不同樣地各土壤深度的ρ(SOC)及50 cm土層深度內(nèi)的SOC儲(chǔ)量特征如圖2所示. 各樣地隨土壤深度的增加，ρ(SOC)顯著下降，L1層ρ(SOC)均明顯高于其他土層，特別是無退化草甸，L1層ρ(SOC)是L5層的5.34倍，其他樣地也均達(dá)到2.5倍以上. L1層與其他層次間ρ(SOC)均形成顯著性差異(P<0.05).

各樣地之間無退化草甸明顯高于其他樣地，特別是L1層ρ(SOC)達(dá)到71.32 kg/m3，重度退化草甸最小，為41.87 kg/m3，二者形成顯著性差異(P<0.05)，狼毒草甸僅次于無退化草甸，為56.68 kg/m3(見圖2). 無退化草甸、中度退化草甸與重度退化草甸在L2土層形成顯著性差異. 從五層土壤的ρ(SOC) 平均值來看，存在同樣類似的排序：無退化草甸最大，為40.92 kg/m3；重度退化草甸最小，為25.23 kg/m3；狼毒草甸僅次于無退化草甸，為36.45 kg/m3(見圖2). 中度退化到重度退化L1層ρ(SOC)較無退化分別下降了31.95%和41.29%，L2土層分別下降了43.96%和51.15%，五層平均值分別下降了26.19%和38.34%. 50 cm土壤深度內(nèi)的SOC儲(chǔ)量與ρ(SOC)的變化規(guī)律基本一致，最高的無退化草甸為20.46 kg/m2，其次為狼毒草甸，為18.22 kg/m2，最小的重度退化草甸為12.62 kg/m2(見圖2).

土壤層次：0 cm

4 討論

4.1 納帕海高原濕地草甸w(SOC)特征

當(dāng)前，全球范圍內(nèi)的濕地SOC儲(chǔ)量仍不清楚[36]. 納帕海高原地處高海拔、低緯度區(qū)域，是我國典型的高原濕地類型，也是對(duì)人類活動(dòng)及氣候變化響應(yīng)最為敏感的區(qū)域之一. 在氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響下，區(qū)域內(nèi)大面積的濕地草甸正由原來的泥炭土加速向更旱生化的沼澤、草甸土轉(zhuǎn)化，這一過程顯著地改變了其地上植被狀況，進(jìn)而對(duì)其SOC產(chǎn)生了深刻的影響.

該研究顯示，各樣地50 cm土壤深度內(nèi)w(SOC)處于6.55～58.75 g/kg之間，平均值為21.21 g/kg(見表4)，低于四川若爾蓋，而高于青海湖高原濕地[25,37]. 若爾蓋高原為高原寒溫帶濕潤氣候，其較低的氣溫和較多的降水，是該地區(qū)SOC積累的有利條件[38-39]，青海湖是典型的高原大陸性氣候，干旱、寒冷、多風(fēng)、少雨的氣候特征使得土壤礦化作用更加強(qiáng)烈[25]，不利于SOC積累. 納帕海高原冬長夏短、低溫等高原氣候特征，相較于三江平原[35]、青海湖[25]等其他濕地類型，具有更高的SOC積存特征.該研究20 cm土壤深度內(nèi)無退化草甸的w(SOC)(48.69 g/kg)介于李寧云等[40]對(duì)該區(qū)域沼澤(59.39 g/kg)與沼澤化草甸(40.89 g/kg)的研究結(jié)果之間，但明顯高于范橋發(fā)等[41]對(duì)禁牧草甸的研究結(jié)果(33.47 g/kg)，稍低于賴建東等[32]對(duì)納帕海草甸的研究結(jié)果，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其對(duì)納帕海天然沼澤(89.64 g/kg)的研究結(jié)果，由此對(duì)照發(fā)現(xiàn)，納帕海高原濕地若從天然沼澤演變?yōu)槌Ｄ瓿雎队谒娴牟莸楹?，?0 cm土壤深度內(nèi)將有可能導(dǎo)致45%(以w計(jì))以上的SOC損失.

4.2 納帕海高原濕地不同退化草甸SOC含量特征

該研究顯示，隨著退化程度的加重，50 cm土壤深度內(nèi)w(SOC)平均值從28.21 g/kg降至14.81 g/kg(見表4)，幾乎接近50%的w(SOC)隨草甸的退化而流失. 相關(guān)研究[24,31]也表明，植被退化會(huì)改變濕地植被生產(chǎn)力及土壤有機(jī)質(zhì)的積累和分解速率，加速土壤侵蝕，進(jìn)而影響w(SOC).

植被地上生物量是影響w(SOC)的關(guān)鍵因素. 該研究中，無退化草甸地上植被生物量比重度退化草甸高出126.21%，隨著退化程度的增加，生物量顯著下降(見表1). 生物量的增加可以一方面增加了地上植被的凋落物數(shù)量，另一方面也豐富了地下根系組成[24]，改善了土壤持水性和透氣性，使得土壤環(huán)境更有利于微生物的活動(dòng)，進(jìn)一步增加了w(SOC)[24,42-45].

該研究中，輕度退化草甸多分布于北端的村莊附近，與農(nóng)田臨近，受人類活動(dòng)影響程度較輕，部分受到圍封的保護(hù)，其w(SOC)較無退化草甸降幅(27.01%)較小. 中度退化草甸與重度退化草甸分布于北端湖泊附近，常年受到密集的放牧及旅游活動(dòng)的影響，植被退化嚴(yán)重(見表1)，w(SOC)降幅(36.16%～47.50%)較大. 此外，狼毒草甸的植被蓋度僅與重度退化草甸相當(dāng)，而w(SOC)、ρ(SOC)、SOC儲(chǔ)量等均表現(xiàn)出相對(duì)較高的水平，僅次于無退化草甸(見表4，圖2)，這與其相對(duì)較高的地上生物量和豐富的地下根系組成相關(guān)聯(lián)[46](見表1). 實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，位于流域南段村莊密集區(qū)域的狼毒草甸，群落植被嚴(yán)重退化，物種組成較為單一，地表植被蓋度顯著下降，但另一方面卻表現(xiàn)出狼毒植株大、生物量高的特征(見表1)，而相對(duì)較高的生物量也使其在SOC方面具有相對(duì)較高的表現(xiàn)(見表4).

該研究中w(SOC)表現(xiàn)出隨土壤深度的增加而顯著下降的特征(見表4)，與三江平原[35]、若爾蓋[23]以及青海湖濕地[25]類似. SOC分布雖在土壤表層更易遭受人為干擾，但依然表現(xiàn)出明顯的表聚性(P<0.05)，其垂直分布特征可能的原因主要有：①地上植被凋落物的積累對(duì)表層SOC的增加起到了關(guān)鍵性的作用[25,47]. 枯枝落葉在土壤表層堆積并通過腐殖化過程進(jìn)入土壤，表層土壤溫度、濕度等外界條件以及土壤質(zhì)地更有利于腐殖化分解礦化過程的進(jìn)行，因此對(duì)表層SOC釋放有較大貢獻(xiàn)，而土壤層越深，其分解環(huán)境越差[48]，進(jìn)入到土壤深處的SOC就越少. ②在腐殖化過程中，分解者起主導(dǎo)作用，而分解者在表層更為活躍，隨土壤深度的增加而減弱[49]，因而進(jìn)入到土壤深處的w(SOC)也隨之減少. ③根系的垂直分布(如深根系、淺根系)直接影響輸入到土壤剖面各個(gè)層次的SOC[50]. 草甸植物根系大都分布在地下0～20 cm土壤深度內(nèi)，在該深度根系活動(dòng)與凋落物的交互作用進(jìn)一步促進(jìn)了SOC的積累[51].

4.3 土壤含水量、土壤容重對(duì)SOC的影響

土壤含水量是影響植被生長、土壤養(yǎng)分遷移轉(zhuǎn)化、水文和能量轉(zhuǎn)換過程及氣候變化的重要因子[52-53]，在土壤侵蝕、溶質(zhì)運(yùn)移以及地表大氣相互作用等方面發(fā)揮著重要的作用[54]. 土壤含水量在50 cm 土壤深度更易受到外界環(huán)境的影響，為土壤水分活躍層[55]. 該研究中，各土層土壤含水量與w(SOC) 均表現(xiàn)出顯著相關(guān)的特征，在L1、L2和L3土層，w(SOC)與含土壤水量表現(xiàn)為極顯著相關(guān)(P<0.01)，在L4和L5土層則表現(xiàn)為顯著相關(guān)(P<0.05)(見表5)，表明土壤含水量對(duì)w(SOC)具有正向促進(jìn)作用，這是因?yàn)橹脖活愋头植己蜕锪渴芡寥浪值挠绊?，而生物量的減少通常會(huì)導(dǎo)致植物殘?bào)w和SOC輸入量的減少；同時(shí)，當(dāng)土壤含水量減少到一定程度時(shí)，SOC好氧分解速率增加，導(dǎo)致SOC散失，濕地有可能變成潛在的碳“源”[56].

土壤容重與成土過程、母質(zhì)、土地利用模式等密切相關(guān)，是土壤層中碳和土壤養(yǎng)分計(jì)算的重要物理特性指標(biāo)[57]. 有研究[58-61]認(rèn)為，SOC的下降是導(dǎo)致土壤容重偏高的重要因素，地上生物量的下降間接減少了輸入到土壤中有機(jī)碳的含量，進(jìn)而削弱了其改善土壤結(jié)構(gòu)的功能，使土壤緊實(shí)度顯著增加，而隨之產(chǎn)生的土壤容重的增加也與SOC指標(biāo)的下降密切相關(guān). 該研究中，從無退化草甸到重度退化草甸，隨著退化程度的增加，土壤容重呈增大趨勢，特別L1層更為明顯(見表3)，與此相對(duì)應(yīng)，其w(SOC)也表現(xiàn)出顯著下降的特征，各樣地土壤各層次容重與w(SOC)均呈顯著的相關(guān)性(P<0.05)(見表5)，在對(duì)若爾蓋高原濕地[47]和洞庭湖濕地[61]等相關(guān)研究也顯示了這一特征.

該研究中各樣地的土壤容重總體上均大于郭雪蓮等[28,39]對(duì)該區(qū)域內(nèi)沼澤化草甸或沼澤的研究結(jié)果. 由此也可見，當(dāng)區(qū)域內(nèi)沼澤、沼澤化草甸等類型轉(zhuǎn)變到草甸類型后，受到常年放牧、旅游等活動(dòng)的影響，土壤容重呈增大的趨勢，其增大的土壤容重又進(jìn)一步間接導(dǎo)致SOC的下降(見表5). 相關(guān)研究[62]所顯示的濕地系統(tǒng)排水疏干、放牧等過程會(huì)促進(jìn)土壤碳的排放、降低SOC儲(chǔ)量的現(xiàn)象，可能也與土壤容重的變化直接相關(guān).

ρ(SOC)與土壤容重、w(SOC)直接相關(guān). 該研究中，ρ(SOC)同樣表現(xiàn)出隨退化程度的增加而下降的特征(見圖2)，而該研究中土壤容重以狼毒草甸和無退化草甸較低(見表3). 可見，該研究中，土壤容重對(duì)ρ(SOC) 沒有形成主導(dǎo)性作用，其關(guān)鍵仍受到w(SOC) 狀況的決定.

5 結(jié)論

a) 滇西北納帕海高原濕地草甸退化導(dǎo)致了土壤含水量下降、土壤容重增大、植被地上生物量及植被蓋度下降，其變幅分別達(dá)到了13.76%、7.3%、55.79%、40.91%.

b) 滇西北納帕海高原濕地草甸從無退化轉(zhuǎn)變?yōu)橹囟韧嘶癄顟B(tài)后，將導(dǎo)致近50%的w(SOC)流失.

c) 近年來，納帕海高原濕地區(qū)域在氣候變化及人類活動(dòng)多重影響下，區(qū)域景觀格局發(fā)生顯著變化，大量沼澤或沼澤化草甸轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｄ瓿雎队谒娴牟莸榫坝^. 與同類研究的橫向?qū)φ瞻l(fā)現(xiàn)，當(dāng)該區(qū)域內(nèi)沼澤或沼澤化草甸轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸轭愋蜁r(shí)，在20 cm土壤深度內(nèi)將可能導(dǎo)致45%的w(SOC)流失.

d) 納帕海高原濕地草甸w(SOC)低于四川若爾蓋高原濕地草甸，僅為若爾蓋高原濕地草甸w(SOC)的30.58%～58.14%，但仍高于其他濕地含量. 可見，當(dāng)前對(duì)該區(qū)域濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)顯得尤為迫切.

致謝： 該研究的野外工作得到納帕海自然保護(hù)區(qū)的大力支持與幫助，野外采樣及實(shí)驗(yàn)測試得到馬旭晨等五名研究生和季丕濤等七名本科學(xué)生的支持，在此致以感謝.

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Characteristics of Soil Organic Carbon Content of Degraded Meadows in Napahai Plateau Wetland Region in Northwest Yunnan Province

LI Xuan, LI Zhongfei*

College of Environmental Science and Engineering, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China

2016-08-07

2017-04-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31360122)；云南省高校優(yōu)勢特色重點(diǎn)學(xué)科(生態(tài)學(xué))建設(shè)項(xiàng)目

李璇(1992-)，女，陜西西安人，lixuan16710@sohu.com.

*責(zé)任作者，栗忠飛(1976-)，男，內(nèi)蒙古烏海人，副教授，主要從事環(huán)境生態(tài)學(xué)研究，lizhongfei@sohu.com

X171;S151

1001- 6929(2017)07- 1079- 10

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.34

李璇,栗忠飛.滇西北納帕海高原濕地區(qū)域退化草甸土壤有機(jī)碳含量特征[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(7):1079- 1088.

LI Xuan,LI Zhongfei.Characteristics of soil organic carbon content of degraded meadows in Napahai plateau wetland region in northwest Yunnan Province[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(7):1079- 1088.