纳帕海湿地位于横断山脉中段云南省迪庆藏族自治州香格里拉市(99°37'—99°43'E,27°49'—27°55'N),平均海拔3 260 m,是低纬度、高海拔的高原湖泊湿地,其水量补给主要依靠降雨、冰雪融水和河流及地下水,纳帕海湿地气候具有高寒、年均温低、干湿季节分明等特点。土壤类型主要以沼泽土、泥炭沼泽及沼泽化草甸土壤为主^[11]。

2018年4月于云南省纳帕海国际重要湿地哈木谷村附近选取泥炭沼泽作为研究区,根据野外调查设置对照、藏香猪放养、牦牛放牧样地。样地大小为10 m*10 m,样地特征描述见表1。沿样地对角线选取3个1 m*1 m的小样方,并沿每个样方对角线选取5～7个点,取0—10 cm土样,每个样方内所有土样混合成一个样品。将土样放入冰盒后用液氮冷冻保存并立即带到实验室。一部分土样放在4℃冰箱用于土壤酶活性、土壤微生物生物量C,N,P测定,一部分土样风干用于土壤理化性质测定。

表1 样地特征描述

土壤含水率采用烘干法测定,土壤容重采用环刀法测定,土壤pH值采用酸度计(Ohaus STARTER3100,American,西南林业大学大型仪器设备共享平台)测定,土壤TN,TP采用H₂SO₄-H₂O₂消煮测定^[12]。NH⁺₄-N,NO^-₃-N采用1 mol/L KCL提取用连续流动分析仪(Seal AA3,Norderstedt,Germany,西南林业大学大型仪器设备共享平台)测定^[13]。TOC用总有机碳分析仪(Elementar,Germany,西南林业大学大型仪器设备共享平台)测定。

土壤微生物生物量C,N,P均采用氯仿熏蒸法进行测定,其中MBC,MBN用0.5 mol/L的K₂SO₄提取,MBP用0.5 mol/L的NaHCO₃提取^[14-16]。土壤βG,NAG以及AP采用比色法测定^[17]

使用SPSS 23单因素方差分析检验分析土壤理化性质、土壤养分及微生物生态化学计量特征及土壤生态酶化学计量在0.05显著性水平上的差异。使用Canoco 4.5分析土壤理化性质、土壤养分化学计量、土壤微生物生态化学计量特征及土壤生态酶化学计量之间的关系。采用Origin 2017绘图。

放牧干扰在不同程度上影响泥炭沼泽土壤理化性质(表2)。JT的容重显著高于CK(p<0.05),而ZG容重低于CK。放牧样地含水率均低于CK(p<0.05)。所有样地pH值<7,呈酸性,放牧导致土壤pH值增加。土壤NH⁺₄-N,NO^-₃-N均表现为ZG>CK>JT。放牧降低了土壤TN,增加了土壤TP。JT显著降低了土壤TOC(p<0.01),而ZG对土壤TOC影响不显著(p>0.05)。

表2 不同放牧干扰对泥炭沼泽土壤理化性质的影响

放牧过程中藏猪翻拱及牦牛践踏均降低土壤含水率,牦牛践踏提高了土壤容重,然而藏猪翻拱降低了土壤容重,这与姚茜等^[11]研究结果一致。放牧过程中,藏猪翻拱使土壤疏松,增加了土壤孔隙度以及通透性,从而促进土壤与空气接触,降低了土壤含水率以及容重^[18]。践踏使土壤容重增加,降低了土壤保水和持水能力。放牧降低了土壤TOC主要是由于放牧降低了土壤TOC重要来源——地上生物量以及凋落物^[19]。

本研究发现放牧活动使土壤pH值降低,湿地生态系统不同于其他生态系统,易受氧化还原反应的影响因而导致土壤pH值的变化^[20]。此外植物也是影响土壤pH值的重要因素。

放牧活动降低了土壤TN,这与放牧降低地上生物量,减少N向土壤的归还有密切关系^[21]。ZG增加了土壤NH⁺₄-N,NO^-₃-N,然而JT却呈现降低的趋势。土壤NH⁺₄-N,NO^-₃-N主要来源于有机物质矿化分解^[22],JT增加土壤紧实度和容重,使得土壤有机质矿化作用减弱,NH⁺₄-N,NO^-₃-N含量降低,而ZG具有相反功能^[18]。

放牧提高了土壤TP含量,这可能由于放牧过程中排泄物归还等活动促进了土壤P的固定,从而提高了土壤P的含量。

放牧通过畜体的采食、践踏和排泄物归还对土壤养分化学计量产生影响。与全国高寒高原地区土壤养分化学计量C/N(13.6)、C/P(62)、N/P(5.9)相比^[23],本区域C/N均显著高于全国高寒高原平均(13.6),张仲胜等^[24]研究全国湿地C,N,P化学计量发现泥炭地沼泽中营养元素N,P的供应更为匮乏,土壤中的物质循环过程表现出C富余而N,P不足,因此泥炭沼泽土壤C/N显著高于全国高寒高原平均。而放牧降低了C/N及地上生物量,从而使进入土壤的养分减少有关,而源于植物残体(凋落物和根系分泌物)的有机质输入是土壤C和N的主要来源^[19]。放牧降低了C/P也与牲畜啃食导致生物归还减少有关,此外JT和ZG的C/P存在显著差异,这可能由于不同放牧方式对凋落物的影响程度不同所导致。CK的C/P高于全国高寒高原地区说明该区域主要受P的限制,此外研究区域所有土壤N/P均低于全国高寒高原平均,说明该区域土壤缺乏N,N是主要限制因素,这与Han等^[25]研究青藏高原高寒草甸得出高原高寒草甸土壤主要受N,P限制一致。

在本研究中放牧干扰MBC/MBN均在3～5,然而CK大于5。Paul^[26]研究发现真菌的MBC/MBN为4～15,而细菌的MBC/MBN为3～5,土壤MBC/MBP在一定程度上反映了土壤中真菌和细菌的比例,因此,放牧改变了泥炭沼泽土壤微生物区系。JT和ZG的微生物生态化学计量特征之间有一定差别这可能与两者容重、NO^-₃-N、TOC差异有一定关系,此外不同排泄物输入也可以影响微生物。本研究中MBC/MBP低于赵先丽等^[27]提出的MBC/MBP一般变化值(7.0～30.0)。其值低可能由于土壤性质的差异,即酸性土壤或有效磷较高土壤中微生物体内均有较多的P,具有较大释放P的潜力^[27],此外温度等因素影响土壤微生物生物量磷的数量^[28]。而放牧与对照MBC/MBP无显著差异,这与水分、pH值以及放牧过程中排泄物返还有一定关系。放牧MBN/MBP高于对照,这可能由于放牧过程中排泄物输入补充了N,促进微生物生长。

土壤生态酶化学计量反映了微生物生物量和土壤有机质之间的平衡以及微生物营养吸收和生长效率^[6]。在本研究中,放牧的生态酶活性βG/AP,NAG/AP均高于对照,说明对照受P限制,这与本研究中对照土壤TP均低于放牧干扰一致。ZG和JT的βG/AP,NAG/AP也存在一定差异,这可能与猪翻拱土壤增强土壤透气性,刺激微生物分泌参与C,N,P循环相关的土壤酶有关,这与隋鹏祥等^[29]研究翻耕对土壤酶活性研究结果一致。

冗余分析显示含水率、TP、NO^-₃-N、TOC是影响土壤生态化学计量的主要环境因子(图5)。土壤水分对土壤生态化学计量影响主要表现在两个方面:一方面土壤水分影响土壤C,N,P循环,从而影响土壤化学计量,另一方面一定范围内土壤含水量增加,直接影响酶促作用和土壤生物化学反应强度,从而增加土壤酶活性,进而影响土壤生态酶化学计量^[6]。P是限制生态系统初级生产力的重要元素^[30],从而影响生态化学计量。NO^-₃-N作为植物、土壤微生物可利用氮的一部分养分,其变化影响了植物、微生物的生长,从而影响化学计量^[21]。土壤TOC直接影响土壤养分化学计量,也可直接作为微生物生长的碳源,其变化导致土壤生态化学计量变化^[31]。

土壤养分化学计量控制微生物生态化学计量特征和生态酶化学计量^[32],这是因为土壤养分化学计量尤其是C/N与土壤微生物群落功能多样性密切相关,其变化影响微生物生物量以及生态酶活性。土壤N/P,MBN/MBP与对应的NAG/AP呈负相关,这可能由于AP与NO^-₃-N含量有密切关系使得NAG/AP更易受环境因子影响。