翠亨濕地?zé)o瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳分布特征及與土壤理化指標(biāo)相關(guān)性

徐耀文，姜仲茂，武 鋒，楊倩梨，廖寶文＊

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520；2. 中山翠亨新區(qū)公共建設(shè)局，廣東 中山 528400)

紅樹林是生長在熱帶、亞熱帶的木本群落[1]，是國際上生物多樣性保護(hù)和濕地生態(tài)保護(hù)的重要對象，近年來已成為國際上普遍關(guān)注的資源環(huán)境熱點(diǎn)問題之一[2]。由于全球變暖的加劇，紅樹林的固碳能力得到了大量關(guān)注[3]，研究表明，紅樹林生態(tài)系統(tǒng)是濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)中碳密度最高的生態(tài)系統(tǒng)[4]。紅樹林土壤有機(jī)碳是紅樹林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，與此同時(shí)，土壤有機(jī)碳的影響因素也得到了大量的關(guān)注。土壤有機(jī)碳是植物枯枝落葉、動(dòng)物和微生物分泌物等的產(chǎn)物，處于不斷累積和消耗的動(dòng)態(tài)平衡中。關(guān)于紅樹林土壤有機(jī)碳的遷移、轉(zhuǎn)化、固定機(jī)制等方面的研究較多[5-9]，但關(guān)于土壤有機(jī)碳的調(diào)查深度卻不盡相同，有30、50、100、120 cm等。一般認(rèn)為，土壤有機(jī)碳分布隨著土層深度的增加而逐漸降低，但表層土壤有機(jī)碳不穩(wěn)定且易受其他因素的干擾，下層土壤有機(jī)碳分布較穩(wěn)定。中國關(guān)于紅樹林土壤有機(jī)碳分布及影響因素的研究較多，而關(guān)于人工引種的無瓣海桑林土壤有機(jī)碳分布規(guī)律及土壤因素的研究卻鮮有報(bào)道。有些學(xué)者分析了其他紅樹林土壤有機(jī)碳含量與土壤pH值、鹽度、氮磷的關(guān)系，如趙澤陽等[10]調(diào)查海南島北部地區(qū)紅樹林濕地土壤發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳含量與砂粒含量和pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，與黏粒和粉粒含量呈顯著正相關(guān)；但人工引種的無瓣海桑林土壤有機(jī)碳分布是否和其他紅樹林土壤有機(jī)碳有相似的分布規(guī)律是一個(gè)值得研究的問題。

研究無瓣海桑（Sonneratia apetala Buch.-Ham.）人工林土壤有機(jī)碳的分布規(guī)律及影響因子，對合理評估無瓣海桑人工林的生態(tài)價(jià)值，完善無瓣海桑人工林的保護(hù)制度，推進(jìn)人工紅樹林的恢復(fù)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以廣東中山翠亨國家濕地公園人工引種的無瓣海桑林為研究對象，參考最新的濱海生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫的野外采樣標(biāo)準(zhǔn)[11]，測定不同潮位帶0～100 cm層土壤有機(jī)碳含量及其他土壤理化指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過分析不同潮位帶土壤有機(jī)碳分布規(guī)律和各種土壤理化指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，為進(jìn)一步研究無瓣海桑人工林碳循環(huán)和有機(jī)碳儲(chǔ)量提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于廣東省中山市翠亨國家濕地公園內(nèi)（113°9′2″～113°46′ E，22°11′12″～22°46′35″ N），該地處于珠江橫門水道的咸淡交匯處，是珠江流域河口濕地生態(tài)系統(tǒng)的典型代表。中山翠亨國家濕地公園總面積為623.6 hm2，無瓣海桑人工林濕地面積393.44 hm2，濕地率達(dá)到63.09%。該濕地公園海域?qū)僦榻冢毕珜俨徽?guī)半日潮。

翠亨國家濕地公園內(nèi)地貌類型屬低丘、臺(tái)地、淺海等，具有明顯的垂直地帶性，即從淺海沉積的灘涂、泥沼→水道或旱地土壤→坡地赤紅壤；或從淺海沉積的灘涂、泥沼→濱海砂土→坡地赤紅壤。灘涂是濕地公園內(nèi)分布最廣的土類，此土壤屬淺海沉積的黑色黏質(zhì)鹽土（灘涂），由于受海潮、海水生物和河流帶來有機(jī)質(zhì)的作用，土壤肥力高，有利于紅樹林植物生長發(fā)育。研究區(qū)內(nèi)紅樹林植被呈帶狀分布于水道兩側(cè)堤岸外圍的潮汐帶，種類組成單純，結(jié)構(gòu)較簡單，主要以無瓣海桑組成的單優(yōu)人工群落，林下有老鼠簕( Acanthus ilicifolius L.），三葉魚藤（Derris ellipitica Benth.）等。

在濕地公園內(nèi)，于2018年6月選擇人為干擾少、代表性強(qiáng)，2005年?duì)I造的無瓣海桑林作為研究對象，以潮位因素作為分類依據(jù)，分別在不同地點(diǎn)選取高潮帶、中潮帶和低潮帶（光灘）各3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)3個(gè)10 m×10 m的重復(fù)樣地。3種潮位帶樣地情況見表1，其中，高潮帶位于潮間帶的最上部，上界為大潮高潮線，下界是只有在大潮時(shí)才被海水淹沒的小潮高潮線；中潮帶是上界為小潮高潮線，下界是小潮低潮線，為典型的潮間帶地區(qū)；低潮帶是上界為小潮低潮線，下界是大潮低潮線，大部分時(shí)間浸在水里，只有在大潮落潮的短時(shí)間內(nèi)才露出水面。根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，同一區(qū)域3種潮位帶之間的采樣距離間隔100 m左右。

表 1 調(diào)查樣地基本情況Table 1 General conditions of sampled plots

2 研究方法

2.1 樣品采集

在每個(gè)重復(fù)樣地內(nèi)隨機(jī)選取立地條件相同的3個(gè)地點(diǎn)采集土樣。土壤樣品采集深度為100 cm，每個(gè)取樣點(diǎn)用直徑5 cm的土鉆取0～100 cm深的土柱，并按 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm的深度將土柱分為5層，將同一地點(diǎn)的3個(gè)重復(fù)土柱混合，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，去除根系，石粒等雜質(zhì)。研磨，過100目鋼篩。在分土層的同時(shí)，另外取土壤樣品，稱質(zhì)量，在105℃烘干至恒質(zhì)量，用于計(jì)算土壤密度和含水量。測定土壤pH值和有機(jī)碳、全氮、全磷、鹽度等含量，測定的依據(jù)分別是LY/T1239-1999、LY/T1237-1999，LY/T1228-1999、LY/T1232-1999、LY/T1251-1999。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

土壤有機(jī)碳（SOC）密度指一定深度土層中單位面積中土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存量[11]，其計(jì)算公式為：

式中：SOCDK—第 k層 SOC密度（kg·m-2）；K—土壤層次；Ck—第k層 SOC含量（g·kg-2）；Dk—第 k層土壤密度（g·cm-3）；Ek—第k層土壤厚度（cm）；Gk—第k層土壤中直徑＞2 mm石礫所占體積百分比（%）（國家林業(yè)局，2011）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和表格的繪制采用Excel 2013，數(shù)據(jù)的顯著性、回歸性以及相關(guān)性分析采用IBM公司的SPSS 23.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同潮位帶土壤有機(jī)碳的垂直分布特征

不同潮位帶土壤有機(jī)碳含量的垂直分布特征見圖1，再結(jié)合土壤含水量的分布特征計(jì)算得到土壤有機(jī)碳密度的分布特征（圖2）。在高潮帶，土壤有機(jī)碳含量的變化范圍為1.09%～2.73%，土壤有機(jī)碳密度的變化范圍為24.98～42.71 t·hm-2。在中潮帶，土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度隨土壤深度的增加變化相對不明顯，變化范圍分別為1.23%～1.45% 和 24.19～29.41 t·hm-2；低潮帶（光灘）土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度的變化范圍分別為 1.30%～1.38% 和 22.26～28.88 t·hm-2，沒有明顯的變化趨勢。高潮帶0～80 cm土壤有機(jī)碳含量和密度明顯高于中潮帶和低潮帶，一方面是由于高潮帶受到海水的沖刷較中潮帶和低潮帶少，林下的枯枝落葉更易停留分解，對土壤有機(jī)碳的輸入也越多[12]；另一方面高潮帶的無瓣海桑的密度和胸徑樹高均大于中潮帶，而低潮帶沒有樹木生長（表1），高潮帶高的生物量為土壤有機(jī)碳提供了更高的輸入源。因此，高潮帶無瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳含量及密度較中潮帶和低潮帶（光灘）高。

圖 1 不同潮位帶土壤有機(jī)碳含量垂直分布特征Fig. 1 Vertical distribution characteristics of soil organiccarbon content in different tidal zones

圖 2 不同潮位帶土壤有機(jī)碳密度垂直分布特征Fig. 2 Vertical distribution characteristics of soil organic carbon density in different tidal zones

圖1、2表明：在高潮位，土壤表層（0～20、20～40 cm）有機(jī)碳含量和密度最高，這是因?yàn)樵诟叱睅В参锶郝湟呀?jīng)形成且生長穩(wěn)定，林下灌木和草本植物豐富，喬木的枯枝落葉和林下植被為土壤有機(jī)碳提供了豐富的來源，增加了土壤有機(jī)碳的表聚力[13]。由于高潮帶豐富植物群落的存在，在一定程度上改變了潮汐海岸帶的地形，更有利于高潮帶截獲海水沖刷進(jìn)來的營養(yǎng)物質(zhì)，因此，在0～20、20～40 cm土層中土壤有機(jī)碳是整個(gè)土壤剖面含量最高的。

3.2 不同潮位帶土壤物理性質(zhì)的垂直分布特征

3.2.1 土壤密度的垂直分布特征 圖3表明：在高潮帶，其土壤密度的變化范圍為1.07～1.22 g·cm-3，平均為1.20 g·cm-3，但在20～100 cm土層沒有顯著增加；而中潮帶和低潮帶土壤密度在0～100 cm剖面上的平均土壤密度均低于高潮帶，且平均密度相同，均為0.99 g·cm-3；但3種潮位帶土壤密度的共同點(diǎn)是表層（0～20 cm）土壤密度均為整個(gè)土層的最低值。土壤密度是土壤含水量的間接體現(xiàn)，土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和所處的環(huán)境共同決定了土壤的密度[13]。土壤中增加的物質(zhì)主要來自于植物枯枝落葉及根系有機(jī)質(zhì)和半有機(jī)質(zhì)等分解固定的結(jié)果[14]。

圖 3 不同潮位帶土壤密度的垂直分布特征Fig. 3 Vertical distribution characteristics of soil density in different tidal zones

3.2.2 土壤含鹽量的垂直分布特征 圖4表明：在3種潮位帶中，在0～100 cm土層，土壤含鹽量大部分呈先增再降低的變化趨勢，但平均含鹽量各不相同，從小到大依次為：高潮帶（2.11 g·kg-1）＜中潮帶（2.57 g·kg-1）＜低潮帶（2.89 g·kg-1），其中，3種潮位帶土壤含鹽量的最大值大部分出現(xiàn)在40～60 cm土層。土壤含鹽量是影響紅樹林有機(jī)碳儲(chǔ)量的主要影響因子[15]，土壤鹽度越大，會(huì)造成土壤緊實(shí)度越高，對有機(jī)碳的固定也就越弱。所以，高鹽度地區(qū)不利于紅樹林的生長進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的累積[16-17]。葉君等[18]通過在長江口研究不同鹽度下碳的分布和來源，得出不同形態(tài)的碳均與鹽度存在負(fù)相關(guān)的結(jié)論，與本研究結(jié)果一致。

圖 4 不同潮位帶土壤含鹽量的垂直分布特征Fig. 4 Vertical distribution characteristics of soil salinity in different tidal zones

3.3 不同潮位帶土壤化學(xué)性質(zhì)的垂直分布特征

3.3.1 土壤pH值的垂直分布特征 在本研究中，3種潮位帶土壤在各個(gè)土層中的pH值均低于8.0，且隨著潮位的增高土壤剖面平均pH值逐漸降低，依次為：低潮帶（7.82）＞中潮帶（7.35）＞高潮帶（6.92）（圖5）。3種潮位帶均表現(xiàn)出表層土壤pH值最低，且pH最高值出現(xiàn)在土壤中下層的特點(diǎn)。周慧杰等[19]通過對廣西欽州灣紅樹林研究也得到相同的結(jié)果。

3.3.2 土壤全氮含量的垂直分布特征 圖6表明：高潮帶土壤全氮在土壤剖面上總的變化趨勢是隨著土層深度的增加，土壤全氮含量逐漸降低，變化范圍為 0.83～1.93 g·kg-1，平均值為 1.30 g·kg-1；中潮帶土壤全氮整個(gè)土層剖面平均為0.98 g·kg-1；最高值出現(xiàn)在80～100 cm土層，含量為1.06 g·kg-1；低潮帶土壤全氮的的最高值出現(xiàn)在表層0～20 cm土層，含量為 1.15 g·kg-1。

圖 5 不同潮位帶土壤pH值的垂直分布特征Fig. 5 Vertical distribution characteristics of soil pH values in different tidal zones

圖 6 不同潮位帶土壤全氮的垂直分布特征Fig. 6 Vertical distribution characteristics of soil totalnitrogen in different tidal zones

3.3.3 土壤全磷含量的垂直分布特征 圖7表明：在高潮帶，隨著土層深度的增加，全磷含量逐漸降低，最大含量為1.02 g·kg-1；中潮帶，全磷含量最高值出現(xiàn)在20～40 cm土層，最低值出現(xiàn)在60～80 cm土層，且各土層間沒有明顯的規(guī)律性；低潮帶，全磷含量最高值出現(xiàn)在0～20 cm土層，最低值出現(xiàn)在20～40 cm土層，平均含量為0.68 g·kg-1。

圖 7 不同潮位帶土壤全磷的垂直分布特征Fig. 7 Vertical distribution characteristics of total phosphorus in soil at different tide levels

3.4 土壤理化性質(zhì)與土壤有機(jī)碳的相關(guān)性

將3種潮位帶土壤性質(zhì)綜合，進(jìn)行雙變量分析，得表2。表2表明：土壤有機(jī)碳和土壤pH值極顯著負(fù)相關(guān)；土壤全氮含量是各項(xiàng)指標(biāo)中和有機(jī)碳含量相關(guān)性最顯著的，土壤中氮的來源和有機(jī)碳一樣，主要來自與腐殖質(zhì)的分解，因此，在相關(guān)性上表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)性（P＜0.01）；磷元素和氮、有機(jī)碳一樣，其主要來源是植物枯枝落葉的分解，土壤有機(jī)碳含量和全磷含量之間呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.488；土壤有機(jī)碳和含鹽量之間存在著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，皮爾遜相關(guān)系數(shù)為-0.328；土壤有機(jī)碳含量和密度之間無相關(guān)性。

表 2 土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 2 correlation between soil organic carbon and soil physical and chemical properties

4 討論

4.1 中山翠亨無瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳分布特征

總體來看，中山翠亨無瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量都遠(yuǎn)高于我國其他農(nóng)田生態(tài)系[20]，而與其他相近地區(qū)陸地森林生態(tài)系統(tǒng)相似[21-22]。與其他天然紅樹林生態(tài)系統(tǒng)相比，無論是有機(jī)碳含量還是有機(jī)碳儲(chǔ)量均較低[19,23]。紅樹林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力高，腐殖質(zhì)等有機(jī)物分解歸回土壤的比例也大，這都是紅樹林土壤有機(jī)碳含量高的原因。由于中山翠亨紅樹林屬人工林，喬木樹種均為無瓣海桑，其生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)相對其他天然紅樹林較簡單，生產(chǎn)力水平也相對較低，這是造成無瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳低于天然紅樹林的主要原因。有研究表明，紅樹林土壤有機(jī)碳和樹齡、潮位因素、樹種等都有密切的關(guān)系[24]，這些因素對于無瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳的影響都需要進(jìn)一步的深入研究。中山翠亨無瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳的垂直分布和潮位有密切關(guān)系，在高潮帶，土壤有機(jī)碳含量和密度均隨著土層深度的增加而不斷降低，而在中潮帶和低潮帶，土壤有機(jī)碳含量和密度均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，且變化幅度不大。土壤有機(jī)碳的垂分布和林下枯落物碳源的輸入、立地環(huán)境、潮汐等密切相關(guān)，這些復(fù)雜因子的存在是土壤有有機(jī)碳垂直分布特征在不同潮位帶出現(xiàn)差異的主要原因。

4.2 中山翠亨無瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳含量和土壤全氮、全磷、pH值存在極顯著關(guān)系

在本研究中，無瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳和全氮、全磷均呈極顯著正相關(guān)。在其他天然紅樹林土壤理化性質(zhì)的研究中，也均發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳和土壤全氮有極顯著正相關(guān)，但卻與土壤全磷呈極顯著負(fù)相關(guān)[19]；而袁彥婷等[25]對廣東、海南、廣西的紅樹林土壤有機(jī)碳和全氮、全磷關(guān)系的研究和本研究的結(jié)果一致。土壤中有機(jī)碳和全氮的來源基本一致，均主要來自植物枯枝落葉的分解[26]，而土壤有機(jī)碳和全磷的關(guān)系存在著一定的爭議，主要是因?yàn)橥寥乐腥缀窟€受到土壤質(zhì)地、機(jī)械組成等因素的強(qiáng)烈影響[27]，如有研究表明，粘粒土壤對顆粒態(tài)磷的吸附作用極強(qiáng)[19]，這些都是造成土壤全磷含量和土壤有機(jī)碳含量關(guān)系在不同地區(qū)存在差異的原因。

中山翠亨無瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳含量和土壤pH值間存在極顯著負(fù)相關(guān)，在森林生態(tài)系統(tǒng)和天然紅樹林生態(tài)系統(tǒng)中也同樣存在[20,25]。土壤pH值差異直接影響土壤微生物生長的環(huán)境，不同的pH值會(huì)導(dǎo)致不同的微生物種類、數(shù)量以及活性。一般認(rèn)為，強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性的環(huán)境都不利于微生物的生長，所以，在中性偏弱酸的環(huán)境下，土壤pH值越低，越有利于有機(jī)物質(zhì)的分解，土壤有機(jī)碳的含量也就越高，即土壤有機(jī)碳含量和土壤pH值表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。

需要指出的是，無瓣海桑是作為人工恢復(fù)紅樹林過程中的替代樹種，其只作為人工恢復(fù)紅樹林過程中的一部分，最終的恢復(fù)結(jié)果是鄉(xiāng)土紅樹植物的定居，且人工無瓣海桑在引種的過程中存在生物入侵風(fēng)險(xiǎn)以及后代再生困難等問題[28]。對紅樹林的恢復(fù)最好的方式是“引進(jìn)種＋鄉(xiāng)土種”，所以，在人工無瓣海桑林的研究過程中應(yīng)逐漸加入“引進(jìn)種＋鄉(xiāng)土種”這一配植模式。本文的研究主要聚焦于人工無瓣海桑林，所以，在后續(xù)的研究中應(yīng)加強(qiáng)這一方面的跟蹤調(diào)查，以期為紅樹林恢復(fù)提供更加實(shí)際科學(xué)的基礎(chǔ)素材，這些都是值得進(jìn)一步研究的課題。

5 結(jié)論

潮位因素對無瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳分布影響明顯，高潮帶無論是土壤有機(jī)碳含量還是有機(jī)碳碳儲(chǔ)量均高于中潮帶和低潮帶。通過對土壤有機(jī)碳含量和各種土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳的含量和土壤全磷、全氮、pH值的關(guān)系最密切，這些指標(biāo)可以用來預(yù)測人工無瓣海桑林的土壤有機(jī)碳分布。