濱海紅樹林恢復(fù)對(duì)土壤碳氮磷含量及化學(xué)計(jì)量特征的影響

摘 要：為探究紅樹林恢復(fù)對(duì)土壤碳、氮、磷含量的影響，選擇福鼎市人工紅樹林濕地、天然紅樹林濕地以及養(yǎng)殖灘涂作為研究對(duì)象，開展原位和室內(nèi)分析，以探討紅樹林恢復(fù)對(duì)于土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)的影響。結(jié)果表明：（1）相比于天然紅樹林濕地，人工紅樹林恢復(fù)提升了土壤氮磷含量，同 時(shí)其碳含量也恢復(fù)到了天然紅樹林濕地的水平。（2）不同濕地類型間，養(yǎng)殖灘涂土壤的碳儲(chǔ)量和磷儲(chǔ)量最高，相比于天然紅樹林濕地，人工紅樹林恢復(fù)提升了土壤氮和磷儲(chǔ)量。（3）不同濕地類型土壤碳氮磷比，總體表現(xiàn)為碳磷比＞碳氮比＞氮磷比；碳氮比為養(yǎng)殖灘涂＞天然紅樹林＞人工紅樹林，碳磷比和氮磷比為天然紅樹林＞人工紅樹林＞養(yǎng)殖灘涂。研究顯示，隨著紅樹林的恢復(fù)，其生態(tài)功能逐漸恢復(fù)到天然紅樹林的水平，但其碳儲(chǔ)量相較于養(yǎng)殖灘涂并沒有太大的優(yōu)勢(shì)。未來應(yīng)開展更長(zhǎng)時(shí)間尺度的觀測(cè)與研究，以厘清紅樹林恢復(fù)調(diào)控土壤碳和養(yǎng)分動(dòng)態(tài)的過程與機(jī)制。關(guān)鍵詞：紅樹林恢復(fù)；濱海濕地；碳儲(chǔ)量；土壤養(yǎng)分；福鼎

中圖分類號(hào)：S718.5" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號(hào)：0253?2301（2024）03?0045?06

DOI：10.13651/j.cnki.fjnykj.2024.03.009

Effects of the Coastal Mangrove Restoration on the Soil Carbon， Nitrogen and Phosphorus Content and Stoichiometric Characteristics

ZHANG Dian-quan

（Fuding Center of Forestry Development / Fuding Forestry Bureau， Fuding， Fuijian 355200， China）

Abstract： In order to explore the effect of mangrove restoration on the soil carbon， nitrogen and phosphorus contents， the artificial mangrove wetland， natural mangrove wetland and aquaculture tidal flat in Fuding City were selected as the research objects， and the in-situ and laboratory analysis was carried out to explore the effect of mangrove restoration on the soil nutrient dynamics. The results showed that：（1） Compared with the natural mangrove wetlands， the restoration of artificial mangrove increased the soil nitrogen and phosphorus contents， and its carbon content of soil also returned to the level in the natural mangrove wetlands.（2） Among different wetland types， the carbon and phosphorus storage of soil in the aquaculture tidal flats were the highest. Compared with the natural mangrove wetland， the restoration of artificial mangrove increased the soil nitrogen and phosphorus storage.（3） The ratio of carbon， nitrogen and phosphorus in soil among different wetland types generally followed the pattern： carbon- phosphorus ratio＞ carbon-nitrogen ratio＞ nitrogen-phosphorous ratio. The carbon-nitrogen ratio of soil was the highest in the aquaculture tidal flats， followed by the natural mangroves and artificial mangroves. The carbon- phosphorus ratio and nitrogen-phosphorous ratio of soil were the highest in the natural mangroves， followed by the artificial mangroves and aquaculture tidal flats. The studies have shown that with the restoration of mangroves， their ecological functions have gradually returned to the level of natural mangroves， but their carbon storage was not much better than that of aquaculture tidal flats. In the future， the longer time-scale observation and research should be carried out to clarify the process and mechanism of mangrove restoration in regulating the soil carbon and nutrient dynamics. Key words： Mangrove restoration；Coastal wetland；Carbon storage；Soil nutrients；Fuding City

紅樹林是一種生長(zhǎng)在熱帶和亞熱帶海岸潮間帶的木本植物，由于其所處的高鹽和厭氧等環(huán)境，使其擁有巨大的固碳潛力。20世紀(jì)以來，人為破壞疊加自然干擾，使全球紅樹林面積減少約1/3，并且還在以每年約0.13%的速度繼續(xù)減少[1?2]。在中國(guó)，紅樹林面積經(jīng)歷了先減少后增加的趨勢(shì)[3]，大部分紅樹林被砍伐或被圍墾養(yǎng)殖[4]。隨著人們生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提升，全球范圍內(nèi)開展了系統(tǒng)的紅樹林恢復(fù)和研究工作。其中，人工紅樹林恢復(fù)是主要模式，具體包括紅樹林混種、控制種植密度、不同高程種植等措施[5?7]。但先前研究主要關(guān)注紅樹林恢復(fù)模式及生長(zhǎng)情況，對(duì)于恢復(fù)后紅樹林土壤碳儲(chǔ)量和養(yǎng)分動(dòng)態(tài)的影響尚未明確。

紅樹林恢復(fù)后可以顯著改變土壤的理化性質(zhì)，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分動(dòng)態(tài)。一般認(rèn)為，紅樹林恢復(fù)有利于改善土壤環(huán)境，調(diào)節(jié)了土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)[8]。碳氮磷是土壤中的常見元素，對(duì)于維持土壤性狀和植物生長(zhǎng)具有重要意義。紅樹林恢復(fù)雖然導(dǎo)致土壤酸化和積鹽，但也帶來了碳氮磷的積累[7，9]。也有研究表明，紅樹林恢復(fù)提高了土壤碳和氮的含量，但是對(duì)磷的影響不顯著[10?11]。土壤的化學(xué)計(jì)量比對(duì)于土壤環(huán)境具有重要的指示意義，碳︰氮比可揭示土壤的腐化程度，高碳氮比有利于紅樹林生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳的進(jìn)一步固存[11]。土壤中磷的可利用性也與碳磷比和氮磷比有關(guān)，適宜的化學(xué)計(jì)量比有利于改善土壤環(huán)境、提高植物生產(chǎn)力。因此，對(duì)于紅樹林恢復(fù)后土壤碳氮磷元素的測(cè)定有利于了解紅樹林的生長(zhǎng)狀況，維護(hù)紅樹林生態(tài)系統(tǒng)安全，并為土壤養(yǎng)分管理提供指導(dǎo)。

福鼎市是我國(guó)紅樹林自然分布的最北界，歷史上由于圍墾養(yǎng)殖等活動(dòng)，紅樹林面積大幅度減少。近年來，隨著紅樹林恢復(fù)工作有序推進(jìn)，紅樹林的面積得到明顯增加。為研究紅樹林恢復(fù)對(duì)土壤碳、氮、磷的影響，選擇人工紅樹林濕地、天然紅樹林濕地以及養(yǎng)殖灘涂，通過測(cè)定土壤碳氮磷含量及儲(chǔ)量特征，評(píng)估紅樹林恢復(fù)對(duì)區(qū)域土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)的影響，研究結(jié)果可為紅樹林生態(tài)恢復(fù)模式選擇及養(yǎng)分管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

福建省福鼎市位于福建東北部沿海地區(qū)，為亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。氣候濕潤(rùn)多雨，年均氣溫18.5℃ ， 年均降水量1710 mm 。潮汐為半日潮，1 d 內(nèi)兩次漲落潮。紅樹林以土著種秋茄為優(yōu)勢(shì) 種，分為天然紅樹林和人工紅樹林，呈“點(diǎn)塊狀”分布于沙埕灣及其內(nèi)灣。福鼎市現(xiàn)有的紅樹林主要 分布于前岐、佳陽、店下等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，并設(shè)有柯灣、巽 城和羅唇3處紅樹林保護(hù)小區(qū)。本次采樣位于柯灣 紅樹林保護(hù)小區(qū)，共選取天然紅樹林濕地、人工紅 樹林濕地以及養(yǎng)殖灘涂3種濕地類型。采樣點(diǎn)之間 相距不遠(yuǎn)，高程、水文、鹽度等環(huán)境條件較為一致。

1.2 樣品采集與處理

2023年4月，分別在人工紅樹林濕地、天然紅樹林濕地、養(yǎng)殖灘涂進(jìn)行土壤樣品采集。在每個(gè)濕地，分別設(shè)置4個(gè)10 m×10 m 的樣方（4個(gè)重復(fù)），每個(gè)樣方內(nèi)按“S ”型采集3～5個(gè)土壤柱狀樣，分層混勻后作為一個(gè)樣品。采樣深度為80 cm，按20 cm分隔成4層，共采集48份土壤樣品。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，經(jīng)自然晾干、研磨，進(jìn)行土壤碳氮磷含量測(cè)定。土壤碳氮用碳氮元素分析儀（ Elementer Vario MAX CN ， Germany）測(cè)定，土 壤全磷用荷蘭 Skalar公司 SAN++型流動(dòng)注射分析儀測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行方差齊次性檢驗(yàn)和正態(tài)分布檢驗(yàn)。利用單因素方差分析（ one-way ANOVA ）評(píng)估不同濕地類型土壤碳氮磷含量、儲(chǔ)量以及化學(xué)計(jì)量比的差異。利用 Excel 2019和 SPSS 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與方差分析，利用 Origin 2022繪圖。土壤碳氮磷儲(chǔ)量的計(jì)算參考馬維偉等[12]計(jì)算公式：

式中：P 為所要計(jì)算的元素的儲(chǔ)量（ g·m?2）；Hi為土層高度（ cm ），本層中一層的高度為20 cm； di為所測(cè)元素的含量（ g·kg?1）； bi為土壤容重 （ g·cm?3）；n 為土層數(shù)（4）。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工紅樹林恢復(fù)對(duì)濕地土壤碳氮磷含量的

影響由圖1可知，不同濕地土壤全碳含量介于7.88～18.28 g·kg?1，同一土層大體表現(xiàn)為養(yǎng)殖灘涂高于紅樹林濕地，但未達(dá)到顯著性水平（圖1a）。土壤全氮含量介于0.50～1.24 g·kg?1，人工紅樹林濕地在20～40 cm 和60～80 cm 土層顯著高于天然紅樹林濕地（ r＜0.05），但與養(yǎng)殖灘涂無顯著差異。土壤全磷含量介于390.37～773.51 mg·kg?1，養(yǎng)殖灘涂在不同土層均顯著高于天然和人工紅樹林濕地（ r＜0.05），人工紅樹林濕地在不同土層均顯著高于天然紅樹林濕地（ r＜0.05）。垂直方向上，土壤全碳和全磷含量在不同土層均表現(xiàn)為表層最高，隨土層深度增加而逐漸降低。土壤全氮含量在養(yǎng)殖灘涂和天然紅樹林濕地隨土層深度先降低后增加再降低，在人工紅樹林濕地則隨深度逐漸降低。相比于天然紅樹林，人工紅樹林恢復(fù)提升了土壤氮磷含量，同時(shí)其碳含量也恢復(fù)到了天然紅樹林濕地的水平。

2.2 人工紅樹林恢復(fù)對(duì)濕地土壤碳氮磷儲(chǔ)量的影響

由圖2可知，不同濕地土壤碳儲(chǔ)量介于1510.56～3257.63 g·m?2，養(yǎng)殖灘涂的土壤總碳儲(chǔ)量最高，為8139.91 g·m?2，天然和人工紅樹林濕地的總碳儲(chǔ)量差異不大，分別為7004.18g·m?2和 7156.47g·m?2。養(yǎng)殖灘涂和天然紅樹林濕地碳儲(chǔ)量隨深度增加呈現(xiàn)先增加后降低再增加的趨勢(shì)，而人工紅樹林則相反。土壤氮儲(chǔ)量介于96.72～212.45 g·m?2，人工紅樹林濕地土壤總氮儲(chǔ)量最大（637.91 g·m?2），養(yǎng)殖灘涂和天然紅樹林濕地分別為587.09 g·m?2和570.22 g·m?2。養(yǎng)殖灘涂和天然紅樹林濕地氮儲(chǔ)量隨深度增加呈現(xiàn)先降低后增加再降低的規(guī)律，而人工紅樹林濕地垂直變化不明顯。土壤磷儲(chǔ)量介于72.25～132.08 g·m?2，養(yǎng)殖灘涂總磷儲(chǔ)量最高（474.77 g·m?2），人工和天然紅樹林濕地分別為393.38 g·m?2和340.35 g·m?2。養(yǎng)殖灘涂磷儲(chǔ)量在不同土層變化不大，天然紅樹林濕地土壤磷儲(chǔ)量隨深度先增加后降低而后趨于穩(wěn)定。人工紅樹林恢復(fù)顯著提升了土壤的氮儲(chǔ)量，養(yǎng)殖灘涂由于經(jīng)常性的各種有機(jī)物的投入，使得其碳和磷儲(chǔ)量都偏高。

2.3 人工紅樹林恢復(fù)對(duì)濕地土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量比的影響

由圖3可知，不同濕地土壤碳氮比介于8.41～23.62（圖3），在0～60 cm 深度內(nèi)無顯著差異，在60～80 cm 土層養(yǎng)殖灘涂和天然紅樹林濕地土壤碳氮比顯著高于人工紅樹林濕地（ r＜0.05）。土壤碳磷比介于12.33～27.48，不同濕地不同土層均無顯著差異。土壤氮磷比介于0.91～2.40，天然紅樹林濕地在不同土層均高于養(yǎng)殖灘涂，人工紅樹林濕地土壤氮磷比在20～40 cm 和60～80 cm顯著高于養(yǎng)殖灘涂（r＜0.05）。

3 討論

3.1 紅樹林恢復(fù)對(duì)土壤碳氮磷含量和儲(chǔ)量的影響

人工紅樹林恢復(fù)可以顯著改變土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而影響沉積物中的元素循環(huán)。本研究中，人工紅樹林濕地土壤碳含量表現(xiàn)出由表層向下遞減的趨勢(shì)，碳儲(chǔ)量的最高值（1831.85 g·kg?1）出現(xiàn)在 0～20 cm 土層。這表明，隨著紅樹林的恢復(fù)，其影響范圍由表層向下延伸，這與其他研究結(jié)論相同[13]。人工紅樹林恢復(fù)一段時(shí)間后，其土壤碳儲(chǔ)量可以恢復(fù)到附近成熟天然紅樹林的水平[14]。本研究中，人工和天然紅樹林濕地的碳儲(chǔ)量相似，分別為7156.47 g·m?2和7004.18 g·m?2，這表明經(jīng)過人工紅樹林長(zhǎng)時(shí)間的恢復(fù)影響，人工紅樹林對(duì)土壤碳的封存能力已經(jīng)達(dá)到了天然林的水平。而養(yǎng)殖灘涂的碳儲(chǔ)量最高（8139.91 g·m?2），這可能是由于養(yǎng)殖過程大量的動(dòng)物殘?bào)w以及糞便堆積，過量的有機(jī)物質(zhì)沉淀、分解使碳儲(chǔ)量增加。然而，相比于被認(rèn)為是碳匯的紅樹林濕地，養(yǎng)殖灘涂土壤的碳穩(wěn)定性則較差，受到影響后極易從土壤中向周圍環(huán)境流失。已有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把紅樹林圍墾為養(yǎng)蝦塘后，可造成其上層土壤60%～90%的碳損失[15]。同時(shí) ，由于缺少植被的保護(hù)，土壤受到擾動(dòng)后會(huì)向環(huán)境中流失大量的碳[16]，且養(yǎng)殖灘涂存在定期清淤的行為，大量的底泥被挖走會(huì)造成大量的碳損失。此外，從溫室氣體排放的角度看，水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)的擴(kuò)大使得土壤總二氧化碳當(dāng)量增加了約1.6倍，養(yǎng)殖灘涂碳庫土壤有著較高的碳儲(chǔ)量，同時(shí)也伴隨著較高的礦化量和溫室氣體排放[17]，是不穩(wěn)定的碳暫時(shí)儲(chǔ)存庫。

氮是植物生長(zhǎng)必不可缺的元素[18]。本研究中人工紅樹林濕地20～40 cm 和60～80 cm 土層的氮含量顯著高于天然紅樹林濕地，總氮儲(chǔ)量也高于其他濕地，表明紅樹林恢復(fù)后顯著提升了土壤的氮含量及儲(chǔ)量。人工紅樹林濕地土壤20～40 cm 和60～80 cm 土層氮含量明顯高于其他濕地，表明紅樹林恢復(fù)后根系分泌物以及死亡細(xì)根的分解增加了底層土壤氮含量。死細(xì)根生物量占地下總生物量的比重較大，分解后能夠?yàn)橥寥姥a(bǔ)充氮等元素[19]。鄧俊等[6]研究結(jié)果也表明，紅樹林的恢復(fù)促進(jìn)了根際土壤氮元素的積累，因此可以為土壤貢獻(xiàn)較多的氮素。此外，由于采樣點(diǎn)之間距離較近，養(yǎng)殖灘涂中養(yǎng)分隨潮汐水流向周圍的輸出可能也是重要的氮源之一。

在磷的儲(chǔ)量及含量上，養(yǎng)殖灘涂每層的含量均顯著大于天然和人工紅樹林濕地，且總儲(chǔ)量也最大。養(yǎng)殖灘涂臨近海蠣竹排，接受大量有機(jī)物質(zhì)的輸入。同時(shí)高密度的生物會(huì)產(chǎn)生大量的代謝物及死亡殘?bào)w，過量的飼料投放，以及外源輸入等，進(jìn)一步增加了養(yǎng)殖灘涂的有機(jī)質(zhì)含量。有研究表明磷的含量與有機(jī)質(zhì)密切相關(guān)[20]，濕地土壤中有機(jī)質(zhì)的積累還是磷滯留的重要途徑[21]，因而使得養(yǎng)殖灘涂具有最高的磷含量及儲(chǔ)量，這同時(shí)也加劇了水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。人工紅樹林濕地的磷儲(chǔ)量及含量高于天然紅樹林濕地，表明紅樹林的恢復(fù)也促進(jìn)了根際土壤磷元素的積累[6]。

3.2 紅樹林恢復(fù)對(duì)土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量比的影響

土壤化學(xué)計(jì)量比對(duì)于反映植物生長(zhǎng)狀況和土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)具有重要意義。本研究中，人工紅樹林濕地土壤的碳氮比介于9.84～13.46，總體低于養(yǎng)殖灘涂和天然紅樹林濕地，與中國(guó)土壤碳氮比的平均值（11.9）相近[22]。這和碳氮含量的變化相關(guān)，相比于碳含量，人工紅樹林濕地氮含量顯著高于養(yǎng)殖灘涂和天然紅樹林。紅樹林恢復(fù)顯著增加了氮含量，而對(duì)碳含量的影響較弱，從而使得其碳氮比較低。另外，沉積物的碳氮比在一定程度上可以反映有機(jī)質(zhì)的來源，低的碳氮比表明其有機(jī)質(zhì)來源于海洋微藻的可能性較大[23]。這表明藻類來源的有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤氮含量的增加影響較大，而在采樣點(diǎn)也發(fā)現(xiàn)地表覆蓋有許多綠色藻類，這與實(shí)際情況一致。

研究區(qū)各濕地土壤碳磷比介于12.33～27.48，人工紅樹林濕地土壤的碳磷比介于16.30～19.44，低于中國(guó)土壤的平均值（61）[22]。較低的碳磷比表明土壤磷的有效性高，有利于促進(jìn)微生物分解有機(jī)質(zhì)和釋放養(yǎng)分，并能促進(jìn)土壤有效磷含量增加[24]。氮磷比在人工紅樹林濕地、天然紅樹林濕地以及養(yǎng)殖灘涂分別介于1.39～1.80、1.24～2.40和0.91～2.36，總體在天然紅樹林濕地較高，但均低于中國(guó)其他地方的氮磷比[25]。研究表明氮磷比小于14指示土壤可能受到氮的限制[26]，這指示研究區(qū)域土壤可能存在著氮限制，紅樹林需要更多的氮以此來維持其生態(tài)化學(xué)計(jì)量平衡。

4 結(jié)論

紅樹林的恢復(fù)伴隨著對(duì)土壤的改造過程。本研究中，人工恢復(fù)的紅樹林濕地土壤碳含量及儲(chǔ)量已經(jīng)恢復(fù)到天然林濕地的水平。并且隨著紅樹林的不斷生長(zhǎng)，大量的物質(zhì)輸入，從而提高了土壤碳、氮、磷的含量和儲(chǔ)量，尤其是對(duì)氮的增加較為顯著。土壤的碳磷比和氮磷比較低，表明研究區(qū)可能受到了氮的限制，因此紅樹林恢復(fù)對(duì)區(qū)域土壤的碳氮磷元素平衡具有調(diào)節(jié)作用。

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（責(zé)任編輯：柯文輝）