不同類型的紅樹林土壤養(yǎng)分和生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征比較

陳粵超，王占印，許方宏，張　葦，吳志華

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不同類型的紅樹林土壤養(yǎng)分和生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征比較

陳粵超1，王占印2，許方宏1，張葦1，吳志華3＊

(1. 廣東湛江紅樹林國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，廣東湛江 524033；2. 江西省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃研究院，江西南昌 330046；3. 國家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心，廣東湛江 524022)

以廣東省湛江紅樹林保護(hù)區(qū)5個(gè)樹種類型的紅樹林土壤作為研究對象，分析比較其土壤養(yǎng)分及C、N、P、K生態(tài)化學(xué)計(jì)量比，探討不同紅樹林類型對土壤特性的影響。結(jié)果表明：不同類型紅樹林土壤pH值平均值為5.1，呈酸性，含鹽量高，土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富(有機(jī)碳平均值為59.1 g·kg-1)，土壤氮、磷、鉀元素含量高，紅樹林土壤肥力較高；紅樹林土壤的速效C/N、C/P、C/K、N/K平均值分別為636.6、1 626.1、18.0、2.4，相對其他陸生林分土壤較高；C/N、C/P、C/K大小排序均為：紅海欖＞秋茄＞木欖＞桐花樹＞白骨壤。不同樹種類型的紅樹林土壤性狀差異均顯著(<0.001)。土壤養(yǎng)分及土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比指標(biāo)經(jīng)主成分分析得到4個(gè)主成分指標(biāo)PC1?PC4，對主成分綜合指標(biāo)PCCI因子分析發(fā)現(xiàn)紅樹林類型、區(qū)組均對紅樹林土壤性狀均影響顯著，其中不同紅樹林植被類型是其土壤性質(zhì)差異的主要因素，各樹種紅樹林類型的土壤性質(zhì)綜合排序?yàn)椋杭t海欖＞秋茄＞桐花樹＞木欖＞白骨壤。

紅樹林；土壤養(yǎng)分；土壤特性；化學(xué)計(jì)量比；主成分分析

紅樹林(Mangrove)是生長于熱帶亞熱帶沿海潮間帶以特有的紅樹植物為主體的潮灘濕地木本生物群落植被，處于陸地生態(tài)系統(tǒng)與海洋生態(tài)系統(tǒng)過渡帶的一類特殊濕地生態(tài)系統(tǒng)，它具有促淤沉積、擴(kuò)大海灘、擴(kuò)堤防波、凈化水質(zhì)、保護(hù)生物多樣性等重要作用[1]。作為獨(dú)特的濕地生態(tài)系統(tǒng)，近年來得到人們對紅樹林保護(hù)與生態(tài)恢復(fù)的普遍重視[2]。

土壤是影響紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的重要影響因子，尤其是土壤營養(yǎng)狀態(tài)決定了紅樹林生長的好壞[2]，土壤特性不僅影響紅樹林植物群落的生態(tài)分布，對其生態(tài)系統(tǒng)功能也有重要影響[3]。土壤營養(yǎng)狀態(tài)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最直接的影響因子，其生產(chǎn)力常受土壤中關(guān)鍵養(yǎng)分如可利用量氮、磷的限制，植物的C/N和C/P大小一定程度上受土壤環(huán)境中氮和磷含量水平影響[4]。土壤速效氮、磷、鉀是植物生長發(fā)育所必需的、直接可用的元素，研究紅樹林土壤速效養(yǎng)分能反映出土壤的可供紅樹林植物生長發(fā)育的能力狀況。土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征是評價(jià)其林分土壤養(yǎng)分狀況和質(zhì)量的重要性指標(biāo)，對紅樹林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征比較與分析，可揭示其紅樹林土壤的主要特性及闡明紅樹林生態(tài)系統(tǒng)演變機(jī)制，對揭示土壤在土壤和紅樹林植物之間的再分配利用具有科學(xué)意義。目前關(guān)于紅樹林土壤養(yǎng)分的研究已有報(bào)道[2,5]，但涉及土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征相關(guān)的研究并不多。本研究以紅樹林土壤為研究對象，分析比較了不同類型紅樹林土壤養(yǎng)分、生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，以期為紅樹林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和恢復(fù)提供參考。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于雷州半島廉江高橋紅樹林區(qū)，高橋紅樹林屬于廣東湛江國家級(jí)紅樹林自然保護(hù)區(qū)的北緣，位于北部灣兩廣界河洗米河的英羅灣內(nèi)，紅樹林面積近800 hm2。紅樹林多呈灌木狀且呈現(xiàn)明顯的分帶特征，主要群落樹種為木欖()、秋茄()、桐花樹()、紅海欖()、白骨壤()等優(yōu)勢種以及海漆()和無瓣海桑()等，高潮位地帶生長著黃槿()等半紅樹植物及一些伴生植物[6]。

試驗(yàn)地位于雷州半島，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫22.8 ~ 23.4℃，年均水溫25 ~ 27℃?年均太陽總輻射4 500 ~ 5 600 MJ·m-2，年均降水量1 534.6 mm，集中在4—9月，時(shí)有雷雨、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣的襲擊?在雷州半島地區(qū)，經(jīng)常有4 ~ 6級(jí)的大風(fēng)，每年有5次以上8 ~ 12級(jí)臺(tái)風(fēng)登陸[7]?

2 研究方法

2014年3月分別在試驗(yàn)地選取立地條件相同的地段，依據(jù)紅樹林群落主要組成樹種，分別對木欖、秋茄、桐花樹、紅海欖、白骨壤5個(gè)主要樹種進(jìn)行隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)(表1)，每個(gè)樹種設(shè)置3個(gè)相同規(guī)格的樣方進(jìn)行生長調(diào)查，獲得各樣地內(nèi)林分生長情況(表1)，同時(shí)對群落樣地林進(jìn)行土壤調(diào)查，具體方法為：根據(jù)實(shí)際設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)地(表1)，按照對角線3點(diǎn)進(jìn)行1 ~ 20 cm取樣，最后對3個(gè)樣均勻混合，獲得不同樣地土層混合樣?分析項(xiàng)目為土壤pH值、鹽度、有機(jī)碳、堿解氮、速效磷、有效鉀、全氮、全磷、全鉀?具體分析測定方法[8]為：土壤pH值采用酸度計(jì)測定；有機(jī)碳含量重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定；土壤全氮量采用半微量凱氏法消化，自動(dòng)凱氏法(KDY—9830，KETUO)進(jìn)行測定；鉀量含量測定采用NaOH堿溶—火焰光度法分析測定，全磷采用鉬銻抗比色法測定，測量重復(fù)3次。分別就獲得的土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效磷和速效鉀4個(gè)指標(biāo)計(jì)算反映土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的C/N、C/P、C/K、N/K比值。

數(shù)據(jù)分析采用EXCEL 2003和SPSS 17.0對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，選用單因素方差分析法分析不同群落樹種的林地土壤理化性質(zhì)的影響；采用Duncan法進(jìn)行多重比較。

表1 紅樹林群落中主要樹種林分情況

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分變化情況

分別對5個(gè)紅樹林類型林地進(jìn)行15個(gè)樣地的0 ~ 20 cm表層混合土壤，進(jìn)行3個(gè)重復(fù)測量，得到表2數(shù)據(jù)，表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。不同樹種表土土壤養(yǎng)分性狀及含量表現(xiàn)出非常明顯的差異。由表2可知，紅樹林群落林地土壤pH值均低于6.0，均值為5.1。鹽度是影響紅樹植物生長的重要因素之一，高鹽度會(huì)明顯阻礙植物的發(fā)育，同樣，不適宜鹽度也會(huì)對紅樹植物生長有明顯的影響[9]，一般認(rèn)為，紅樹植物的生長發(fā)育需要一定的鹽度條件[10]，土壤鹽度能反映紅樹林可適生的環(huán)境條件。5個(gè)不同紅樹林樹種林地土壤鹽度介于1.1% ~ 5.4%，均值3.9%，土壤含鹽量較高，具有鹽漬化特征。

有機(jī)碳含量以紅海欖土壤最高，達(dá)到79.6 g·kg-1，白骨壤土壤最低，為38.6 g·kg-1，樹種平均值為59.1 g·kg-1，各樹種類型的土壤之間差異較大，且變異也較大。

依據(jù)堿解氮平均值大小，紅樹林類型依次為：木欖＞秋茄＞紅海欖＞桐花樹＞白骨壤，單因素方差分析表明：木欖與秋茄為一類，堿解氮顯著高于其他3個(gè)樹種類型，而且紅海欖與白骨壤之間差異顯著。土壤全N含量介于821.0 ~ 1 662.57 g·kg-1，均值1 133.6 g·kg-1。

紅樹林土壤中有效鉀和全鉀均很高，平均值分別為590.3 mg·kg-1和3 295 mg·kg-1，其中均以木欖含量最低，各樹種間土壤有效鉀比全鉀含量差異更明顯。紅樹林土壤中有效磷和全磷含量也達(dá)到豐富級(jí)別，平均值分別為42.5 mg·kg-1和390.7 mg·kg-1，其中均以桐花樹土壤含量最高，土壤有效磷和全磷在各樹種之間含量均差異明顯。

表2 不同類型的紅樹林林地土壤性狀情況

注：同行數(shù)字(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)后不同字母表示不同類型紅樹林間差異顯著(＜0.05)；下同。

對不同紅樹林類型的土壤各指標(biāo)進(jìn)行單因素方差比較，由表3發(fā)現(xiàn)土壤各指標(biāo)在不同類型間變化較大，除全鉀外，均達(dá)到0.05水平以上，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)各類型內(nèi)(重復(fù)區(qū)組間)各土壤指標(biāo)也存在著差異。

表3 不同類型的紅樹林林地土壤指標(biāo)方差分析表

3.2 土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征情況

圖1為不同類型紅樹林土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比，各類型土壤的C/N、C/P、C/K、N/K差異較大，且其變異系數(shù)也大。土壤C/N為478.1 ~ 990.3，平均值為636.6，平均變異系數(shù)22.30%，不同類型的 C/N 差異非常明顯(值=38.86，值=2.81×10-13)，依據(jù)C/N大小排序?yàn)椋杭t海欖＞秋茄＞木欖＞桐花樹＞白骨壤。土壤C/P平均值為1 626.1，不同類型的C/P差異顯著(值=18.49，值=1.13×10-8)，平均變異系數(shù)58.03%，各類型依據(jù)其大小排序與C/N排序一致。土壤C/K介于9.8 ~ 25.7，平均值為18.0，不同類型的C/K差異也顯著(值=74.40，值=5.54×10-18)，平均變異系數(shù)26.64%，各類型C/K大小排序順序與C/N、C/P一致，說明三者大小主要由有機(jī)碳含量所決定。土壤N/K平均值為2.4，平均變異系數(shù)44.67%，不同類型的C/K之間差異顯著(值=6.01，值=6.95×10-4)，各類型的C/K大小排序仍是紅海欖最大，桐花樹最小，大小排序?yàn)椋杭t海欖＞秋茄＞木欖＞白骨壤＞桐花樹。

圖1 不同類型紅樹林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比

3.3 紅樹林土壤特征的影響因素分析

為了更好地挖掘出不同類型紅樹林下的土壤特征，分別就本試驗(yàn)中獲得的土壤養(yǎng)分指標(biāo)以及土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的13個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分降維分析。結(jié)果獲得4個(gè)主成分PC1?PC4，如下表4。

表4 不同類型紅樹林林地土壤指標(biāo)主成分方差分析及矩陣表

表4是對因子載荷矩陣實(shí)行方差最大正交旋轉(zhuǎn)后的因子模型?？梢钥闯觯篜C1由土壤有機(jī)碳和生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征指標(biāo)組成，其主因子初始特征值超過了5.858；PC2由土壤速效氮、速效磷、速效鉀養(yǎng)分指標(biāo)組成，主因子載荷均分布于0.7左右；PC3主要因子指標(biāo)由土壤全氮、全磷、全鉀養(yǎng)分指標(biāo)組成，主因子載荷均超過0.5；PC4為土壤的綜合因子；而4個(gè)主成分對方差累計(jì)貢獻(xiàn)率超過了84.2%。因此可認(rèn)為這4個(gè)主成分因子是所需要的主因子。根據(jù)主成分分析結(jié)果，直接以構(gòu)建由4個(gè)PC1?PC4主成分組成的綜合指標(biāo)PCCI，分別對不同生長類型及不同區(qū)組重復(fù)之間進(jìn)行方差分析，結(jié)果如下表5的方差分析表和主成分PCCI方程：PCCI=?0.99A[1]+0.063A[2]? 0.32A[3]+3.24A[4]?0.44B[1]+0.96B[2]+1.06A[1]B[1]?0.035A[2]B[1]?0.40A[3]B[1]?0.44A[4]B[1]?0.55A[1]B[2]+0.88A[2]B[2]?0.48A[3]B[2]+ 0.21A[4]B[2]。

從表5可看出，所建立的模型非常有效(=306.06,<0.000 1)，能很好地解釋(R=0.993)因子的影響。發(fā)現(xiàn)紅樹林類型(因素A)和區(qū)組(因素B)兩因素對土壤性狀均有顯著性影響(<0.000 1)，除了紅樹林類型外，在重復(fù)區(qū)組間還存在著土壤性狀的差異，表明各類型土壤的理化因子受紅樹林類型植被影響外，還受到地形、底質(zhì)、潮汐等多因素的影響。從上述主成分PCCI方程的系數(shù)看(絕對值)，其中因素A(紅樹林類型)最大值為3.24，大于因素B(區(qū)組)最大值為0.96，說明因素A影響效應(yīng)大于因素B，即紅樹林類型是最重要的影響因素，同時(shí)發(fā)現(xiàn)因素A和因素B間存在著明顯的交互作用(<0.000 1)，且交互效應(yīng)(最大回歸系數(shù)為1.06)還強(qiáng)于因素B的主因子效應(yīng)。根據(jù)模型所獲得的主成分PCCI方程，最后計(jì)算出各樹種類型的土壤PCCI值，依據(jù)其大小排序?yàn)椋杭t海欖(3.239)＞秋茄(0.0627)＞桐花樹(?0.324)＞木欖(?0.988)＞白骨壤(?1.990)。

4 結(jié)論與討論

廣東湛江紅樹林國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)各類型的土壤pH值在5.1左右，土壤呈酸性，含鹽量高。土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富(有機(jī)碳平均值為59.1 g·kg-1)，土壤氮、磷、鉀元素含量高，紅樹林土壤肥力比較高，這與已有的文獻(xiàn)報(bào)道一致[3,5]。不同樹種類型的紅樹林之間土壤性狀差異均顯著。

土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征是土壤養(yǎng)分狀況和質(zhì)量的反映。速效氮、磷、鉀是植物生長發(fā)育所必需的元素，通過對土壤可直接利用土壤有機(jī)碳、氮、磷、鉀生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征分析，反映出紅樹林生長、生態(tài)環(huán)境狀況。本試驗(yàn)分析不同類型的紅樹林土壤的速效C/N、C/P、C/K、N/K平均值分別為636.6、1 626.1、18.0、2.4，高于其他陸生林分土壤，發(fā)現(xiàn)不同紅樹林類型間的差異很大(<0.001)。

經(jīng)主成分分析，土壤養(yǎng)分指標(biāo)及土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的13個(gè)指標(biāo)降維至4個(gè)主成分指標(biāo)PC1?PC4，分別為：由土壤有機(jī)碳和生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征指標(biāo)組成的PC1，由土壤速效養(yǎng)分(氮、磷、鉀)指標(biāo)組成PC2，由土壤潛在養(yǎng)分(全氮、全磷、全鉀)指標(biāo)組成的PC3，土壤特性綜合因子PC4。從第一主因子PC1組成指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征指標(biāo)能很好地反映紅樹林土壤的最主要特性。

本試驗(yàn)表明不同的紅樹林類型(因素A)、區(qū)組(因素B)均對土壤性狀均影響顯著，其中各類型紅樹林植被是其土壤性質(zhì)差異主要因素，最后綜合得出了紅樹林各類型的土壤性質(zhì)(FCCI值大小)排序。紅海欖土壤性質(zhì)顯著區(qū)別于其他紅樹林樹種類型，這可能與紅樹林植物生長狀況(如紅海欖生長高大且林分郁閉度高，而白骨壤生長低矮且林分郁閉度較小)等相關(guān)。研究表明，高生物量區(qū)域的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量高[11]，在熱帶亞熱帶氣候條件下，紅樹林是生長旺盛生態(tài)系統(tǒng)，其生物積累作用強(qiáng)烈[12]，因此紅樹林土壤有機(jī)質(zhì)和全氮以及C/N、C/P、C/K大小與其樹種林分的生物量高低相關(guān)，又由于地表植物與土壤養(yǎng)分之間存在相互促進(jìn)的作用關(guān)系[13]，即紅樹林林分的生長有利于土壤養(yǎng)分的累積，同時(shí)土壤養(yǎng)分的累積反之又促進(jìn)其生長，這就是本試驗(yàn)中紅樹林類型是影響土壤性質(zhì)的主要原因。同時(shí)分析得知紅樹林土壤還受地形、底質(zhì)、潮汐等區(qū)組所在區(qū)域多因素的影響，紅樹林土壤性質(zhì)是不同紅樹林類型和區(qū)域環(huán)境因素共同影響的結(jié)果。

[1] 林康英,張倩媚,簡曙光,等.湛江市紅樹林資源及其可持續(xù)利用[J].生態(tài)科學(xué),2006,25(3):222?225.

[2] 韓維棟,高旭東.湛江灣紅樹林土壤理化性質(zhì)的研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2013,29(31):27?31.

[3] 徐海,陳少波,張素霞,等.紅樹林土壤基本特征及發(fā)展前景[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(4):1496?1497,1504.

[4] Hogan E J, Minnullina G, Smith R I, et al. Effects of nitrogen enrichment on phosphatase activity and nitrogen: phosphorus relationships in[J]. New Phytologist,2010,186(4):911–925.

[5] 管東生,覃朝鋒.廣東和海南紅樹林的生物地球化學(xué)特征[J].熱帶亞熱帶土壤科學(xué),1998,7(4):267?271.

[6] 楊娟,Jay G,劉寶林,等.雷州半島紅樹林邊緣效應(yīng)及其對海岸有機(jī)碳庫的影響[J].海洋學(xué)報(bào)(中文版),2012,34(5): 161?168.

[7] 許方宏,吳曉東,陳粵超,等.雷州半島前沿惡劣潮間灘涂紅樹林造林樹種的選擇[J].防護(hù)林科技,2013,117(6):7?9.

[8] 張利麗,杜阿朋,劉國粹,等.不同整地方式尾巨桉林地土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[J].桉樹科技,2015,32(3):28?33.

[9] 廖巖,陳桂珠.鹽度對紅樹植物影響研究[J].濕地科學(xué), 2007,5(3):266?273.

[10] 王文卿,林鵬.鹽度對紅樹植物木欖生長的影響[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1999(2):273?279.

[11] Tian H, Chen G, Zhang C,et al. Pattern and variation of C: N:P ratios in China’s soils: a synthesis of observational data[J].Biogeochemistry,2009,98(1/3):139?151.

[12] 林鵬.中國秋茄林的生物量和元素循環(huán)[J].武漢植物學(xué)研究,1989,7(3):251?257.

[13] Jiao F, Wen Z M, An S S. Changes in soil properties across a chronosequence of vegetation restoration on the Loess Plateau of China [J].Catena,2011,86(2):110?116.

Studies on Soil Nutrients and Ecological Stoichiometry of Different Types of Mangroves

CHEN Yue-chao1, WANG Zhan-yin2, XU Fang-hong1, ZHANG Wei1, WU Zhi-hua3

(1.,524033,,; 2.,330046,,; 3.,524022,,)

Concentrations of the soil nutrients C, N, P and K and ecological stoichiometry of 5 mangrove forest tree species were studied in Zhanjiang Mangrove National Natural Reserve, Guangdong, to understand soil properties and effects of mangrove species. The results showed that: mangrove soils were highly acidic (mean pH = 5.1), salt levels are high, organic matter contents are also high with average organic carbon being 59 g kg-1, and soil fertility is also high with high levels of N, P and K. The ratios of key soil nutrients for C/N, C/P, C/K, and N/K were 636.6, 1,626.1, 18.0 and 2.4 respectively, which are markedly higher than most (dry) land ecosystems. Based on the ratios of C/N, C/P, C/K, mangrove species ranked from high to low were as follows>. All the soil characters were found to differ significantly between different mangrove types (<0.001). Data on soil nutrient and ecological stoichiometry ratio indicators were analyzed by the principal component analysis, and 4 principal component indexes (PC1-PC4) and a principal component comprehensive index (PCCI) obtained. The PCCIfactor analysis revealed that mangrove type was the most important factor affecting soil properties. Lastly soil properties of different mangrove forests were ranked by PCCIfrom high to low, this ordered them as follows:

mangrove forest; soil nutrient; soil property; ecological stoichiometry ratio; principal component analysis

S718.51+6

A

廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2013KJCX011－02，2015KJCX-022)

陳粵超(1970— )，男，大學(xué)，高級(jí)工程師，從事紅樹林自然保護(hù)區(qū)的研究與管理工作

＊吳志華為通訊作者