湛江紅樹林濕地沉積物有機碳分布特征及影響因素

劉大路 石紅才 晏豐鈺 許人中 莫鈺謀

摘要：紅樹林生態(tài)系統(tǒng)位于海洋與陸地的交界處，具有重要的生態(tài)服務(wù)功能。紅樹林濕地是重要的碳庫，對全球碳平衡有重要影響。然而，由于受到人口增長、社會經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程加快等人類活動和全球氣候變化的影響，紅樹林正在加速消失。文章以廣東湛江市國家級紅樹林自然保護區(qū)為研究區(qū)，通過分析紅樹林沉積物中的有機碳含量及分布特征，討論人類活動（如，人工養(yǎng)殖）在濕地碳循環(huán)中的影響。本研究在研究區(qū)內(nèi)獲取15個樣品，利用重鉻酸鉀氧化—還原容量法測定了沉積物中有機碳含量。結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)沉積物有機碳（TOC）含量介于 0.68%～2.50% ，同時TOC含量與研究區(qū)內(nèi)人工養(yǎng)殖場排污口的距離有密切關(guān)系：離排污口越近，TOC值越低;離排污口越遠，TOC值越高。此外，研究區(qū)內(nèi)紅樹林TOC含量與其他紅樹林濕地TOC含量相比明顯偏低，可能與養(yǎng)殖排污抑制紅樹林的生長和繁殖，從而使其TOC含量明顯減少有關(guān)。

關(guān)鍵詞：有機碳（TOC）含量;紅樹林;分布特征;養(yǎng)殖排污;湛江東海島

中圖分類號：P76文獻標志碼：A文章編號：1005-9857（2019）05-0067-06

Distribution of Soil Organic Carbon in Mangrove Wetlands of Zhanjiang and Its Influencing Factors

LIU Dalu1，2，SHI Hongcai1，2，YAN Fengyu1，2，XU Renzhong1，2，MO Yumou1，2

（1.Guangdong Province Key Laboratory for Coastal Ocean Variation and Disaster Prediction，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China;2.Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China）

Abstract：Mangrove ecosystem is located at the junction of ocean and land，and has important ecological service functions.Mangrove wetland is an important carbon pool，which has important impact on global carbon balance.However，mangroves are rapidly disappearing due to global climate change and human activities，such as population growth，socio-economic development and accelerated urbanization.Therefore，this study took the Zhanjiang Mangrove National Nature Reserve，Guangdong as the research area，discussed the impact of human activities （such as artificial cultivation） on the carbon cycle in wetlands，by analyzing the content and distribution characteristics of organic carbon in mangrove sediments.15 samples were obtained in the study area，based on the potassium dichromate oxidation reduction capacity method，the content of organic carbon in sediments was measured.The results showed that the content of organic carbon （TOC） in the study area was between 0.68% ～ 2.50%，at the same time，the TOC content was closely related to the distance from the sewage outlet of the artificial aquaculture farm in the study： The closer to the sewage outlet，the lower the TOC value;the farther away from the sewage outlet，the higher the TOC value.In addition，the TOC content of mangrove in the study area was significantly lower than that of other mangrove wetlands TOC content，which may be related to the inhibition of mangrove growth and reproduction by sewage from aquaculture，so that the TOC content of mangrove decreased significantly.

Key words：Soil organic carbon content，Mangrove forest，Distribution pattern，Aquaculture sewage，Zhanjiang Donghai Island

0引言

天然濕地是地球上固碳能力最強的生態(tài)系統(tǒng)[1]，占全球陸地面積1.4%的天然濕地，其碳儲量約占全球陸地碳庫的12%～20%[2]，作為全球碳循環(huán)的重要組成部分，紅樹林濕地已成為重要研究區(qū)域;同時濕地沉積物中碳密度極高[3]，且對氣候變化和人類活動反應(yīng)敏感[4]，因此濕地有機碳儲量和影響因素的研究成為當前濕地生態(tài)學的熱點問題[5]。濕地沉積物中90%的碳以土壤有機碳形式存在，因此關(guān)于沉積物有機碳含量、分布特征、變化趨勢以及人類活動對其影響等方面的研究得到廣泛關(guān)注[6]。國內(nèi)學者多在紅樹林沉積物的沉積率[7-8]、呼吸速率與碳輸出[9-10]、紅樹林系統(tǒng)的生物多樣性[11-12]、重金屬污染[13-14]等方面進行研究，而紅樹林濕地有機碳的研究起步相對比較晚，紅樹林的固碳能力[9]、有機碳分布規(guī)律及影響因素[15-16]、碳儲量[17-18]、理化性質(zhì)[19-20]等均取得了不同程度的認識。紅樹林作為一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，某個因素的改變都會發(fā)生相應(yīng)的變化。從研究結(jié)果可以看出，有機碳的分布具有極高的變異性，受到土地利用、成土母質(zhì)、土壤類型、植被類型、氣候條件、人類活動等因素的綜合影響。目前相關(guān)的研究在熱帶、亞熱帶海岸帶的紅樹林濕地卻不多[15]。

廣東沿海紅樹植物資源豐富，是重要的海岸防護林;紅樹植物獨特的板狀根、支柱根和膝狀根在防風消浪的同時，也固持了大量土壤，蓄積了大量土壤有機碳。 據(jù)統(tǒng)計，受到海岸帶開發(fā)、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及圍墾等多方面的影響，全球紅樹林面積在過去50年減少30%～50%。廣東湛江市國家級紅樹林自然保護區(qū)紅樹林植被覆蓋度高，在東海島大堤紅樹林有較大面積人工養(yǎng)殖場，是一個研究人工水產(chǎn)養(yǎng)殖與紅樹林濕地沉積物相關(guān)參數(shù)（TOC）的相關(guān)性的良好研究區(qū)域。因此，本研究擬通過在研究區(qū)內(nèi)利用重鉻酸鉀氧化—還原容量法（國標法）測紅樹林濕地沉積物中有機碳含量，分析其分布特征及分布規(guī)律，同時根據(jù)與其他區(qū)域?qū)Ρ忍接懣赡艽嬖诘挠绊懸蛩丶捌渑c人工養(yǎng)殖等人類活動之間的相關(guān)性，為紅樹林保護以及科學管理提供科學依據(jù)。

1材料和方法

1.1研究區(qū)概況

紅樹林是熱帶、亞熱帶潮間海岸帶的特殊植被群落，主要分布于淤泥質(zhì)海岸帶，是具有重要生態(tài)功能的海岸帶濕地生態(tài)系統(tǒng)，在我國自然分布于海南、廣東、廣西、福建沿海。本研究區(qū)域位于我國現(xiàn)存紅樹林面積最大的一個自然保護區(qū)——廣東湛江市國家級紅樹林自然保護區(qū)。研究區(qū)內(nèi)東海島大堤紅樹林種屬以無瓣海桑為主，覆蓋面積比例較高，且周圍有較多的水產(chǎn)養(yǎng)殖場。廣東湛江處于北亞熱帶季風型海洋性氣候，受季風氣候和海洋氣候影響較大，年平均氣溫 23℃，最高氣溫38℃，最低氣溫15℃。年平均降雨量為1 700～1 800 mm，干濕季節(jié)明顯，降雨集中在 5—9 月，也是臺風暴雨季節(jié)，多有雷暴。潮汐屬于不正規(guī)日潮為主的混合潮型，大潮汛期為全日潮，月平均22 d，小潮為半日潮，月平均為8 d;平均潮差2.53 m，最大潮差6.25 m。海水年均溫23.5℃[16]。

1.2材料與方法

1.2.1沉積物取樣策略

采樣時間為2016年11月。采樣地點位于廣東省湛江市麻章區(qū)，采用隨機取點和重點加密取點的方法取樣，并用GPS進行定位（圖1）。在廣東湛江市國家級紅樹林自然保護區(qū)，麻章區(qū)紅樹林附近進行隨機取樣及在養(yǎng)殖排污口區(qū)域進行密集取樣。

1.2.2取樣方法及預(yù)處理

采集紅樹林表層沉積物，裝入密封袋中，并做好標記。在自然通風的情況下，風干。去除土樣中的動植物殘體，石塊等雜物，手工研磨，用四分法取出，過 80目尼龍篩網(wǎng)，裝入密封袋，準備實驗。

1.3實驗方法及結(jié)果

本次實驗按照海洋監(jiān)測規(guī)范的要求用重鉻酸鉀氧化—還原容量法測沉積物中有機碳含量。先稱取 0.2 g左右的風干的沉積物樣品于試管中，加入 0.1 g硝酸銀，再加入 10.00 ml重鉻酸鉀—硫酸標準溶液。然后將試管放置于 185℃～ 190℃的油浴鍋中，于 170℃～ 180℃加熱，待試管內(nèi)溶液沸騰 5min后，取出試管。然后將試管內(nèi)溶液和殘渣倒入 250 mL錐形瓶中，沖洗干凈試管，加入 5 ml磷酸溶液，然后用硫酸亞鐵標準溶液滴定至黃色大部分褪去，加入 2 ～3 滴苯基代鄰氨基苯甲酸溶液，繼續(xù)滴定至溶液由紫色蛻變到綠色，即為滴定終點。最后按式（1）計算沉積物有機碳（TOC）含量：

TOC含量（%）=[SX（]

[（V1-V2）×c×0.003 0][]M×[1-wH2O]×100（1）

式中：c為硫酸亞鐵標準溶液濃度，單位為mol/L;V1為測定空白樣品時，硫酸亞鐵溶液的用量，單位為mL;V2為測定樣品時，硫酸亞鐵溶液的用量，單位為mL;M為樣品的稱取量，單位為g;WH2O為風干樣品的含水率，單位為%。

本研究嚴格按照上述測試方法及流程，對每個樣品進行平行雙樣處理，所得結(jié)果取平均值。測試結(jié)果如表1所示。

2分析與討論

紅樹林下土壤屬于酸性硫酸鹽土類型，是紅樹植物下發(fā)育形成的一類特殊土壤。紅樹林濕地中的有機碳來自海洋、陸地和自身生產(chǎn)，其中凋落物以及根系更新是其重要來源，也有研究認為是主要來自海洋藻類、菌類以及人類活動等[21]。影響濕地有機碳的因素有氣候、地形、潮汐等非生物因素和植物的功能特征及微生物活動等生物因素。

紅樹林濕地有機碳含量差異大，從不足0.5%～40%，平均2.2%[22]。有學者認為高溫帶來更高的有機碳降解率，有機碳含量隨著年溫度的增高而降低[23]。我國紅樹林沉積物有機碳含量0.12%～14.5%，平均3.05%±0.8%。本研究區(qū)15個樣點的沉積物有機碳含量為0.67%～2.52%，平均0.68%～2.50%，全部樣品有機碳平均含量為1.15%。本研究區(qū)沉積物的有機碳含量相對較低，仍高于地帶性土壤0.87%的結(jié)果，與前人研究結(jié)果類似。湛江市紅樹林自然保護區(qū)內(nèi)不同區(qū)塊內(nèi)沉積物有機碳含量變化比較小，介于0.21%～3.69%，有機碳平均含量為1.28%[16]，總體上，本研究數(shù)據(jù)與湛江紅樹林其他樣點相似。

在湛江東海島紅樹林區(qū)內(nèi)有較大面積魚塘養(yǎng)殖。通過分析本研究樣點數(shù)據(jù)TOC含量與魚塘排污口距離的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，在人工養(yǎng)殖場附近的內(nèi)沉積物有機碳含量總體上較低（表1），兩者之間具有明顯的相關(guān)性（圖2）。

前人研究表明，紅樹林和水產(chǎn)養(yǎng)殖相輔相成、互相促進[31]，紅樹林對于人工污水的凈化有一定的作用[32]，而人工污水在很大范圍內(nèi)對于紅樹林的生長有促進作用，而且在超過紅樹林適應(yīng)范圍時，對紅樹林具有抑制作用[33]，本研究實驗結(jié)果可能與此有關(guān)，人工養(yǎng)殖排污作用正處于有效地抑制了紅樹林快速生長的范圍，從而減少了其有機碳來源。為了驗證其相關(guān)性，根據(jù)本研究在站位排污口及附近站位不同距離進行加密取樣分析。其中zjh1、zjh2、zjh5、zjh6、zjh9、zjh10為排污口，其TOC含量比排污口周邊區(qū)域zjh3、zjh4、zjh7、zjh8站位更低。在圖2中可以明顯看出，隨著排污口距離的遠近，TOC含量呈現(xiàn)出有規(guī)律性的變化，排污口的TOC平均含量為附近區(qū)域的64%。經(jīng)常性的魚塘換水，也會造成土壤溶解性碳和部分顆粒碳的流失，即增大了有機碳的輸出量;圍墾而成的農(nóng)田和開挖的魚塘的pH值都明顯下降，東海島紅樹林區(qū)酸化現(xiàn)象明顯[24]，也可能說明了研究區(qū)內(nèi)魚塘養(yǎng)殖對紅樹林系統(tǒng)具有一定的影響。這表明：一方面人工養(yǎng)殖排污作用可能有效地抑制了紅樹林的快速生長，從而減少了其有機碳來源;另一方面也可能與東海島紅樹林區(qū)處于侵蝕狀態(tài)，該區(qū)的有機碳等成分已經(jīng)開始流失。因此，不同的土地使用方式會改變紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)過程。

3結(jié)論

紅樹林土壤作為潛在的長期碳庫，在全球碳循環(huán)中扮演著重要作用。雖然紅樹林具有良好的污水凈化能力，但在過量養(yǎng)殖排污的作用下，紅樹林的儲碳能力明顯降低，大量的有機碳礦化流失。紅樹林系統(tǒng)的循環(huán)過程受到多種物理因素和生物因素的控制，不同的土壤利用方式會影響土地的空間組合，從而影響整個紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定性。在紅樹林管理和保護上，可以結(jié)合養(yǎng)殖場，促進紅樹林生長，但養(yǎng)殖規(guī)模需要限制，否則過量的養(yǎng)殖排污會抑制紅樹林的發(fā)展，降低紅樹林的儲碳能力。

參考文獻

[1]DUARTE C M，MIDDELBURG J J，CARACO N.Major role of marine vegetation on the oceanic carbon cycle[J].Biogeosciences，2005，2（1）：1-8.

[2]陳宜瑜，呂憲國.濕地功能與濕地科學的研究方向[J].濕地科學，2003，1（1）：7-11.

[3]DAVIDSON E A，JANSSENS I A.Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change[J].Nature，2006，440：165-173.

[4]ISE T，DUNN A L，WOFSY S C，et al.High sensitivity of peat decomposition to climate change through water-table feedback[J].Nature Geo science，2008，1（11）：763-766.

[5]WEINDORF D C，ZHU Y.Spatial variability of soil properties at Capulin Volcano，New Mexico，USA：Implications for sampling strategy[J].Pedosphere，2010，20（2）：185-197.

[6]殷書柏，楊青，呂憲國.三江平原典型環(huán)型濕地土壤有機碳剖面分布及碳貯量[J].土壤通報，2006，37（ 4）：659-661.

[7]隋淑珍，張喬民.華南沿海紅樹林海岸沉積物特征分析[J].熱帶海洋，1999，18（4）：17-23.

[8]譚曉林，張喬民.紅樹林潮灘沉積速率及海平面上升對我國紅樹林的影響[J].海洋通報，1997，16（4）：29-35.

[9]毛子龍.深圳福田秋茄紅樹林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的初步研究[J].生態(tài)環(huán)境學報，2012，21（7）：1189-1199.

[10]賴廷和.廣西珍珠灣桐花樹群落凋落物碳輸出動態(tài)研究[J].泉州師范學院學報，2015，33（6）：1-7.

[11]何斌源.中國紅樹林濕地物種多樣性及其形成[J].生態(tài)學報，2007，27（1）：4859-4870.

[12]范航清.廣西紅樹林上大型固著污損動物的種類組成及分布[J].廣西科學院學報，1993，9（2）：58-62.

[13]王文卿.九龍江口紅樹植物葉片重金屬元素含量及動態(tài)[J].臺灣海峽，1997，16（2）：233-238.

[14]王文卿.紅樹林生態(tài)系統(tǒng)重金屬污染的研究[J].海洋科學，1999（3）：45-48.

[15]辛琨.海南島紅樹林濕地土壤有機碳分布規(guī)律及影響因素研究[J].土壤學報，2014，51（5）：1078-1086.

[16]朱耀軍，趙峰，郭菊蘭，等.湛江高橋紅樹林濕地有機碳分布及埋藏特征[J].生態(tài)學報，2016，36（ 23）：7841-7849.

[17]莫莉萍.廣西紅樹林濕地土壤有機碳儲量估算[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2015，43（15）：81-84.

[18]趙牧秋.三亞市紅樹林碳儲量與固碳能力分析[J].瓊州學院學報，2013，20（5）：85-88.

[19]朱耀軍，郭菊蘭，武高潔，等.湛江高橋紅樹林沉積物理化性質(zhì)與金屬元素的空間分布[J].北京林業(yè)大學學報，2014，36（2）：1-9 .

[20]梁文，李智，范航清，等.防城港灣紅樹林表層沉積物粒度分形特征及與環(huán)境因子的相關(guān)性[J].應(yīng)用海洋學學報，2013，32（2）：184-192.

[21]MEZIANE T TSUCHIYE M.Organic matter in a subtropical mangrove-estuary subjected to wastewater discharge：origin and utilization by two macrozoobenthic species[J].Journal of Sea Research，2002，47（1）：1-11 .

[22]KRISTENSEN E，BOUILLON S，DITTMAR T，et al.，Organic carbon dynamics in mangrove ecosystems：a review[J].Aquatic Botary，2008，89（2）：201-219.

[23]CHMURA G L，ANISFELD J B，CAHOON D R，et al.，Global carbon sequestration in tidal，saline wetland soils[J].Global Biogeochemical Cysles，2003，17（4）：1111.

[24]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)學通報，2013，29（31）：27-31.

[25]YANG J，GAO J，LIU B，et al.，Sediment deposits and organic carbon sequestration along mangrove coasts of the Leizhou Peninsula，southern China[J].Estuarine，Coastal and Shelf Science，2014，136：3-10.

[26]ZHANG J P.Quantification of sedimentary organic carbon storage and turnover of tidal mangrove stands in southern China based on carbon isotopic measurements[J].Radiocarbon，2013，55（2/3）：1665-1674.

[27]REN H，JIAN S，LU H，et al.，Restoration of mangrove plantations and colonization by native species in Lei zhou bay，south China[J].Ecological Research，2008，23（2）：401-407.

[28]廖金鳳.雷州半島紅樹林鹽土的某些理化性質(zhì)[J].土壤，2004，36（5）：561-564.

[29]韓維棟，凌大炯，李燕，等.人工無瓣海桑林的土壤動態(tài)研究[J].南京林業(yè)大學學報自然科學版，2003，27（2）：49-54.

[30]LIU H，REN H，HUI D，et al.，Carbon stocks and potential carbon storage in the mangrove forests of China[J].Journal of Environmental Management，2014，133：86-93.

[31]彭友貴，陳桂珠，佘忠明，等.紅樹林灘涂海水種植-養(yǎng)殖生態(tài)耦合系統(tǒng)初步研究[J].中山大學學報，2004，43（6）：150-155.

[32]鄭康振，陳耿，鄭杏雯，等.人工紅樹林濕地系統(tǒng)凈化污水研究進展[J]生態(tài)學雜志，2009，28（1）：138-145.

[33]陳桂葵，陳桂珠，黃玉山，等.人工污水對白骨壤幼苗生理生態(tài)特性的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學報，1999，10 （1）：95-98.