廣西仙島公園和沙井紅樹林土壤碳氮儲量的空間分布*

陶玉華 黃 星 王薛平 鐘秋平 亢振軍

廣西仙島公園和沙井紅樹林土壤碳氮儲量的空間分布*

陶玉華①黃 星 王薛平 鐘秋平 亢振軍

(北部灣大學 廣西北部灣海洋災害研究重點實驗室 廣西北部灣海岸科學與工程實驗室 欽州 535011)

通過對廣西茅尾海的仙島公園和沙井紅樹林土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)含量和空間分布特征，以及碳氮比(C/N)與SOC和TN的相關性研究，結果顯示，仙島公園紅樹林的SOC和TN的平均含量分別為24.5和1.06 g/kg，沙井紅樹林的SOC和TN平均含量分別為11.9和0.71 g/kg。仙島公園和沙井紅樹林的SOC儲量分別為181.03和92.4t/hm2，存在顯著性差異(<0.05)，仙島公園和沙井紅樹林的TN儲量分別為8.23和5.12t/hm2，SOC和TN儲量垂直分布，隨土層深度的增加呈先減少后增加的趨勢(沙井TN除外)。沙井紅樹林的SOC與TN儲量之間相關性極顯著(<0.01，=0.947)，仙島公園紅樹林的SOC與TN儲量之間相關系數為0.407。這2個研究地點的C/N值為16.77~24.39，其有機質主要來源于陸地，仙島公園紅樹林的C/N值與SOC儲量存在顯著的相關性(<0.01)，沙井紅樹林的C/N值與TN儲量呈顯著負相關(<0.05)。仙島公園紅樹林的SOC儲量高于我國森林土壤平均碳儲量，顯示了紅樹林土壤較高的固碳能力。

仙島公園；沙井；紅樹林；碳氮儲量；空間分布

紅樹林是熱帶、亞熱帶海岸重要的濕地生態(tài)系統(tǒng)，是全球生產力最高的區(qū)域之一，具有極其重要的生態(tài)和環(huán)境價值(高天倫等, 2017; 許永輝等, 2018)。碳和氮是海洋初級生產力的關鍵營養(yǎng)元素(張雪等, 2018)，土壤有機碳(Soil organic carbon, SOC)和全氮(Total nitrogen, TN)是評價土壤肥力的重要指標，直接影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產力，對生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的形成具有重要作用。土壤的碳氮比(C/N)是反映土壤質量變化的敏感指標，也是反映土壤微生物群落結構的重要標志，印證著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的演變規(guī)律(肖玉等, 2003)。人類活動對紅樹林產生了極大的干擾，從填海造地等土地利用變化到過度挖掘、捕獲海洋經濟動物對紅樹林的損壞，以及船只出入對紅樹林的壓踩等，都影響了紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)。通過對不同人類活動區(qū)域的紅樹林碳氮儲量變化的研究，可為紅樹林物質循環(huán)及其保護提供理論依據。全球氣候變化日益受到重視，濱海濕地碳氮儲量及其分布特征越來越受到關注(Liu, 2007)。國外對紅樹林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲量研究較多，尤其是集中于有機碳儲量的研究(Chen, 2014; Laanbroek, 2018; Marchand, 2017; Morimaru,2017)。我國關于紅樹林濕地研究多集中在重金屬、微生物和有機碳等方面(羅松英等, 2018; 丁蘇麗等, 2018; 胡杰龍等, 2015)，少有同時對其碳庫和氮庫的研究以及C/N與碳、氮相關性的研究，而且對紅樹林濕地碳庫和氮庫的研究多集中在海南、閩江和廣東等地，而對于廣西紅樹林濕地的相關研究不多，不利于總結規(guī)律性的成果。

本研究地點設立在廣西北部灣茅尾海紅樹林保護區(qū)。茅尾海紅樹林是我國面積最大、最典型的島群紅樹林和特有的巖灘紅樹林，是北部灣最北端的紅樹林分布區(qū)，植物群落類型為桐花樹()群落、秋茄()+桐花樹群落、白骨壤()+桐花樹群落和白骨壤群落。仙島公園是紅樹林受到較好保護的地點，而沙井位于漁業(yè)區(qū)范圍內，受到人為活動影響較大，研究其土壤有機碳和全氮儲量及分布特征，分析C/N與SOC和TN儲量之間的相關性，試圖揭示廣西茅尾海紅樹林濕地SOC和TN的分布規(guī)律，有助于更好地認識茅尾海紅樹林濕地的碳匯能力，為區(qū)域性碳氮循環(huán)研究和紅樹林保護提供理論依據，對理解生物地球化學循環(huán)和生態(tài)作用具有重要意義。

1 地理概貌

茅尾海位于北部灣頂部欽州灣海域，為半封閉式內海，連接著欽江和茅嶺江，面積約為135 km2，處于南亞熱帶，受熱帶海洋氣候的影響，季風環(huán)流明顯，年均氣溫為22℃，平均年降雨量為2104.2 mm，年平均降雨日數為171 d(劉永泉等, 2009)。茅尾海海底底質以淤泥、淤泥質土以及粗、中、細和粉砂為主。沿岸紅樹林面積約為2302 km2，主要為木欖()、秋茄、桐花樹、海漆()、白骨壤、紅海欖()、無瓣海桑()、銀葉樹()、黃槿()、露兜樹()、小花老鼠簕()和老鼠簕()。茅尾海紅樹林自然保護區(qū)于2005年成立，所在海域為不規(guī)則全日潮，平均潮差為2.52 m (常濤等, 2014)。選取茅尾海的仙島公園和沙井作為研究地點，與保護較好的仙島公園相比，沙井是欽州養(yǎng)殖大蠔的主要產區(qū)，受人為活動影響稍大。研究區(qū)域紅樹林種類包括桐花樹、秋茄、白骨壤和少量的無瓣海桑及半紅樹植物老鼠簕，通過樣方調查測定仙島公園紅樹林平均胸徑為4.03 cm，樹高為3.03 m，沙井紅樹林平均胸徑為2.4 cm，樹高為2.1 m。

2 研究方法

2.1 采集土樣

分別在仙島公園和沙井紅樹林區(qū)域設立8個5 m× 5 m的樣方，在每個樣方內隨機選取3個土壤采樣點，土壤剖面深度分別為0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm，采用100 cm3環(huán)刀取樣，并測定土壤容重。將土壤樣品放入聚乙烯自封袋后運回實驗室，經過自然風干、過篩和去除凋落物、石礫和根系(雜物)后，用于SOC含量和全氮含量的測定。

2.1.1 SOC和TN的測定 SOC含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤TN含量采用凱氏定氮法測定。

2.1.2 土壤SOC儲量和TN儲量的計算 土壤容重的計算公式如下：

rs=·100/·(100+)

式中，rs為土壤容重(g/cm3)，為環(huán)刀土鮮重(g)，為環(huán)刀容積(100 cm3)，為樣品含水百分數(不帶%)

SOC儲量和TN儲量計算公式如下：

式中，SOC為一定深度內的SOC儲量(t/hm2)，STN為一定深度內土壤TN儲量(t/hm2)，i為第層土壤容重(g/cm3)，i為第層SOC含量(g/kg)，N為第層土壤TN含量(g/kg),i為第層土壤厚度(cm)，為土層數。

2.2 統(tǒng)計分析

用Pearson相關法和SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析，比較仙島公園與沙井紅樹林濕地SOC和TN儲量的差異，并分析C/N與SOC和TN儲量的相關性。

3 結果與分析

3.1 仙島公園和沙井紅樹林SOC和TN含量變化

仙島公園和沙井SOC和TN含量表現為表聚性特征，即最高值出現在0~20 cm。仙島公園SOC含量在0~60 cm的范圍為22.4~27.03 g/kg，TN含量為1.02~1.1 g/kg。沙井SOC含量在0~60 cm的范圍為10.5~14.2 g/kg，TN含量為0.57~0.79 g/kg。仙島公園SOC和TN均高于沙井，二者SOC含量在0~20 cm土層沒有顯著差異，但在20~40 cm和40~60 cm土層中，二者SOC含量均有顯著差異。仙島公園和沙井TN含量僅在40~60 cm土層中有顯著差異。同一研究點不同土層SOC和TN含量均無顯著差異(>0.05) (圖2)。

3.2 仙島公園和沙井紅樹林SOC和TN儲量的分配

仙島公園紅樹林總SOC儲量和總TN儲量均大于沙井。仙島公園紅樹林在0~60 cm土層的SOC總儲量為181.03t/hm2，大于沙井SOC儲量(92.4t/hm2)，二者存在顯著差異。仙島公園紅樹林在20~40 cm和40~60 cm土層的SOC均與沙井紅樹林存在顯著性差異。仙島公園的TN儲量(8.23 t/hm2)大于沙井(5.12 t/hm2)，但差異不顯著，在各土層間無顯著差異。仙島公園和沙井紅樹林SOC儲量和TN儲量在0~60 cm的3個土層均無顯著差異(>0.05)。2個研究地點的SOC儲量均表現為表聚性。仙島公園0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm層的SOC儲量分別占總SOC儲量的34.5%、32.1%和34.4%，沙井各層SOC儲量則為35.5%、30.2%和34.3%。仙島公園TN儲量最高值出現在20~40 cm土層，占總TN儲量的34.8%。沙井TN儲量占總儲量的35.3%(表1)。

圖2 仙島公園和沙井土壤有機碳和全氮含量

不同大寫字母表示不同地點在同一土層差異顯著(<0.05)，不同小寫字母表示同一地點不同土層深度差異顯著(<0.05)，下同

Different capital letters mean significant differences at 0.05 level among different location in same soil layer. Small letters mean significant differences at 0.05 level among the same location in different soil layer, the same as below

3.3 C/N與SOC和TN的相關性

由表2可知，仙島公園C/N值與SOC儲量存在顯著相關性(<0.01，=0.961)，C/N值與TN相關性不顯著，SOC儲量與TN儲量之間相關性不顯著。沙井C/N值與SOC儲量無顯著相關性，與TN儲量顯著負相關(<0.05，= –0.681)，SOC儲量與TN儲量之間相關性極顯著(<0.01，=0.947)。

表1 仙島公園和沙井SOC和TN儲量

Tab.1 Storage of soil organic carbon and total nitrogen in Xiandao Park and Shajing

注：不同大寫字母表示不同地點在同一土層差異顯著(<0.05)，不同小寫字母表示同一地點不同土層差異顯著(<0.05)

Note: Different capital letters mean significant differences at 0.05 level among different locations in the same soil layer. Small letters mean significant differences at 0.05 level among the same location in different soil layers

表2 仙島公園和沙井SOC、TN儲量與C/N的相關性

Tab.2 Correlation coefficients between storage of soil organic carbon, total nitrogen and C/N in Xiandao Park and Shajing

注：*：在0.05級別(雙尾)，相關性顯著；**：在0.01級別(雙尾)，相關性顯著

Note: *: The correlation was significant at 0.05 level (double tail); **: The correlation was significant at 0.01 level (double tail)

3.4 仙島公園和沙井土壤C/N的變化

仙島公園和沙井紅樹林土壤C/N值在0~60 cm土層的變化范圍為16.77~24.39。仙島公園紅樹林土壤C/N值均大于沙井，但差異不顯著，仙島公園C/N最大值出現在0~20 cm紅樹林土層中，沙井紅樹林土壤C/N最大值出現在40~60 cm土層(圖3)。

圖3 仙島公園和沙井C/N值的變化

4 討論

4.1 SOC和TN的分布及碳氮相關性

仙島公園紅樹林SOC和TN含量和儲量均大于沙井，茅尾海紅樹林濕地是全國天然大蠔的主要繁殖場所之一，被漁業(yè)區(qū)所包圍，距離居民區(qū)較近，周邊居民的生產生活對紅樹林產生了一定的影響，尤其沙井是大蠔人工養(yǎng)殖區(qū)，人為活動較多，如制作蠔排和蠔樁、拾螺撿貝、挖泥丁和彈涂魚以及船只出入踏踩紅樹林，土壤擾動易造成營養(yǎng)物質的流失，造成厭氧環(huán)境的改變，導致土壤氮的礦化作用和加快有機碳的分解，從而使土壤SOC和TN下降(陳志杰等, 2016; Hanke, 2013)。相比之下，仙島公園保護管理較好，受人為活動影響較少。沙井紅樹林大多數為次生林，較矮小，挖掘、捕獲活動對紅樹林根系有損害，危及紅樹林幼苗和繁殖體庫，使其植物群落更新困難。仙島公園的紅樹林長勢較好，樹高和胸徑明顯高于沙井，Tian等(2010)研究表明，植物生物量對SOC積累起著重要作用，植物與其土壤養(yǎng)分之間具有互相促進的關系，高生物量區(qū)域的SOC和TN儲量較高。

仙島公園和沙井SOC含量均低于湛江和東寨港紅樹林(郭志華等, 2014; 許方宏等, 2012)。仙島公園SOC含量高于雷州半島紅樹林(楊娟等, 2012)和閩東紅樹林濕地，沙井SOC平均含量與閩東紅樹林濕地SOC含量相近(廖小娟等, 2013)。除仙島公園的TN儲量外，仙島公園和沙井紅樹林SOC和TN含量和儲量表現為表聚性現象，即最高值出現在0~20 cm土層，與海南紅樹林SOC儲量的分布(辛琨等, 2014)及崇明東灘濕地SOC和TN含量的分布一致(陳懷璞等, 2017)。紅樹林濕地SOC來源有內源性和外源性2種輸入，內源性主要來源于植物枯落物、根系和其分泌物以及動物殘體和排泄物等，經過土壤中微生物的分解作用釋放到土壤表層，使得土壤表層的SOC量高，加之紅樹林地處熱帶和亞熱帶地區(qū)，光照和降水充足，植被豐富，凋落物量大，增加了SOC的內源性輸入；外源性輸入主要來自潮汐、降雨和河水等攜帶的有機物。在受到來自人類活動影響小的情況下，紅樹林濕地SOC來源主要以內源性輸入為主。紅樹林及其所處的動態(tài)環(huán)境，在沉積物、植被、間隙水、海水和大氣之間存在多個界面的碳氮交換過程，同時受多種理化因子的影響，紅樹林沉積物有機碳存在很大的不確定性(Kauffman, 2011; Giri,2011)。因此，不同地點、不同群落SOC和TN含量的變化會存在較大差異。閩江河口區(qū)濕地SOC含量最高值出現在0~10 cm土層(王維奇等, 2012)。海南島紅樹林土壤SOC含量最高值出現在20~40 cm(郭志華等, 2014)。海南東寨港秋茄紅樹林SOC含量最高值出現在40~50 cm(詹紹芬等, 2015)。深圳紅樹林SOC含量最高值卻出現在70 cm處(喬永民等, 2018)。

與一般陸地森林土壤分布規(guī)律不同，2個研究地點SOC和TN垂直分布特征總體上表現為，隨著土層深度的增加呈先減少后增加的趨勢(沙井的TN除外)，與廣西欽州灣混交林紅樹林濕地SOC儲量研究結果相近(周慧杰等, 2015)。有研究報道，土壤表層SOC和TN儲量較高是因為植被地上枯落物的輸入，深層土壤SOC和TN儲量則主要受植物根系的影響(Yang, 2015)。紅樹林根系發(fā)達，在土壤40~60 cm處還存在大量的細根，細根為土壤提供豐富的碳氮，根系及其活動是土壤深層碳氮的重要來源之一(辛琨等, 2014)。同時，紅樹林濕地所處的水淹的厭氧環(huán)境造成土壤呼吸釋放緩慢，有利于深層土壤中氮和有機碳的積累。仙島公園紅樹林SOC儲量(181.03 t/hm2)遠高于廣西主要森林SOC儲量(124.7 mg/hm2)(杜虎等, 2016)，高于我國森林SOC平均儲量(107.8 t/hm2)(劉世榮等, 2011)，遠高于福州和海南濱海人工防護林(尾巨桉、木麻黃、紋莢相思) SOC儲量(葛露露等, 2018; 宿少鋒等, 2018)，顯示了紅樹林濕地巨大的碳匯能力。

SOC和TN受土壤理化特性、水文氣候條件和濕地生物以及人類活動等多因素的影響(張劍等, 2017; 辛琨等, 2014)。討論SOC和TN的影響因素需要考慮外界影響因子和土壤本身特性的綜合性因素，本研究未涉及紅樹林沉積物間隙水以及海水的SOC和TN的研究，還不能從多個碳交換界面去全面分析與SOC和TN的關系。

沙井紅樹林SOC與TN儲量之間相關性極顯著(<0.01，=0.947)，仙島公園紅樹林SOC與TN儲量之間相關系數為0.407，與陳懷璞等(2017)和崔靜等(2012)的研究結果相近。陳懷璞等(2017)研究顯示，土壤SOC與TN儲量間呈極顯著正相關性。SOC與TN之間存在一定的消長和耦合效應，增加氮素可促進植物的生長，從而提高有機碳的積累，而有機碳的分解也可以促進氮素在土壤中的釋放(吳綻蕾等, 2015)，碳固定能引起氮固定。

4.2 土壤C/N變化及與SOC和TN儲量的相關性

濕地沉積物中C/N值是確定其有機質來源的一個重要方法，當沉積物中C/N>10時，沉積物有機質以外源為主，C/N<10時，以內源有機質為主，C/N≈10時，外源與內源有機質達到平衡狀態(tài)(Krishnamurthy, 1986)。本研究中，紅樹林濕地C/N值范圍為16.77~24.39，平均值為20.45，依此判斷為標準，仙島公園和沙井紅樹林濕地有機質主要來源于陸地，與夏鵬等(2015)通過同位素示蹤研究廣西欽州灣紅樹林有機碳來源的結果一致。

仙島公園C/N值與SOC儲量存在極顯著相關性(<0.01，=0.961)，Wang等(2014)和Yang等(2013)研究報道，濕地土壤較高的C/N值會導致土壤微生物活性降低，使活性碳庫周轉率降低，減少有機碳的氧化和流失，最終，加快SOC的積累。所以，較高的C/N值表明有機碳的積累多，仙島公園和沙井紅樹林平均C/N值大于中國土壤平均C/N值(王紹強等, 2008)，說明紅樹林濕地具有強大的固碳能力。

5 結論

仙島公園沙井紅樹林的SOC儲量分別為181.03和92.4t/hm2，二者存在顯著性差異(<0.05)，其垂直分布特征均表現為隨土層深度的增加呈先減少后增加的趨勢。仙島公園和沙井紅樹林TN儲量分別為8.23和5.12 t/hm2，仙島公園紅樹林TN垂直特征同SOC，沙井紅樹林TN隨土層深度的增加呈減少的趨勢。

沙井紅樹林的SOC與TN儲量之間相關性極顯著(<0.01，=0.947)，仙島公園紅樹林SOC與TN儲量之間相關系數為0.407。2個研究地點C/N值為16.77~24.39，平均值為20.45，說明有機質主要來源于陸地，仙島公園紅樹林C/N值與SOC儲量存在極顯著相關性(<0.01，=0.961)，C/N值與TN相關性不顯著，沙井紅樹林C/N值與TN儲量存在顯著負相關(<0.05)。

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Spatial Distribution of Soil Carbon and Nitrogen Stocks in Mangrove Wetland of Xiandao Park and Shajing in Guangxi

TAO Yuhua①, HUANG Xing, WANG Xueping, ZHONG Qiuping, KANG Zhenjun

(Beibu Gulf University,Guangxi Key Laboratory of Marine Disaster in the Beibu Gulf, and Key Laboratory of Coastal Science and Engineering, Beibu Gulf, Qinzhou 535011)

The contents and storage patterns of soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN), spatial distribution characteristics of SOC and TN, C/N ratios, and correlation between SOC and TN in Xiandao Park and Shajing (Guangxi) mangrove wetlands were assessed. The average SOC and TN contents of the Xiandao Park mangrove wetlands were 24.5 and 1.06 g/kg, respectively, and those of the Shajing mangrove wetlands were 11.9 and 0.71 g/kg, respectively. SOC storage capacities of the Xiandao Park and Shajing mangrove wetlands were 181.03and92.4t/hm2, respectively, and were significantly different (<0.05). TN storage capacities of Xiandao Park and Shajing mangrove wetlands were 8.23 and 5.12 t/hm2, respectively. The highest-to-lowest vertical distribution of SOC storage at both sites and TN storage at Xiandao Park was 20~40 cm > 40~60 cm > 0~20 cm, while TN storage at Shajing decreased with increasing soil depth. A significant correlation was observed between SOC and TN contents at Shajing (<0.01); the correlation coefficient was 0.947. C/N ratio at both sites ranged from 16.77 to 24.39, indicating that the organic matter came primarily from the land. A significant correlation between soil C/N and SOC storage was evident at Xiandao Park (<0.01), and a significant negative correlation between C/N and TN storage was evident at Shajing (<0.05). The SOC storage of the Xiandao Park mangrove wetlands was higher than that of Chinese forests, indicating that mangrove soil has a higher carbon sequestration capacity.

Xiandao Park; Shajing; Mangrove; Storage of SOC and TN; Spatial distribution

TAO Yuhua, E-mail: arlenetao12@aliyun.com

S154.1

A

2095-9869(2020)05-0005-08

10.19663/j.issn2095-9869.20190629001

http://www.yykxjz.cn/

陶玉華, 黃星, 王薛平, 鐘秋平, 亢振軍. 廣西仙島公園和沙井紅樹林土壤碳氮儲量的空間分布. 漁業(yè)科學進展, 2020, 41(5): 38–45

Tao YH, Huang X, Wang XP, Zhong QP, Kang ZJ.Spatial distribution of soil carbon and nitrogen stocks in Mangrove Wetland of Xiandao Park and Shajing in Guangxi. Progress in Fishery Sciences, 2020, 41(5): 38–45

* 欽州學院高層次人才科研啟動項目(2017KYQD203)和廣西北部灣海洋災害研究重點實驗室自主項目(2018TS01)共同資助[This work was supported by Qinzhou University High-level Scientific Research Foundation for the Introduction of Talent(2017KYQD203), and Guangxi Key Laboratory of Marine Disaster in the Beibu Gulf(2018TS01)].

陶玉華，教授，E-mail: arlenetao12@aliyun.com

2019-06-29,

2019-07-16

(編輯 馬璀艷)