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广西仙岛公园和沙井红树林土壤碳氮储量的空间分布*

2020-09-26陶玉华王薛平钟秋平亢振军

渔业科学进展 2020年5期
关键词:土壤有机红树林储量

陶玉华 黄 星 王薛平 钟秋平 亢振军

广西仙岛公园和沙井红树林土壤碳氮储量的空间分布*

陶玉华①黄 星 王薛平 钟秋平 亢振军

(北部湾大学 广西北部湾海洋灾害研究重点实验室 广西北部湾海岸科学与工程实验室 钦州 535011)

通过对广西茅尾海的仙岛公园和沙井红树林土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)含量和空间分布特征,以及碳氮比(C/N)与SOC和TN的相关性研究,结果显示,仙岛公园红树林的SOC和TN的平均含量分别为24.5和1.06 g/kg,沙井红树林的SOC和TN平均含量分别为11.9和0.71 g/kg。仙岛公园和沙井红树林的SOC储量分别为181.03和92.4t/hm2,存在显著性差异(<0.05),仙岛公园和沙井红树林的TN储量分别为8.23和5.12t/hm2,SOC和TN储量垂直分布,随土层深度的增加呈先减少后增加的趋势(沙井TN除外)。沙井红树林的SOC与TN储量之间相关性极显著(<0.01,=0.947),仙岛公园红树林的SOC与TN储量之间相关系数为0.407。这2个研究地点的C/N值为16.77~24.39,其有机质主要来源于陆地,仙岛公园红树林的C/N值与SOC储量存在显著的相关性(<0.01),沙井红树林的C/N值与TN储量呈显著负相关(<0.05)。仙岛公园红树林的SOC储量高于我国森林土壤平均碳储量,显示了红树林土壤较高的固碳能力。

仙岛公园;沙井;红树林;碳氮储量;空间分布

红树林是热带、亚热带海岸重要的湿地生态系统,是全球生产力最高的区域之一,具有极其重要的生态和环境价值(高天伦等, 2017; 许永辉等, 2018)。碳和氮是海洋初级生产力的关键营养元素(张雪等, 2018),土壤有机碳(Soil organic carbon, SOC)和全氮(Total nitrogen, TN)是评价土壤肥力的重要指标,直接影响湿地生态系统的生产力,对生态系统结构和功能的形成具有重要作用。土壤的碳氮比(C/N)是反映土壤质量变化的敏感指标,也是反映土壤微生物群落结构的重要标志,印证着区域生态系统的演变规律(肖玉等, 2003)。人类活动对红树林产生了极大的干扰,从填海造地等土地利用变化到过度挖掘、捕获海洋经济动物对红树林的损坏,以及船只出入对红树林的压踩等,都影响了红树林生态系统的物质循环。通过对不同人类活动区域的红树林碳氮储量变化的研究,可为红树林物质循环及其保护提供理论依据。全球气候变化日益受到重视,滨海湿地碳氮储量及其分布特征越来越受到关注(Liu, 2007)。国外对红树林生态系统碳氮储量研究较多,尤其是集中于有机碳储量的研究(Chen, 2014; Laanbroek, 2018; Marchand, 2017; Morimaru,2017)。我国关于红树林湿地研究多集中在重金属、微生物和有机碳等方面(罗松英等, 2018; 丁苏丽等, 2018; 胡杰龙等, 2015),少有同时对其碳库和氮库的研究以及C/N与碳、氮相关性的研究,而且对红树林湿地碳库和氮库的研究多集中在海南、闽江和广东等地,而对于广西红树林湿地的相关研究不多,不利于总结规律性的成果。

本研究地点设立在广西北部湾茅尾海红树林保护区。茅尾海红树林是我国面积最大、最典型的岛群红树林和特有的岩滩红树林,是北部湾最北端的红树林分布区,植物群落类型为桐花树()群落、秋茄()+桐花树群落、白骨壤()+桐花树群落和白骨壤群落。仙岛公园是红树林受到较好保护的地点,而沙井位于渔业区范围内,受到人为活动影响较大,研究其土壤有机碳和全氮储量及分布特征,分析C/N与SOC和TN储量之间的相关性,试图揭示广西茅尾海红树林湿地SOC和TN的分布规律,有助于更好地认识茅尾海红树林湿地的碳汇能力,为区域性碳氮循环研究和红树林保护提供理论依据,对理解生物地球化学循环和生态作用具有重要意义。

1 地理概貌

茅尾海位于北部湾顶部钦州湾海域,为半封闭式内海,连接着钦江和茅岭江,面积约为135 km2,处于南亚热带,受热带海洋气候的影响,季风环流明显,年均气温为22℃,平均年降雨量为2104.2 mm,年平均降雨日数为171 d(刘永泉等, 2009)。茅尾海海底底质以淤泥、淤泥质土以及粗、中、细和粉砂为主。沿岸红树林面积约为2302 km2,主要为木榄()、秋茄、桐花树、海漆()、白骨壤、红海榄()、无瓣海桑()、银叶树()、黄槿()、露兜树()、小花老鼠簕()和老鼠簕()。茅尾海红树林自然保护区于2005年成立,所在海域为不规则全日潮,平均潮差为2.52 m (常涛等, 2014)。选取茅尾海的仙岛公园和沙井作为研究地点,与保护较好的仙岛公园相比,沙井是钦州养殖大蚝的主要产区,受人为活动影响稍大。研究区域红树林种类包括桐花树、秋茄、白骨壤和少量的无瓣海桑及半红树植物老鼠簕,通过样方调查测定仙岛公园红树林平均胸径为4.03 cm,树高为3.03 m,沙井红树林平均胸径为2.4 cm,树高为2.1 m。

2 研究方法

2.1 采集土样

分别在仙岛公园和沙井红树林区域设立8个5 m× 5 m的样方,在每个样方内随机选取3个土壤采样点,土壤剖面深度分别为0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm,采用100 cm3环刀取样,并测定土壤容重。将土壤样品放入聚乙烯自封袋后运回实验室,经过自然风干、过筛和去除凋落物、石砾和根系(杂物)后,用于SOC含量和全氮含量的测定。

2.1.1 SOC和TN的测定 SOC含量采用重铬酸钾外加热法测定,土壤TN含量采用凯氏定氮法测定。

2.1.2 土壤SOC储量和TN储量的计算 土壤容重的计算公式如下:

rs=·100/·(100+)

式中,rs为土壤容重(g/cm3),为环刀土鲜重(g),为环刀容积(100 cm³),为样品含水百分数(不带%)

SOC储量和TN储量计算公式如下:

式中,SOC为一定深度内的SOC储量(t/hm2),STN为一定深度内土壤TN储量(t/hm2),i为第层土壤容重(g/cm3),i为第层SOC含量(g/kg),N为第层土壤TN含量(g/kg),i为第层土壤厚度(cm),为土层数。

2.2 统计分析

用Pearson相关法和SPSS 19.0软件进行统计分析,比较仙岛公园与沙井红树林湿地SOC和TN储量的差异,并分析C/N与SOC和TN储量的相关性。

3 结果与分析

3.1 仙岛公园和沙井红树林SOC和TN含量变化

仙岛公园和沙井SOC和TN含量表现为表聚性特征,即最高值出现在0~20 cm。仙岛公园SOC含量在0~60 cm的范围为22.4~27.03 g/kg,TN含量为1.02~1.1 g/kg。沙井SOC含量在0~60 cm的范围为10.5~14.2 g/kg,TN含量为0.57~0.79 g/kg。仙岛公园SOC和TN均高于沙井,二者SOC含量在0~20 cm土层没有显著差异,但在20~40 cm和40~60 cm土层中,二者SOC含量均有显著差异。仙岛公园和沙井TN含量仅在40~60 cm土层中有显著差异。同一研究点不同土层SOC和TN含量均无显著差异(>0.05) (图2)。

3.2 仙岛公园和沙井红树林SOC和TN储量的分配

仙岛公园红树林总SOC储量和总TN储量均大于沙井。仙岛公园红树林在0~60 cm土层的SOC总储量为181.03t/hm2,大于沙井SOC储量(92.4t/hm2),二者存在显著差异。仙岛公园红树林在20~40 cm和40~60 cm土层的SOC均与沙井红树林存在显著性差异。仙岛公园的TN储量(8.23 t/hm2)大于沙井(5.12 t/hm2),但差异不显著,在各土层间无显著差异。仙岛公园和沙井红树林SOC储量和TN储量在0~60 cm的3个土层均无显著差异(>0.05)。2个研究地点的SOC储量均表现为表聚性。仙岛公园0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm层的SOC储量分别占总SOC储量的34.5%、32.1%和34.4%,沙井各层SOC储量则为35.5%、30.2%和34.3%。仙岛公园TN储量最高值出现在20~40 cm土层,占总TN储量的34.8%。沙井TN储量占总储量的35.3%(表1)。

图2 仙岛公园和沙井土壤有机碳和全氮含量

不同大写字母表示不同地点在同一土层差异显著(<0.05),不同小写字母表示同一地点不同土层深度差异显著(<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与SOC和TN的相关性

由表2可知,仙岛公园C/N值与SOC储量存在显著相关性(<0.01,=0.961),C/N值与TN相关性不显著,SOC储量与TN储量之间相关性不显著。沙井C/N值与SOC储量无显著相关性,与TN储量显著负相关(<0.05,= –0.681),SOC储量与TN储量之间相关性极显著(<0.01,=0.947)。

表1 仙岛公园和沙井SOC和TN储量

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

注:不同大写字母表示不同地点在同一土层差异显著(<0.05),不同小写字母表示同一地点不同土层差异显著(<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 仙岛公园和沙井SOC、TN储量与C/N的相关性

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

注:*:在0.05级别(双尾),相关性显著;**:在0.01级别(双尾),相关性显著

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

3.4 仙岛公园和沙井土壤C/N的变化

仙岛公园和沙井红树林土壤C/N值在0~60 cm土层的变化范围为16.77~24.39。仙岛公园红树林土壤C/N值均大于沙井,但差异不显著,仙岛公园C/N最大值出现在0~20 cm红树林土层中,沙井红树林土壤C/N最大值出现在40~60 cm土层(图3)。

图3 仙岛公园和沙井C/N值的变化

4 讨论

4.1 SOC和TN的分布及碳氮相关性

仙岛公园红树林SOC和TN含量和储量均大于沙井,茅尾海红树林湿地是全国天然大蚝的主要繁殖场所之一,被渔业区所包围,距离居民区较近,周边居民的生产生活对红树林产生了一定的影响,尤其沙井是大蚝人工养殖区,人为活动较多,如制作蚝排和蚝桩、拾螺捡贝、挖泥丁和弹涂鱼以及船只出入踏踩红树林,土壤扰动易造成营养物质的流失,造成厌氧环境的改变,导致土壤氮的矿化作用和加快有机碳的分解,从而使土壤SOC和TN下降(陈志杰等, 2016; Hanke, 2013)。相比之下,仙岛公园保护管理较好,受人为活动影响较少。沙井红树林大多数为次生林,较矮小,挖掘、捕获活动对红树林根系有损害,危及红树林幼苗和繁殖体库,使其植物群落更新困难。仙岛公园的红树林长势较好,树高和胸径明显高于沙井,Tian等(2010)研究表明,植物生物量对SOC积累起着重要作用,植物与其土壤养分之间具有互相促进的关系,高生物量区域的SOC和TN储量较高。

仙岛公园和沙井SOC含量均低于湛江和东寨港红树林(郭志华等, 2014; 许方宏等, 2012)。仙岛公园SOC含量高于雷州半岛红树林(杨娟等, 2012)和闽东红树林湿地,沙井SOC平均含量与闽东红树林湿地SOC含量相近(廖小娟等, 2013)。除仙岛公园的TN储量外,仙岛公园和沙井红树林SOC和TN含量和储量表现为表聚性现象,即最高值出现在0~20 cm土层,与海南红树林SOC储量的分布(辛琨等, 2014)及崇明东滩湿地SOC和TN含量的分布一致(陈怀璞等, 2017)。红树林湿地SOC来源有内源性和外源性2种输入,内源性主要来源于植物枯落物、根系和其分泌物以及动物残体和排泄物等,经过土壤中微生物的分解作用释放到土壤表层,使得土壤表层的SOC量高,加之红树林地处热带和亚热带地区,光照和降水充足,植被丰富,凋落物量大,增加了SOC的内源性输入;外源性输入主要来自潮汐、降雨和河水等携带的有机物。在受到来自人类活动影响小的情况下,红树林湿地SOC来源主要以内源性输入为主。红树林及其所处的动态环境,在沉积物、植被、间隙水、海水和大气之间存在多个界面的碳氮交换过程,同时受多种理化因子的影响,红树林沉积物有机碳存在很大的不确定性(Kauffman, 2011; Giri,2011)。因此,不同地点、不同群落SOC和TN含量的变化会存在较大差异。闽江河口区湿地SOC含量最高值出现在0~10 cm土层(王维奇等, 2012)。海南岛红树林土壤SOC含量最高值出现在20~40 cm(郭志华等, 2014)。海南东寨港秋茄红树林SOC含量最高值出现在40~50 cm(詹绍芬等, 2015)。深圳红树林SOC含量最高值却出现在70 cm处(乔永民等, 2018)。

与一般陆地森林土壤分布规律不同,2个研究地点SOC和TN垂直分布特征总体上表现为,随着土层深度的增加呈先减少后增加的趋势(沙井的TN除外),与广西钦州湾混交林红树林湿地SOC储量研究结果相近(周慧杰等, 2015)。有研究报道,土壤表层SOC和TN储量较高是因为植被地上枯落物的输入,深层土壤SOC和TN储量则主要受植物根系的影响(Yang, 2015)。红树林根系发达,在土壤40~60 cm处还存在大量的细根,细根为土壤提供丰富的碳氮,根系及其活动是土壤深层碳氮的重要来源之一(辛琨等, 2014)。同时,红树林湿地所处的水淹的厌氧环境造成土壤呼吸释放缓慢,有利于深层土壤中氮和有机碳的积累。仙岛公园红树林SOC储量(181.03 t/hm2)远高于广西主要森林SOC储量(124.7 mg/hm2)(杜虎等, 2016),高于我国森林SOC平均储量(107.8 t/hm2)(刘世荣等, 2011),远高于福州和海南滨海人工防护林(尾巨桉、木麻黄、纹荚相思) SOC储量(葛露露等, 2018; 宿少锋等, 2018),显示了红树林湿地巨大的碳汇能力。

SOC和TN受土壤理化特性、水文气候条件和湿地生物以及人类活动等多因素的影响(张剑等, 2017; 辛琨等, 2014)。讨论SOC和TN的影响因素需要考虑外界影响因子和土壤本身特性的综合性因素,本研究未涉及红树林沉积物间隙水以及海水的SOC和TN的研究,还不能从多个碳交换界面去全面分析与SOC和TN的关系。

沙井红树林SOC与TN储量之间相关性极显著(<0.01,=0.947),仙岛公园红树林SOC与TN储量之间相关系数为0.407,与陈怀璞等(2017)和崔静等(2012)的研究结果相近。陈怀璞等(2017)研究显示,土壤SOC与TN储量间呈极显著正相关性。SOC与TN之间存在一定的消长和耦合效应,增加氮素可促进植物的生长,从而提高有机碳的积累,而有机碳的分解也可以促进氮素在土壤中的释放(吴绽蕾等, 2015),碳固定能引起氮固定。

4.2 土壤C/N变化及与SOC和TN储量的相关性

湿地沉积物中C/N值是确定其有机质来源的一个重要方法,当沉积物中C/N>10时,沉积物有机质以外源为主,C/N<10时,以内源有机质为主,C/N≈10时,外源与内源有机质达到平衡状态(Krishnamurthy, 1986)。本研究中,红树林湿地C/N值范围为16.77~24.39,平均值为20.45,依此判断为标准,仙岛公园和沙井红树林湿地有机质主要来源于陆地,与夏鹏等(2015)通过同位素示踪研究广西钦州湾红树林有机碳来源的结果一致。

仙岛公园C/N值与SOC储量存在极显著相关性(<0.01,=0.961),Wang等(2014)和Yang等(2013)研究报道,湿地土壤较高的C/N值会导致土壤微生物活性降低,使活性碳库周转率降低,减少有机碳的氧化和流失,最终,加快SOC的积累。所以,较高的C/N值表明有机碳的积累多,仙岛公园和沙井红树林平均C/N值大于中国土壤平均C/N值(王绍强等, 2008),说明红树林湿地具有强大的固碳能力。

5 结论

仙岛公园沙井红树林的SOC储量分别为181.03和92.4t/hm2,二者存在显著性差异(<0.05),其垂直分布特征均表现为随土层深度的增加呈先减少后增加的趋势。仙岛公园和沙井红树林TN储量分别为8.23和5.12 t/hm2,仙岛公园红树林TN垂直特征同SOC,沙井红树林TN随土层深度的增加呈减少的趋势。

沙井红树林的SOC与TN储量之间相关性极显著(<0.01,=0.947),仙岛公园红树林SOC与TN储量之间相关系数为0.407。2个研究地点C/N值为16.77~24.39,平均值为20.45,说明有机质主要来源于陆地,仙岛公园红树林C/N值与SOC储量存在极显著相关性(<0.01,=0.961),C/N值与TN相关性不显著,沙井红树林C/N值与TN储量存在显著负相关(<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/

陶玉华, 黄星, 王薛平, 钟秋平, 亢振军. 广西仙岛公园和沙井红树林土壤碳氮储量的空间分布. 渔业科学进展, 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

* 钦州学院高层次人才科研启动项目(2017KYQD203)和广西北部湾海洋灾害研究重点实验室自主项目(2018TS01)共同资助[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)].

陶玉华,教授,E-mail: arlenetao12@aliyun.com

2019-06-29,

2019-07-16

(编辑 马璀艳)

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