广西仙岛公园和沙井红树林土壤碳氮储量的空间分布

　　摘要 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92.4 t/hm2，存在显著性差异(P <0.05)，仙岛公园和沙井红树林的TN储量分别为8.23和5.12 t/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(P <0.01，R=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(P <0.01)，沙井红树林的C/N值与TN储量呈显著负相关(P<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。

　　关键词 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 et al, 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 et al, 2014; Laanbroek et al, 2018; Marchand, 2017; Morimaru et al, 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(Aegiceras corniculatum)群落、秋茄(Kandelia candel)+桐花树群落、白骨壤(Avicennia marina)+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(Bruguiera gymnorrhiza)、秋茄、桐花树、海漆(Excoecari aagallocha)、白骨壤、红海榄(Rhizophora stylosa)、无瓣海桑(Sonneratia apetala)、银叶树(Heritiera littoralis)、黄槿(Hibiscus tiliaceus)、露兜树(Pandanus tectorius)、小花老鼠簕(Acanthus ebracteatus)和老鼠簕(Acanthus ilicifolius)。

　　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=g·100/v·(100+W)

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

　　SOCS为一定深度内的SOC储量(t/hm2)，STNS为一定深度内土壤TN储量(t/hm2)，Di为第i层土壤容重(g/cm3)，Mi为第i层SOC含量(g/kg)，Ni为第i层土壤TN含量(g/kg), Hi为第i层土壤厚度(cm)，n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(P>0.05)。

　　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181.03 t/hm2，大于沙井SOC储量(92.4 t/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(P>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%。

　　3.3 C/N与SOC和TN的相关性

　　仙岛公园C/N值与SOC储量存在显著相关性(P <0.01，R=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(P <0.05，R= –0.681)，SOC储量与TN储量之间相关性极显著(P<0.01，R=0.947)。

　　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。

　　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 et al, 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 et al, 2011; Giri et al, 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 et al, 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(P <0.01，R=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 et al, 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(P <0.01，R=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。

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　　5 结论

　　仙岛公园沙井红树林的SOC储量分别为181.03和92.4 t/hm2，二者存在显著性差异(P <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(P <0.01，R=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(P <0.01，R=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(P<0.05)。

　　作者：陶玉华① 黄 星 王薛平 钟秋平 亢振军