趙澤陽(yáng)，趙志忠，付 博，邢瑤麗

（海南師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，海南 ?？?571158）

紅樹(shù)林是生長(zhǎng)在熱帶、亞熱帶潮間海岸帶受到潮水周期性浸淹的特殊植被群落［1-4］。為了適應(yīng)潮間帶的環(huán)境，紅樹(shù)林形成了獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)，具有防風(fēng)護(hù)堤、防震減災(zāi)、促淤造陸、改善生態(tài)狀況等功能，同時(shí)也固存了大量土壤，積累了豐富的有機(jī)碳（SOC）［5-10］。由于潮間帶的特殊生境，紅樹(shù)林濕地的碳循環(huán)較森林更為復(fù)雜，包括大氣與植被、植被與沉積物、沉積物與大氣、沉積物與海水等多個(gè)介質(zhì)的碳循環(huán)過(guò)程，其中沉積物是有機(jī)碳的重要聚積地，有機(jī)碳的沉積深度可達(dá)數(shù)米［11-12］。已有研究表明，紅樹(shù)林是地球上固碳能力最強(qiáng)的生態(tài)系統(tǒng)之一，單位面積紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力大約為熱帶雨林的50倍，而且紅樹(shù)林長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)，有機(jī)碳分解速率較慢，碳循環(huán)周期長(zhǎng)，因此成為海岸帶最重要的碳匯之一［13-17］。紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳的來(lái)源包括地表、地下徑流和潮汐作用帶來(lái)的溶解態(tài)和顆粒態(tài)有機(jī)碳以及紅樹(shù)林植物的凋落物、發(fā)達(dá)的氣生根和動(dòng)物殘?bào)w［18-19］。近年來(lái)，受到水產(chǎn)養(yǎng)殖、海岸帶開(kāi)發(fā)等方面影響，紅樹(shù)林面積急劇減少，改變了有機(jī)碳的分布規(guī)律及自身的碳匯功能，對(duì)臺(tái)風(fēng)、海嘯等自然災(zāi)害的防御功能有所下降［20］。有機(jī)碳對(duì)生態(tài)平衡以及全球碳循環(huán)有不可取代的重要意義，因此成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［21-23］。

海南島是我國(guó)紅樹(shù)林分布最集中、保存最完整的地區(qū)，紅樹(shù)植物資源占全國(guó)總數(shù)的95%［24］。本研究以海南島北緣地帶的東寨港紅樹(shù)林、八門(mén)灣紅樹(shù)林、新盈紅樹(shù)林作為主要研究區(qū)，探究紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳的空間分布特征、變化規(guī)律及其原因，分析有機(jī)碳聚積的影響因素，以期加深對(duì)紅樹(shù)林濕地土壤有機(jī)碳的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程的認(rèn)識(shí)，為了解紅樹(shù)林有機(jī)碳分布特點(diǎn)、探明紅樹(shù)林土壤碳循環(huán)規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南島北部地區(qū)紅樹(shù)林分布集中區(qū)域（109.329°～110.804°E、19.542°～20.034°N），總面積9 722.6 hm2，其中紅樹(shù)林面積為4 817.25 hm2。區(qū)內(nèi)紅樹(shù)林面積占整個(gè)海南島紅樹(shù)林面積的80%以上，占全國(guó)紅樹(shù)林總面積的12%［25］，包括?？谑袞|寨港紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)、文昌市八門(mén)灣紅樹(shù)林、臨高縣新盈紅樹(shù)林國(guó)家濕地公園，主要植物種類(lèi)有紅海欖（Rhizophora stylosa）、海桑（Sonneratia caseolaris）、桐花樹(shù)（Aegiceras corniculatum）、角果木（Ceriops tagal）、白骨壤（Avicennia marina）等。研究區(qū)屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)陽(yáng)光充足、雨量充沛，年平均氣溫23.9℃，年均降水 1 735.5 mm，全年80%以上雨季集中在5～10月。研究區(qū)內(nèi)基巖上的土壤主要為海潮、河流和暴雨從集水區(qū)范圍沖刷帶來(lái)的細(xì)粒物質(zhì)，土壤主要為典型的酸性硫酸鹽土，厚度在0.1～1.5 m之間，近海土層深厚，有機(jī)碳含量較高。

1.2 樣品采集

本次研究主要在東寨港紅樹(shù)林（DZ）、八門(mén)灣紅樹(shù)林（BMW）、新盈紅樹(shù)林（XY）內(nèi)設(shè)定采樣區(qū)（圖1），在每個(gè)采樣區(qū)選擇人為干擾較小的區(qū)域設(shè)置5個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)分別在紅樹(shù)林外距離林緣10 m處的低潮位光灘、林緣和距離林緣10～15 m的林內(nèi)等3個(gè)部位用PVC管（直徑0.075 cm、長(zhǎng)50 cm，采集前用14%HNO3浸泡并晾干）采集距離地面深度為40 cm的土壤柱狀沉積物，柱狀樣按照10 cm分割為：A層（0～10 cm）、B層（10～20 cm）、C層（20～30 cm）、D層（30～40 cm），每層樣品均為隨機(jī)采集的多個(gè)點(diǎn)充分混合的混合土樣。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布

1.3 樣品處理

將采集后的樣品在室內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干、壓碎、剔除動(dòng)植物殘?bào)w及礫石等雜質(zhì)、碾磨、過(guò)0.150 mm尼龍網(wǎng)篩，分裝備用。

土壤有機(jī)碳含量采用德國(guó)TOC元素分析儀測(cè)定。為消除樣品中無(wú)機(jī)碳對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，每個(gè)樣品需要在上機(jī)測(cè)定前進(jìn)行鹽酸酸化處理。具體操作步驟為：稱(chēng)取烘干至恒重的土壤0.5 g，放在小燒杯中，加入1 mol/L鹽酸5 mL，用磁力攪拌機(jī)攪拌，直至無(wú)氣泡產(chǎn)生。靜置24 h后，加入蒸餾水潤(rùn)洗、離心3～4次，傾倒上清液除酸，用pH試紙檢測(cè)至溶液呈中性，放入烘箱蒸干，冷卻、干燥后研磨粉碎，最后上機(jī)測(cè)定有機(jī)碳含量。

土壤粒度使用激光粒度儀（Mastersizer 2000），參照國(guó)際制土壤粒度分級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)（粘粒 ＜2 μm、粉粒 2～20 μm），砂粒 ＞20 μm），將測(cè)定范圍設(shè)定為 0.02～2 000 μm［26］,具體操作步驟為：稱(chēng)取0.5 g土壤置于小燒杯中，為了去除有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽，加入過(guò)氧化氫和鹽酸溶液，然后加超純水進(jìn)行稀釋?zhuān)o置后除去上清液，再加入六偏磷酸鈉，用超聲波清洗機(jī)振蕩，最后上機(jī)測(cè)定土壤粒度。

土壤pH值使用梅特勒pH計(jì)測(cè)定，具體操作步驟為：稱(chēng)取5 g土壤，放入小燒杯中，按照水土2.5∶1.0的比例攪拌1 min、靜置3 min，然后用pH計(jì)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳含量空間分布特征

分析結(jié)果顯示，東寨港、八門(mén)灣和新盈紅樹(shù)林沉積物中，有機(jī)碳平均含量分別為25.57（±3.14）、36.61（±4.46）、13.36（±1.71）g/kg，總體表現(xiàn)為八門(mén)灣紅樹(shù)林＞東寨港紅樹(shù)林＞新盈紅樹(shù)林，0～40 cm各層柱狀沉積物中土壤有機(jī)碳含量也都呈現(xiàn)出這一規(guī)律（圖2）?？赡艿脑蛉缦拢喊碎T(mén)灣和東寨港深入內(nèi)陸，是半封閉港灣式瀉湖海岸，灣內(nèi)水動(dòng)力作用較弱，沉積物不易被帶走，而陸源物質(zhì)（尤其是細(xì)粒物質(zhì)）易大量沉降堆積，因此有利于有機(jī)碳在沉積物中富集。新盈港地形似喇叭狀，西北處與外海相連接，海域開(kāi)闊，水動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)，不利于有機(jī)碳的積累。八門(mén)灣和東寨港土壤均以淤泥質(zhì)為主，粘粒和粉粒含量高，且沉積物累積厚度大，而新盈港土壤以砂泥質(zhì)為主，土壤層薄，有機(jī)碳容易通過(guò)淋溶作用下移。此外，東寨港和新盈港都是受人類(lèi)活動(dòng)影響較強(qiáng)的區(qū)域，周邊土壤利用率高，開(kāi)發(fā)程度強(qiáng)，加快有機(jī)碳分解，因此含量相對(duì)較低。

圖2 不同區(qū)域紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳含量分析

2.2 紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳含量水平分布特征

紅樹(shù)林不同潮灘類(lèi)型土壤表層有機(jī)碳含量在0.88～134.00 g/kg之間，平均有機(jī)碳含量為26.19（±0.20）g/kg。光灘、林緣和林內(nèi)平均有機(jī)碳含量分別為13.88（±0.32）、21.24（±0.43）、41.69（±0.71）g/kg，變動(dòng)幅度較大，說(shuō)明土壤有機(jī)碳含量受潮灘類(lèi)型的影響較大。對(duì)東寨港、八門(mén)灣和新盈紅樹(shù)林不同潮灘類(lèi)型0～40 cm土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)光灘、林緣和林內(nèi)土壤表層有機(jī)碳含量呈現(xiàn)的整體趨勢(shì)為林內(nèi)＞林緣＞光灘（圖3）。

進(jìn)一步對(duì)區(qū)域土壤有機(jī)碳的來(lái)源進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)光灘土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源可能是紅樹(shù)林凋落物以及水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和浮游生物、藻類(lèi)生物殘?bào)w。光灘有機(jī)碳的累積受到潮水漲落的影響，退潮流速往往大于漲潮流速，經(jīng)過(guò)周期性的沖刷，紅樹(shù)林的凋落物被潮水帶走，有機(jī)碳難以聚集。此外，光灘土壤缺少草本層和枯枝落葉層，裸露的土壤滯留有機(jī)物的能力較差，因此光灘有機(jī)碳含量相對(duì)較低。林緣作為光灘到林內(nèi)的過(guò)渡潮灘類(lèi)型，其有機(jī)碳的主要來(lái)源為紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)中植物的凋落物以及動(dòng)物殘?bào)w。相對(duì)于光灘，林緣受到潮水沖刷作用較小，凋落物和殘?bào)w容易聚集，因此有利于有機(jī)碳積累。在3種潮灘類(lèi)型中，林內(nèi)生物種類(lèi)最為豐富，有海桑、白骨壤、桐花樹(shù)、海欖和角果木等先鋒紅樹(shù)植物，這些植物在土壤表層有發(fā)達(dá)的支持根和氣生根，不僅是有機(jī)碳的重要來(lái)源，同時(shí)也能將枯枝落葉滯留于土壤表層，提高有機(jī)碳含量，因此林內(nèi)有機(jī)碳含量最高。

圖3 紅樹(shù)林不同潮灘類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量分析

2.3 紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳含量垂直分布特征

海南島北部地區(qū)紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳在10～20 cm土層中含量最高，平均為32.11±（3.45）g/kg，其次是0～10 cm土層為25.00（±2.43）g/kg，20～30 cm土層為23.26（±3.06）g/kg，最小值出現(xiàn)在30～40 cm土層，其土壤有機(jī)碳含量為22.21（±3.82）g/kg（圖4）。從圖4可以看出，不同土壤深度有機(jī)碳含量具有一定的規(guī)律性，東寨港、八門(mén)灣和新盈紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳含量的垂直變化趨勢(shì)一致，均隨土壤深度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)10～20 cm土層土壤有機(jī)碳含量與30～40 cm土層呈顯著差異，與0～10 cm土層和20～30 cm土層差異不顯著。

進(jìn)一步研究可以發(fā)現(xiàn)，紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳具有獨(dú)特的垂直分布規(guī)律，與農(nóng)田、果園、菜地等用地類(lèi)型的垂直分布規(guī)律明顯不同，農(nóng)田、果園、菜地土壤有機(jī)碳含量最大值多在表層，且隨土壤深度增加而降低，具有表聚性［27-28］。這是因?yàn)檗r(nóng)田、果園、菜地中土壤有機(jī)碳主要來(lái)源為凋落物，因此表層含量最高［29］。但是在紅樹(shù)林中土壤有機(jī)碳含量最大值出現(xiàn)在10～20 cm土層，其原因主要是紅樹(shù)林受到潮水周期性浸淹，凋落的枯枝落葉無(wú)法直接進(jìn)入土壤，會(huì)隨著水流移動(dòng)被潮水帶走，凋落物難以聚集，因此凋落物不能決定紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳的垂直分布規(guī)律，也不是紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源。其主要來(lái)源應(yīng)該是植物根系，紅樹(shù)植物的細(xì)根多分布在土壤中間層，細(xì)根周轉(zhuǎn)可以提供大量的有機(jī)物質(zhì)，有利于土壤有機(jī)碳的累積［30］。

圖4 不同紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳垂直分布規(guī)律

2.4 土壤粒度對(duì)紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳含量的影響

已有研究表明，紅樹(shù)林濕地有機(jī)碳分布規(guī)律通常會(huì)受土壤粒度影響，有機(jī)碳含量也對(duì)土壤粒度有重要的調(diào)節(jié)作用［31-34］。這種調(diào)節(jié)作用的大小可以用土壤有機(jī)碳與粒度之間的相關(guān)關(guān)系表示，相關(guān)系數(shù)越大，兩者的相關(guān)關(guān)系越強(qiáng)。對(duì)東寨港、八門(mén)灣、新盈紅樹(shù)林濕地中有機(jī)碳與粘粒、粉粒、砂粒分別進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果（圖5）顯示，紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳與各級(jí)粒度均呈顯著相關(guān)，土壤有機(jī)碳含量與粘粒呈極顯著線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系（R2=0.57、R2=0.75、R2=0.64，P＜0.01），與粉粒呈極顯著線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系（R2=0.79、R2=0.80、R2=0.77，P＜0.01）與砂粒呈極顯著線(xiàn)性負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.79、R2=0.81、R2=0.72，P＜0.01）。分析其原因可能是：細(xì)顆粒物質(zhì)具有較大的比表面積，其含量直接影響土壤結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成，粘粒和粉粒含量高的土壤能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)，隨著地上植物的生長(zhǎng)，向土壤輸入的凋落物和根系沉積物增加，進(jìn)而有利于有機(jī)碳的聚集［35-36］。

圖5 紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳含量與粒度的相關(guān)性分析

2.5 土壤酸堿度對(duì)紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳含量的影響

紅樹(shù)林濕地有機(jī)碳分布特征除了受到土壤粒度的影響外，還與土壤酸堿度有關(guān)。對(duì)海南島北部地區(qū)紅樹(shù)林0～40 cm土層土壤有機(jī)碳及pH值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。海南島北部地區(qū)紅樹(shù)林pH值在2.68～8.73之間。在東寨港、八門(mén)灣、新盈紅樹(shù)林分布區(qū)內(nèi)，有機(jī)碳含量與土壤pH值均呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)

R2分別為0.40、0.55和0.37。有機(jī)碳含量與pH值的相關(guān)性強(qiáng)弱順序依次為八門(mén)灣紅樹(shù)林、東寨港紅樹(shù)林和新盈紅樹(shù)林。

一方面，酸堿度會(huì)影響土壤中微生物的種類(lèi)、數(shù)量和活性。東寨港和八門(mén)灣紅樹(shù)林pH值分別為5.45和4.32，土壤偏酸性，偏酸環(huán)境中微生物活動(dòng)會(huì)受到抑制，減少微生物對(duì)有機(jī)碳的分解轉(zhuǎn)化量，有利于有機(jī)碳的累積。新盈紅樹(shù)林土壤pH值為7.49，近于中性，中性土壤中微生物活性最強(qiáng)，阻礙有機(jī)碳積累。與本研究得出的有機(jī)碳含量規(guī)律（八門(mén)灣＞東寨港＞新盈）一致。

另一方面，酸堿度會(huì)通過(guò)影響土壤礦物表面電荷及吸附位點(diǎn)進(jìn)而影響礦物對(duì)有機(jī)碳的吸附。pH較低的土壤一般帶有較多正電荷，從而有利于對(duì)帶負(fù)電有機(jī)碳的吸附，而pH較高的土壤，可吸附有機(jī)碳的礦物表面位點(diǎn)較少，因此對(duì)有機(jī)碳的吸附具有一定的選擇性［37］。八門(mén)灣和東寨港紅樹(shù)林土壤pH較低，對(duì)有機(jī)碳的吸附作用較強(qiáng)；而新盈紅樹(shù)林土壤pH相對(duì)較高，吸附有機(jī)碳的能力較弱。這與本研究得出的有機(jī)碳含量規(guī)律（八門(mén)灣＞東寨港＞新盈）一致。

圖6 土壤有機(jī)碳與酸堿度的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，海南島北部地區(qū)紅樹(shù)林濕地0～40 cm土層土壤有機(jī)碳含量為0.88～134.00 g/kg，平均值為25.18（±10.34）g/kg。受研究區(qū)特殊的地形特征以及周?chē)祟?lèi)活動(dòng)等方面的影響，在空間分布上，海南島北部地區(qū)紅樹(shù)林有機(jī)碳平均值排序結(jié)果為八門(mén)灣紅樹(shù)林＞東寨港紅樹(shù)林＞新盈紅樹(shù)林。海南島北部地區(qū)紅樹(shù)林濕地光灘、林緣和林內(nèi)隨著紅樹(shù)林群落演替的過(guò)程，表層沉積物有機(jī)碳的積累逐漸增加，呈現(xiàn)出林內(nèi)＞林緣＞光灘的趨勢(shì)，說(shuō)明沉積物受到海水沖刷時(shí)間及頻次越多，向海水遷移的量也越大，有機(jī)碳含量越低。因此，紅樹(shù)林沉積物是鄰近海水中有機(jī)碳的重要來(lái)源。另外，林內(nèi)紅樹(shù)植物種類(lèi)豐富，有發(fā)達(dá)的支持根和氣生根，也有利于有機(jī)碳的積累。根系生產(chǎn)是紅樹(shù)林濕地有機(jī)碳的重要來(lái)源，紅樹(shù)林植物的根系分泌物和根系降解導(dǎo)致根際沉積物有機(jī)碳含量更高，對(duì)有機(jī)碳的垂直分布具有決定性作用。在垂直分布上，10～20 cm土層有機(jī)碳含量最高，為32.11（±3.45）g/kg，與其他類(lèi)型農(nóng)用地（如拋荒地、菜地、水田地等）土壤有機(jī)碳垂直分布規(guī)律呈現(xiàn)出明顯差異，說(shuō)明影響紅樹(shù)林有機(jī)碳含量的主要因素不是凋落物，而是其獨(dú)特的植物根系。研究區(qū)內(nèi)土壤粒度和酸堿度對(duì)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生明顯影響。土壤粘粒和粉粒含量與有機(jī)碳含量呈正相關(guān)，砂粒含量和酸堿度與有機(jī)碳含量呈負(fù)相關(guān)。粘粒和粉粒具有較大的比表面積，有利于有機(jī)碳的吸附和富集。pH值通過(guò)影響微生物對(duì)有機(jī)碳的分解量和有機(jī)碳與土壤礦物的相互作用進(jìn)而影響有機(jī)碳的積累。