徐耀文，姜仲茂，武 鋒，楊倩梨，廖寶文＊

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520；2. 中山翠亨新區(qū)公共建設(shè)局，廣東 中山 528400)

紅樹(shù)林是生長(zhǎng)在熱帶、亞熱帶的木本群落[1]，是國(guó)際上生物多樣性保護(hù)和濕地生態(tài)保護(hù)的重要對(duì)象，近年來(lái)已成為國(guó)際上普遍關(guān)注的資源環(huán)境熱點(diǎn)問(wèn)題之一[2]。由于全球變暖的加劇，紅樹(shù)林的固碳能力得到了大量關(guān)注[3]，研究表明，紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)是濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)中碳密度最高的生態(tài)系統(tǒng)[4]。紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳是紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的重要組成部分，與此同時(shí)，土壤有機(jī)碳的影響因素也得到了大量的關(guān)注。土壤有機(jī)碳是植物枯枝落葉、動(dòng)物和微生物分泌物等的產(chǎn)物，處于不斷累積和消耗的動(dòng)態(tài)平衡中。關(guān)于紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳的遷移、轉(zhuǎn)化、固定機(jī)制等方面的研究較多[5-9]，但關(guān)于土壤有機(jī)碳的調(diào)查深度卻不盡相同，有30、50、100、120 cm等。一般認(rèn)為，土壤有機(jī)碳分布隨著土層深度的增加而逐漸降低，但表層土壤有機(jī)碳不穩(wěn)定且易受其他因素的干擾，下層土壤有機(jī)碳分布較穩(wěn)定。中國(guó)關(guān)于紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳分布及影響因素的研究較多，而關(guān)于人工引種的無(wú)瓣海桑林土壤有機(jī)碳分布規(guī)律及土壤因素的研究卻鮮有報(bào)道。有些學(xué)者分析了其他紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳含量與土壤pH值、鹽度、氮磷的關(guān)系，如趙澤陽(yáng)等[10]調(diào)查海南島北部地區(qū)紅樹(shù)林濕地土壤發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳含量與砂粒含量和pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，與黏粒和粉粒含量呈顯著正相關(guān)；但人工引種的無(wú)瓣海桑林土壤有機(jī)碳分布是否和其他紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳有相似的分布規(guī)律是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

研究無(wú)瓣海桑（Sonneratia apetala Buch.-Ham.）人工林土壤有機(jī)碳的分布規(guī)律及影響因子，對(duì)合理評(píng)估無(wú)瓣海桑人工林的生態(tài)價(jià)值，完善無(wú)瓣海桑人工林的保護(hù)制度，推進(jìn)人工紅樹(shù)林的恢復(fù)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以廣東中山翠亨國(guó)家濕地公園人工引種的無(wú)瓣海桑林為研究對(duì)象，參考最新的濱海生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)的野外采樣標(biāo)準(zhǔn)[11]，測(cè)定不同潮位帶0～100 cm層土壤有機(jī)碳含量及其他土壤理化指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析不同潮位帶土壤有機(jī)碳分布規(guī)律和各種土壤理化指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，為進(jìn)一步研究無(wú)瓣海桑人工林碳循環(huán)和有機(jī)碳儲(chǔ)量提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于廣東省中山市翠亨國(guó)家濕地公園內(nèi)（113°9′2″～113°46′ E，22°11′12″～22°46′35″ N），該地處于珠江橫門水道的咸淡交匯處，是珠江流域河口濕地生態(tài)系統(tǒng)的典型代表。中山翠亨國(guó)家濕地公園總面積為623.6 hm2，無(wú)瓣海桑人工林濕地面積393.44 hm2，濕地率達(dá)到63.09%。該濕地公園海域?qū)僦榻冢毕珜俨徽?guī)半日潮。

翠亨國(guó)家濕地公園內(nèi)地貌類型屬低丘、臺(tái)地、淺海等，具有明顯的垂直地帶性，即從淺海沉積的灘涂、泥沼→水道或旱地土壤→坡地赤紅壤；或從淺海沉積的灘涂、泥沼→濱海砂土→坡地赤紅壤。灘涂是濕地公園內(nèi)分布最廣的土類，此土壤屬淺海沉積的黑色黏質(zhì)鹽土（灘涂），由于受海潮、海水生物和河流帶來(lái)有機(jī)質(zhì)的作用，土壤肥力高，有利于紅樹(shù)林植物生長(zhǎng)發(fā)育。研究區(qū)內(nèi)紅樹(shù)林植被呈帶狀分布于水道兩側(cè)堤岸外圍的潮汐帶，種類組成單純，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，主要以無(wú)瓣海桑組成的單優(yōu)人工群落，林下有老鼠簕( Acanthus ilicifolius L.），三葉魚(yú)藤（Derris ellipitica Benth.）等。

在濕地公園內(nèi)，于2018年6月選擇人為干擾少、代表性強(qiáng)，2005年?duì)I造的無(wú)瓣海桑林作為研究對(duì)象，以潮位因素作為分類依據(jù)，分別在不同地點(diǎn)選取高潮帶、中潮帶和低潮帶（光灘）各3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)3個(gè)10 m×10 m的重復(fù)樣地。3種潮位帶樣地情況見(jiàn)表1，其中，高潮帶位于潮間帶的最上部，上界為大潮高潮線，下界是只有在大潮時(shí)才被海水淹沒(méi)的小潮高潮線；中潮帶是上界為小潮高潮線，下界是小潮低潮線，為典型的潮間帶地區(qū)；低潮帶是上界為小潮低潮線，下界是大潮低潮線，大部分時(shí)間浸在水里，只有在大潮落潮的短時(shí)間內(nèi)才露出水面。根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，同一區(qū)域3種潮位帶之間的采樣距離間隔100 m左右。

表 1 調(diào)查樣地基本情況Table 1 General conditions of sampled plots

2 研究方法

2.1 樣品采集

在每個(gè)重復(fù)樣地內(nèi)隨機(jī)選取立地條件相同的3個(gè)地點(diǎn)采集土樣。土壤樣品采集深度為100 cm，每個(gè)取樣點(diǎn)用直徑5 cm的土鉆取0～100 cm深的土柱，并按 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm的深度將土柱分為5層，將同一地點(diǎn)的3個(gè)重復(fù)土柱混合，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，去除根系，石粒等雜質(zhì)。研磨，過(guò)100目鋼篩。在分土層的同時(shí)，另外取土壤樣品，稱質(zhì)量，在105℃烘干至恒質(zhì)量，用于計(jì)算土壤密度和含水量。測(cè)定土壤pH值和有機(jī)碳、全氮、全磷、鹽度等含量，測(cè)定的依據(jù)分別是LY/T1239-1999、LY/T1237-1999，LY/T1228-1999、LY/T1232-1999、LY/T1251-1999。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

土壤有機(jī)碳（SOC）密度指一定深度土層中單位面積中土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存量[11]，其計(jì)算公式為：

式中：SOCDK—第 k層 SOC密度（kg·m-2）；K—土壤層次；Ck—第k層 SOC含量（g·kg-2）；Dk—第 k層土壤密度（g·cm-3）；Ek—第k層土壤厚度（cm）；Gk—第k層土壤中直徑＞2 mm石礫所占體積百分比（%）（國(guó)家林業(yè)局，2011）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和表格的繪制采用Excel 2013，數(shù)據(jù)的顯著性、回歸性以及相關(guān)性分析采用IBM公司的SPSS 23.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同潮位帶土壤有機(jī)碳的垂直分布特征

不同潮位帶土壤有機(jī)碳含量的垂直分布特征見(jiàn)圖1，再結(jié)合土壤含水量的分布特征計(jì)算得到土壤有機(jī)碳密度的分布特征（圖2）。在高潮帶，土壤有機(jī)碳含量的變化范圍為1.09%～2.73%，土壤有機(jī)碳密度的變化范圍為24.98～42.71 t·hm-2。在中潮帶，土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度隨土壤深度的增加變化相對(duì)不明顯，變化范圍分別為1.23%～1.45% 和 24.19～29.41 t·hm-2；低潮帶（光灘）土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度的變化范圍分別為 1.30%～1.38% 和 22.26～28.88 t·hm-2，沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。高潮帶0～80 cm土壤有機(jī)碳含量和密度明顯高于中潮帶和低潮帶，一方面是由于高潮帶受到海水的沖刷較中潮帶和低潮帶少，林下的枯枝落葉更易停留分解，對(duì)土壤有機(jī)碳的輸入也越多[12]；另一方面高潮帶的無(wú)瓣海桑的密度和胸徑樹(shù)高均大于中潮帶，而低潮帶沒(méi)有樹(shù)木生長(zhǎng)（表1），高潮帶高的生物量為土壤有機(jī)碳提供了更高的輸入源。因此，高潮帶無(wú)瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳含量及密度較中潮帶和低潮帶（光灘）高。

圖 1 不同潮位帶土壤有機(jī)碳含量垂直分布特征Fig. 1 Vertical distribution characteristics of soil organiccarbon content in different tidal zones

圖 2 不同潮位帶土壤有機(jī)碳密度垂直分布特征Fig. 2 Vertical distribution characteristics of soil organic carbon density in different tidal zones

圖1、2表明：在高潮位，土壤表層（0～20、20～40 cm）有機(jī)碳含量和密度最高，這是因?yàn)樵诟叱睅?，植物群落已?jīng)形成且生長(zhǎng)穩(wěn)定，林下灌木和草本植物豐富，喬木的枯枝落葉和林下植被為土壤有機(jī)碳提供了豐富的來(lái)源，增加了土壤有機(jī)碳的表聚力[13]。由于高潮帶豐富植物群落的存在，在一定程度上改變了潮汐海岸帶的地形，更有利于高潮帶截獲海水沖刷進(jìn)來(lái)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此，在0～20、20～40 cm土層中土壤有機(jī)碳是整個(gè)土壤剖面含量最高的。

3.2 不同潮位帶土壤物理性質(zhì)的垂直分布特征

3.2.1 土壤密度的垂直分布特征 圖3表明：在高潮帶，其土壤密度的變化范圍為1.07～1.22 g·cm-3，平均為1.20 g·cm-3，但在20～100 cm土層沒(méi)有顯著增加；而中潮帶和低潮帶土壤密度在0～100 cm剖面上的平均土壤密度均低于高潮帶，且平均密度相同，均為0.99 g·cm-3；但3種潮位帶土壤密度的共同點(diǎn)是表層（0～20 cm）土壤密度均為整個(gè)土層的最低值。土壤密度是土壤含水量的間接體現(xiàn)，土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和所處的環(huán)境共同決定了土壤的密度[13]。土壤中增加的物質(zhì)主要來(lái)自于植物枯枝落葉及根系有機(jī)質(zhì)和半有機(jī)質(zhì)等分解固定的結(jié)果[14]。

圖 3 不同潮位帶土壤密度的垂直分布特征Fig. 3 Vertical distribution characteristics of soil density in different tidal zones

3.2.2 土壤含鹽量的垂直分布特征 圖4表明：在3種潮位帶中，在0～100 cm土層，土壤含鹽量大部分呈先增再降低的變化趨勢(shì)，但平均含鹽量各不相同，從小到大依次為：高潮帶（2.11 g·kg-1）＜中潮帶（2.57 g·kg-1）＜低潮帶（2.89 g·kg-1），其中，3種潮位帶土壤含鹽量的最大值大部分出現(xiàn)在40～60 cm土層。土壤含鹽量是影響紅樹(shù)林有機(jī)碳儲(chǔ)量的主要影響因子[15]，土壤鹽度越大，會(huì)造成土壤緊實(shí)度越高，對(duì)有機(jī)碳的固定也就越弱。所以，高鹽度地區(qū)不利于紅樹(shù)林的生長(zhǎng)進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的累積[16-17]。葉君等[18]通過(guò)在長(zhǎng)江口研究不同鹽度下碳的分布和來(lái)源，得出不同形態(tài)的碳均與鹽度存在負(fù)相關(guān)的結(jié)論，與本研究結(jié)果一致。

圖 4 不同潮位帶土壤含鹽量的垂直分布特征Fig. 4 Vertical distribution characteristics of soil salinity in different tidal zones

3.3 不同潮位帶土壤化學(xué)性質(zhì)的垂直分布特征

3.3.1 土壤pH值的垂直分布特征 在本研究中，3種潮位帶土壤在各個(gè)土層中的pH值均低于8.0，且隨著潮位的增高土壤剖面平均pH值逐漸降低，依次為：低潮帶（7.82）＞中潮帶（7.35）＞高潮帶（6.92）（圖5）。3種潮位帶均表現(xiàn)出表層土壤pH值最低，且pH最高值出現(xiàn)在土壤中下層的特點(diǎn)。周慧杰等[19]通過(guò)對(duì)廣西欽州灣紅樹(shù)林研究也得到相同的結(jié)果。

3.3.2 土壤全氮含量的垂直分布特征 圖6表明：高潮帶土壤全氮在土壤剖面上總的變化趨勢(shì)是隨著土層深度的增加，土壤全氮含量逐漸降低，變化范圍為 0.83～1.93 g·kg-1，平均值為 1.30 g·kg-1；中潮帶土壤全氮整個(gè)土層剖面平均為0.98 g·kg-1；最高值出現(xiàn)在80～100 cm土層，含量為1.06 g·kg-1；低潮帶土壤全氮的的最高值出現(xiàn)在表層0～20 cm土層，含量為 1.15 g·kg-1。

圖 5 不同潮位帶土壤pH值的垂直分布特征Fig. 5 Vertical distribution characteristics of soil pH values in different tidal zones

圖 6 不同潮位帶土壤全氮的垂直分布特征Fig. 6 Vertical distribution characteristics of soil totalnitrogen in different tidal zones

3.3.3 土壤全磷含量的垂直分布特征 圖7表明：在高潮帶，隨著土層深度的增加，全磷含量逐漸降低，最大含量為1.02 g·kg-1；中潮帶，全磷含量最高值出現(xiàn)在20～40 cm土層，最低值出現(xiàn)在60～80 cm土層，且各土層間沒(méi)有明顯的規(guī)律性；低潮帶，全磷含量最高值出現(xiàn)在0～20 cm土層，最低值出現(xiàn)在20～40 cm土層，平均含量為0.68 g·kg-1。

圖 7 不同潮位帶土壤全磷的垂直分布特征Fig. 7 Vertical distribution characteristics of total phosphorus in soil at different tide levels

3.4 土壤理化性質(zhì)與土壤有機(jī)碳的相關(guān)性

將3種潮位帶土壤性質(zhì)綜合，進(jìn)行雙變量分析，得表2。表2表明：土壤有機(jī)碳和土壤pH值極顯著負(fù)相關(guān)；土壤全氮含量是各項(xiàng)指標(biāo)中和有機(jī)碳含量相關(guān)性最顯著的，土壤中氮的來(lái)源和有機(jī)碳一樣，主要來(lái)自與腐殖質(zhì)的分解，因此，在相關(guān)性上表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)性（P＜0.01）；磷元素和氮、有機(jī)碳一樣，其主要來(lái)源是植物枯枝落葉的分解，土壤有機(jī)碳含量和全磷含量之間呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.488；土壤有機(jī)碳和含鹽量之間存在著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，皮爾遜相關(guān)系數(shù)為-0.328；土壤有機(jī)碳含量和密度之間無(wú)相關(guān)性。

表 2 土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 2 correlation between soil organic carbon and soil physical and chemical properties

4 討論

4.1 中山翠亨無(wú)瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳分布特征

總體來(lái)看，中山翠亨無(wú)瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量都遠(yuǎn)高于我國(guó)其他農(nóng)田生態(tài)系[20]，而與其他相近地區(qū)陸地森林生態(tài)系統(tǒng)相似[21-22]。與其他天然紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)相比，無(wú)論是有機(jī)碳含量還是有機(jī)碳儲(chǔ)量均較低[19,23]。紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力高，腐殖質(zhì)等有機(jī)物分解歸回土壤的比例也大，這都是紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳含量高的原因。由于中山翠亨紅樹(shù)林屬人工林，喬木樹(shù)種均為無(wú)瓣海桑，其生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)相對(duì)其他天然紅樹(shù)林較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)力水平也相對(duì)較低，這是造成無(wú)瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳低于天然紅樹(shù)林的主要原因。有研究表明，紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳和樹(shù)齡、潮位因素、樹(shù)種等都有密切的關(guān)系[24]，這些因素對(duì)于無(wú)瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳的影響都需要進(jìn)一步的深入研究。中山翠亨無(wú)瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳的垂直分布和潮位有密切關(guān)系，在高潮帶，土壤有機(jī)碳含量和密度均隨著土層深度的增加而不斷降低，而在中潮帶和低潮帶，土壤有機(jī)碳含量和密度均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，且變化幅度不大。土壤有機(jī)碳的垂分布和林下枯落物碳源的輸入、立地環(huán)境、潮汐等密切相關(guān)，這些復(fù)雜因子的存在是土壤有有機(jī)碳垂直分布特征在不同潮位帶出現(xiàn)差異的主要原因。

4.2 中山翠亨無(wú)瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳含量和土壤全氮、全磷、pH值存在極顯著關(guān)系

在本研究中，無(wú)瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳和全氮、全磷均呈極顯著正相關(guān)。在其他天然紅樹(shù)林土壤理化性質(zhì)的研究中，也均發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳和土壤全氮有極顯著正相關(guān)，但卻與土壤全磷呈極顯著負(fù)相關(guān)[19]；而袁彥婷等[25]對(duì)廣東、海南、廣西的紅樹(shù)林土壤有機(jī)碳和全氮、全磷關(guān)系的研究和本研究的結(jié)果一致。土壤中有機(jī)碳和全氮的來(lái)源基本一致，均主要來(lái)自植物枯枝落葉的分解[26]，而土壤有機(jī)碳和全磷的關(guān)系存在著一定的爭(zhēng)議，主要是因?yàn)橥寥乐腥缀窟€受到土壤質(zhì)地、機(jī)械組成等因素的強(qiáng)烈影響[27]，如有研究表明，粘粒土壤對(duì)顆粒態(tài)磷的吸附作用極強(qiáng)[19]，這些都是造成土壤全磷含量和土壤有機(jī)碳含量關(guān)系在不同地區(qū)存在差異的原因。

中山翠亨無(wú)瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳含量和土壤pH值間存在極顯著負(fù)相關(guān)，在森林生態(tài)系統(tǒng)和天然紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)中也同樣存在[20,25]。土壤pH值差異直接影響土壤微生物生長(zhǎng)的環(huán)境，不同的pH值會(huì)導(dǎo)致不同的微生物種類、數(shù)量以及活性。一般認(rèn)為，強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性的環(huán)境都不利于微生物的生長(zhǎng)，所以，在中性偏弱酸的環(huán)境下，土壤pH值越低，越有利于有機(jī)物質(zhì)的分解，土壤有機(jī)碳的含量也就越高，即土壤有機(jī)碳含量和土壤pH值表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。

需要指出的是，無(wú)瓣海桑是作為人工恢復(fù)紅樹(shù)林過(guò)程中的替代樹(shù)種，其只作為人工恢復(fù)紅樹(shù)林過(guò)程中的一部分，最終的恢復(fù)結(jié)果是鄉(xiāng)土紅樹(shù)植物的定居，且人工無(wú)瓣海桑在引種的過(guò)程中存在生物入侵風(fēng)險(xiǎn)以及后代再生困難等問(wèn)題[28]。對(duì)紅樹(shù)林的恢復(fù)最好的方式是“引進(jìn)種＋鄉(xiāng)土種”，所以，在人工無(wú)瓣海桑林的研究過(guò)程中應(yīng)逐漸加入“引進(jìn)種＋鄉(xiāng)土種”這一配植模式。本文的研究主要聚焦于人工無(wú)瓣海桑林，所以，在后續(xù)的研究中應(yīng)加強(qiáng)這一方面的跟蹤調(diào)查，以期為紅樹(shù)林恢復(fù)提供更加實(shí)際科學(xué)的基礎(chǔ)素材，這些都是值得進(jìn)一步研究的課題。

5 結(jié)論

潮位因素對(duì)無(wú)瓣海桑人工林土壤有機(jī)碳分布影響明顯，高潮帶無(wú)論是土壤有機(jī)碳含量還是有機(jī)碳碳儲(chǔ)量均高于中潮帶和低潮帶。通過(guò)對(duì)土壤有機(jī)碳含量和各種土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳的含量和土壤全磷、全氮、pH值的關(guān)系最密切，這些指標(biāo)可以用來(lái)預(yù)測(cè)人工無(wú)瓣海桑林的土壤有機(jī)碳分布。