廣西紅樹林群落表層沉積物有機碳的初步研究

談思泳+邱廣龍+范航清+蘇治南+韋梅球

摘要：探討了廣西紅樹林濕地有機碳含量、有機碳密度的分布規律，為今后該區域的相關研究和紅樹林濕地恢復提供基礎數據。為此，以廣西紅樹林優勢群落為調查樣地，調查了白骨壤、桐花樹、秋茄、木欖4種自然群落及無瓣海桑人工群落表層沉積物有（0～30 cm）機碳含量、有機碳密度和有機碳儲量。結果顯示：各群落沉積物有機碳含量為秋茄群落（22.90±2.66 g/kg）>無瓣海桑群落（19.58±2.85 g/kg）>桐花樹群落（15.55±1.44 g/kg）>木欖群落（11.63±1.21 g/kg）>白骨壤群落（10.82±0.65 g/kg）。有機碳密度為秋茄群落（2.43 kg/m2）>無瓣海桑群落（1.92 kg/m2）>白骨壤群落（1.51 kg/m2）>桐花樹群落（1.37 kg/m2）>木欖群落（1.12 kg/m2），平均為1.67 kg/m2。廣西紅樹林表層濕地沉積物（0～30 cm）有機碳碳儲量分別為：秋茄群落72.76 t/hm2、木欖群落33.49 t/hm2、桐花樹群落40.98 t/hm2、無瓣海桑群落57.73 t/hm2、白骨壤群落45.18 t/hm2。沉積物有機碳含量在垂直分布上從上而下呈現出逐漸下降的趨勢，且不同群落類型表層沉積物有機碳含量差異顯著。

關鍵詞：廣西紅樹林；表層沉積物；有機碳儲量

1 引言

隨著溫室效應的持續發酵，人們對空氣中CO2等溫室氣體含量尤為關注，進而對土壤中的碳儲量以及植物的固碳能力展開了深入的研究。現有濕地中的碳是碳匯還是碳源，對于空氣中的二氧化碳含量來說是一個重要的影響因子。濱海濕地是濕地系統中重要組成，濱海濕地沉積物中對碳儲量的研究和估算是現在以及未來的重要研究課題。紅樹林濕地生態系統是地球上生產力最高的生態系統之一，單位面積紅樹林根部以上的固碳能力是熱帶雨林的10倍[1，2]。國內對土壤有機碳的研究過去大多都集中在內陸，早在1999年王紹虎等[3]就估算了全國陸地土壤總有機碳儲量約為924.18×108 t，土壤碳庫儲量約占全球的6.73%。21世紀初期憲麗[4]、于東升[5]等分別用不同的方法對中國土壤有機碳庫進行了估算。國內對紅樹林濕地的早期研究主要集中在根部以上，如紅樹植物的熱值[6，7]、呼吸速率與碳輸出[8，9]、重金屬污染[10，11]、以及紅樹林系統的生物多樣性[12，13]，紅樹林濕地有機碳的研究起步比較晚，紅樹林的固碳能力[1，8]、有機碳分布規律[14，15]、碳儲量[16，17]、有機碳和其他土壤特性的關系[18]均取得了不同程度的研究成果。

廣西紅樹林濕地是國內重要的濕地系統，不僅面積寬廣，而且種類豐富[19]。廣西紅樹林的植被特征[20]、生態系統結構[19，20]、景觀變化[21，22]、和生物多樣性[12，13]等方面都曾被學者深入的研究，而碳儲量[16]、碳密度[23]的研究鮮見報道。筆者基于廣西紅樹林不同群落采集的沉積物樣品，分析廣西紅樹林濕地沉積物表層有機碳含量、有機碳密度、有機碳儲量的分布規律，為該區域紅樹林碳匯的估算提供基礎數據。

2 研究區概況和研究方法

2.1 研究區概況

該調查研究區位于廣西南部、北部灣北部，經緯度為21°24′～22°01′N，107°56′～109°40′E，廣西地處南亞熱帶，是典型的亞熱帶濕熱季風性氣候，氣候溫和，無嚴寒酷暑，最冷月為1月，最熱月為7月，該調查區年平均氣溫22.0～23.2℃，≥10℃的年積溫7571～8142℃，年均降雨量1565～2823 mm[24]。廣西的海岸線逶迤曲折，東起與廣東接壤的洗米河口，西至中越邊境北侖河口，綿延1628 km，孕育著1000多km2的濱海灘涂[24]。研究區位置及采樣點見圖1。基于國家林業局專項調查結果顯示廣西紅樹林現有面積8374.9 km2，宜林地面積9274.0 km2，未成林面積380.3 km2，紅樹林現有面積在國內居于第二位，僅次于廣東[25]。廣西現有紅樹林11科14屬14種[26]，構成桐花樹（Aegiceras corniculatum）群落、白骨壤（Avicennia marina）群落、秋茄（Kandelia obovata）群落、木欖（Bruguiera gymnorrhiza）群落、桐花樹-白骨壤群落、桐花樹-秋茄群落、白骨壤-秋茄群落、無瓣海桑（Sonneratia apetala）群落（人工林）等16個群落類型[27]，主要分布在防城港市、欽州市和北海市。

2.2 研究方法

2.2.1 樣品采集

樣地的布設和樣品的采集遵循了典型性和代表性的原則，根據廣西紅樹林的群落特征（表1），研究在廣西沿岸選取了白骨壤群落、桐花樹群落、秋茄群落、木欖群落及人工種植的無瓣海桑群落作為調查樣地。根據群落面積的大小和群落從陸到海的距離，將群落劃分為外灘、中灘、內灘。分別在各個群落的外灘、中灘、內灘各取3個剖面，在每個剖面的0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm處使用100 cm3的土壤環刀采集沉積物。

2.2.2 樣品室內測定

（1）沉積物含水量。

沉積物含水量采用烘干法：即將已稱濕重的樣品放入60℃的烘箱中烘干至恒重。計算公式為：

含水量% =（濕土重-干土重）/干土重×100%

（2）沉積物容重。

沉積物容重采用環刀法，計算公式為：

Rs= G×100/ V×（100+W）

式中：

Rs為土壤容重（g/cm3）；

G為環刀內濕樣重（g）；

V為環刀容積（cm3）；

W為樣品含水量（%）。

（3）沉積物有機碳含量。

沉積物有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化-硫酸亞鐵還原滴定法，即稱取已過100目篩的沉積物樣0.2～0.3 g于試管中，加入定量重鉻酸鉀試劑，置于185～190℃油浴鍋中加熱使土壤有機碳氧化，取出冷卻后用Fe2SO4標準溶液滴定至顏色由黃色突變至棕紅色為止。計算公式為：

沉積物有機碳含量（%）=[（V0-V）×C2×0.003×1.724×1000]/Mi

式中：

V0為空白滴定時消耗Fe2SO4標準溶液的體積（ mL）；

V為土樣消耗Fe2SO4標準溶液的體積（ mL）；

C2為Fe2SO4標準溶液的濃度（mol/L）； 0.003 為 1/4 碳原子的摩爾質量數（g/ mol）；

1.724 為由有機碳換算為有機質的系數；

Mi為第i層烘干沉積物試樣質量（g）。

每個樣品重復測定3次，結果取平均值。

（4）沉積物有機碳密度和碳儲量。

某一沉積物層i的有機碳密度SOCi（kg/m2）計算，公式為：

SOCi= CiDiEi（1-Gi）/10

式中，Ci為沉積物有機碳含量（%），Di為容重（g/cm3）；Ei為沉積物厚度（cm）；Gi為大于2mm的石礫所占的體積（%）。

沉積物有機碳儲量具體計算公式為：

SOCs=10niSOCi

式中， SOCs為某深度內的沉積物有機碳儲量（t/hm2）；SOCi為第i層土壤有機碳密度（kg/m2），n為土層數，10為由kg/m2換算為t/hm2的系數。

2.3 數據處理

用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0統計軟件進行數據整理和分析。

3 結果與討論

3.1 不同群落沉積物物理性質及其剖面分布

由表2可見，各個群落沉積物含水量差異大，最大的是桐花樹群落（67.45%），最小的是白骨壤群落（31.19%）。白骨壤群落沉積物含水率為30.31%～32.32%；桐花樹群落土壤含水率為62.74%～73.53%；秋茄群落土壤含水率為49.18%～59.93%；木欖群落沉積物含水率為37.89%～81.42%。無瓣海桑群落土壤含水率為40.11%～90.54%。研究區5種不同群落類型下土壤的含水率分布有所不同，白骨壤群落、木欖群落中土壤含水率垂直分布為先增后降，桐花樹群落、無瓣海桑群落土壤含水率隨著深度的減少，而秋茄群落卻隨著深度的增加含水率不斷增加。各群落增加或減少的幅度各不相同，白骨壤群落、桐花樹群落、秋茄群落變化得較為緩慢，木欖群落、無瓣海桑群落變化幅度較大。

由表2可見，沉積物容重大小排序為白骨壤群落（1.36 g/cm3）>秋茄群落（1.09 g/cm3）>無瓣海桑群落（1.06 g/cm3）>木欖群落（1.00 g/cm3）>桐花樹群落（0.90 g/cm3）。方差分析結果表明：白骨壤群落與其它四種群落差異極顯著（p<0.01），桐花樹群落與秋茄群落差異顯著（p<0.05），桐花樹群落、木欖群落、無瓣海桑群落之間，秋茄群落、木欖群落、無瓣海桑群落差異不顯著（p>0.05）。

3.2 不同群落沉積物有機碳含量

研究區5種不同群落表層沉積物有機碳含量（表3），秋茄群落>無瓣海桑群落>桐花樹群落>木欖群落>白骨壤群落。各群落沉積物有機碳含量變化范圍分別為，秋茄群落12.14～35.26 g/kg，木欖群落7.12～17.75 g/kg，白骨壤8.48～13.57 g/kg，桐花樹群落8.96～22.18 g/kg，無瓣海桑群落11.97～34.01 g/kg。與國內其他省份、國外紅樹林濕地相比，廣西紅樹林濕地各群落沉積物有機碳含量相對比較低。清瀾港紅樹林在90 cm土層處的有機碳含量還高于20 g/kg[28]。高于閩東紅樹林濕地0～60 cm土壤有機碳含量為12.94 g/kg[15]。低于馬達加斯加紅樹林0～30 cm土壤有機碳含量[29]（6～48 g/kg），遠低于密克羅尼西亞紅樹林0～30 cm的土壤有機碳含量[30]（73～125 g/kg）。與國內河流、沼澤濕地相比，廣西紅樹林濕地各群落沉積物有機碳含量相對比較高。遠高于長江口崇明東灘濕地[31]（長江口崇明東灘濕地蘆葦型沙質土4.34±1.30 g/kg、蘆葦/互花米草混合型粘質土7.35±1.63 g/kg、蘆葦/互花米草型粘質9.17±1.18 g/kg），與青海湖環湖[32]有機碳含量相近（0～10、10～20、20～30 cm土層有機碳含量分別為28.2 g/kg、20.1 g/kg、16.3 g/kg）。

方差分析結果表明，白骨壤和秋茄、無瓣海桑，桐花樹和秋茄群落沉積物有機碳含量差異顯著（P<0.05），白骨壤和木欖，桐花樹和木欖、無瓣海桑，秋茄和無瓣海桑，木欖和無瓣海桑群落沉積物有機碳含量差異不顯著（P>0.05）。在同種群落中，土沉積物剖面有機碳含量變異系數僅在0.0740～0.3788，白骨壤群落下土壤有機碳變異系數最低，僅有0.0740。各群落沉積物的有機碳含量垂直分布趨勢分兩種情況，白骨壤群落、木欖群落和秋茄群落由上向下先增多后減少，桐花樹群落和無瓣海桑群落由上而下逐漸降低。各群落增加或減少的幅度各不相同，白骨壤群落、桐花樹群落、木欖群落變化得較為緩慢，秋茄群落、無瓣海桑群落變化幅度較大。該區域的群落沉積物有機碳與容重之間呈負相關性（r=-0.516，N=45），均隨容重的變化呈相反趨勢變化。

3.3 沉積物有機碳含量空間分布

3.3.1 沉積物有機碳含量垂直方向分布

如圖2（a）所示，廣西各群落表層沉積物0～30 cm的變化范圍分別為：秋茄群落16.49～27.01 g/kg，木欖群落8.14～13.48 g/kg，桐花樹群落14.00～18.47 g/kg，白骨壤10.11～11.69 g/kg，無瓣海桑14.87～28.12 g/kg。廣西紅樹林濕地表層沉積物0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm深度有機碳含量分別為：17.33±1.96 g/kg，16.21±1.75 g/kg，14.75±1.96 g/kg。沉積物有機碳平均含量大小為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm。方差分析結果顯示，秋茄群落0～10 cm有機碳含量顯著低于10～20 cm、20～30 cm（p<0.05），無瓣海桑群落0～10 cm有機碳含量顯著高于10～20 cm、20～30 cm（p<0.05），這一結果與海南[14]不一致（海南無瓣海桑群落0～20 cm、20～40 cm沉積物有機碳含量不顯著），其它三種群落垂直分布差異不顯著，該結果與海南相同[14]。造成這一結果的原因可能是秋茄是板狀根紅樹植物，含碳量較高的凋落物在沉積物表面容易被潮水帶走；無瓣海桑群落是人工種植林，群落中的沉積物被翻動破壞，可能會造成一定深度內有機碳的損失，而無瓣海桑群落中有許多枯枝掉落在沉積物表面，這有利于葉、花、果實等凋落物不易被潮水帶走，在群落沉積物0～10cm形成積累。

3.3.2 沉積物有機碳含量在水平方向分布

如圖2（b）所示，廣西紅樹林濕地沉積物各群落從外灘到內灘有機碳含量的變化分別為：秋茄群落20.01～27.65 g/kg，木欖群落9.93～13.34 g/kg，桐花樹群落12.25～20.15 g/kg，白骨壤9.82～11.42 g/kg，無瓣海桑15.15～24.50 g/kg。水平方向平均有機碳含量分別為：內灘19.41±1.80 g/kg，中灘15.44±1.87 g/kg，外灘13.43±2.05 g/kg。各群落水平方向有機碳含量以及平均有機碳含量大小排序均為內灘>中灘>外灘。變化趨勢與密克羅尼西亞紅樹林土壤有機碳含量水平變化不一致[29]（近海>近陸>中間）。方差分析結果顯示，內灘、中灘、外灘之間沉積物平均有機碳含量差異不顯著（P>0.05）。從內灘到外灘有機碳含量變化最大的是秋茄群落和無瓣海桑群落；白骨壤群落變化最小，有機碳含量幾乎相同。

3.4 沉積物有機碳密度和碳儲量

經計算，廣西不同紅樹植物群落各自的平均有機碳密度分別為：秋茄群落2.43 kg/m2，無瓣海桑群落1.92 kg/m2，白骨壤群落1.51 kg/m2，桐花樹群落1.37 kg/m2，木欖群落1.12 kg/m2，總平均值為1.67 kg/m2（表4）。該結果遠低于海南島[14]、閩東地區[15]紅樹林土壤有機碳密度（海南島紅樹林0～20 cm、20～40 cm土壤有機碳密度分別為4.29±0.69、4. 26±0.99 kg/m2，閩東地區紅樹林0～20 cm土壤有機碳密度為10.61 kg/m2，20～40 cm為10.17 kg/m2，40～60 cm為7.49 kg/m2）。廣西紅樹林碳密度明顯低于海南和閩東地區跟紅樹林生長的海岸類型有關。廣西紅樹林大多生長在開闊海岸，海南和閩東地區紅樹林則主要生長在瀉湖和河口海岸。一般而言，瀉湖和河口海岸環境更有利于紅樹林的生長及固碳。廣西紅樹林碳密度低還可能與林區經濟活動有關。例如，廣西紅樹林灘涂盛產可口革囊星蟲（Phascolosoma esculenta），它是當地著名的特色食材，市場巨大，大量群眾常年進入林下灘涂挖捕。挖掘活動一方面嚴重傷害紅樹植物根系[33]，導致紅樹林的矮化，降低紅樹林固功能；另一方面，挖掘活動嚴重干擾沉積物的穩定性與完整性，可能會加快土壤碳庫的碳排放。挖掘活動對紅樹林碳匯的影響過程與機理還有待于進一步研究與驗證。

方差分析結果顯示，調查區表層沉積物有機碳密度垂直分布差異不顯著（p>0.05）。秋茄、無瓣海桑群落沉積物有機碳密度均與其他4個群落差異顯著（p<0.05），白骨壤、桐花樹、木欖之間群落沉積物有機碳密度差異不顯著（p>0.05）。各群落沉積物的有機碳密度垂直分布趨勢分兩種情況，白骨壤群落、桐花樹群落、秋茄群落和木欖群落由上向下先增多后減少，無瓣海桑群落由上而下先減少后增多。各群落增加或減少的幅度各不相同，白骨壤群落、桐花樹群落、木欖群落變化得較為緩慢，秋茄群落、無瓣海桑群落變化幅度較大。

0～30 cm有機碳儲量的計算結果分別為：秋茄群落72.76 t/hm2、無瓣海桑群落57.73 t/hm2、白骨壤群落45.18 t/hm2、桐花樹群落40.98 t/hm2、木欖群落33.49 t/hm2。有機碳儲量大小排序一致，秋茄>無瓣海桑>白骨壤>桐花樹>木欖。廣西紅樹林濕地沉積物有機碳儲量與密克羅尼西亞同等深度的紅樹林土壤有機碳儲量相近[29]（密克羅尼西亞0～30 cm碳儲量為48.7±4.8～78.4±10.4 t/hm2）；低于馬達加斯加覆蓋度高、覆蓋度低的紅樹林同等深度土壤有機碳儲量[30]（馬達加斯加覆蓋度高、覆蓋度低的紅樹林0～30 cm碳儲量分別為82.4、75.6 t/hm2）；低于海南島的紅樹林濕地土壤碳儲量[14]（海南紅樹林面積33.93 km2，1 m深度內碳儲量為2.39×106 t）；遠低于三江平原濕地[34]（1 m深度內島狀林、小葉章草甸和毛果苔草有機碳儲量分別為1.04、1.48、4.22×102 t/hm2）；低于廣西主要林型土壤碳儲量[35]（1 m深度內平均碳儲量為124.70 t/hm2）。

4 結論

研究表明，廣西紅樹林濕地表層沉積物有機碳含量表現為秋茄群落>無瓣海桑群落>桐花樹群落>木欖群落>白骨壤群落，有機碳碳儲量表現為秋茄群落>無瓣海桑群落>白骨壤群落>桐花樹群落>木欖群落。沉積物有機碳含量在垂直分布上從上而下呈現出逐漸下降的趨勢。廣西紅樹林濕地表層沉積物有機碳密度、碳儲量較海南、閩東的低，且不同群落類型表層沉積物有機碳含量差異顯著[36～41]。廣西紅樹群落表層沉積物碳庫可能與紅樹植物生長的海岸類型、人類活動等因素有密切聯系，有待于進一步研究。

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