海南島北部地區紅樹林濕地土壤有機碳分布規律及影響因素

趙澤陽，趙志忠，付 博，邢瑤麗

（海南師范大學地理與環境科學學院，海南 海口 571158）

紅樹林是生長在熱帶、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］。為了適應潮間帶的環境，紅樹林形成了獨特的形態結構，具有防風護堤、防震減災、促淤造陸、改善生態狀況等功能，同時也固存了大量土壤，積累了豐富的有機碳（SOC）［5-10］。由于潮間帶的特殊生境，紅樹林濕地的碳循環較森林更為復雜，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介質的碳循環過程，其中沉積物是有機碳的重要聚積地，有機碳的沉積深度可達數米［11-12］。已有研究表明，紅樹林是地球上固碳能力最強的生態系統之一，單位面積紅樹林生態系統固碳能力大約為熱帶雨林的50倍，而且紅樹林長期處于淹水狀態，有機碳分解速率較慢，碳循環周期長，因此成為海岸帶最重要的碳匯之一［13-17］。紅樹林土壤有機碳的來源包括地表、地下徑流和潮汐作用帶來的溶解態和顆粒態有機碳以及紅樹林植物的凋落物、發達的氣生根和動物殘體［18-19］。近年來，受到水產養殖、海岸帶開發等方面影響，紅樹林面積急劇減少，改變了有機碳的分布規律及自身的碳匯功能，對臺風、海嘯等自然災害的防御功能有所下降［20］。有機碳對生態平衡以及全球碳循環有不可取代的重要意義，因此成為國內外學者研究的熱點問題［21-23］。

海南島是我國紅樹林分布最集中、保存最完整的地區，紅樹植物資源占全國總數的95%［24］。本研究以海南島北緣地帶的東寨港紅樹林、八門灣紅樹林、新盈紅樹林作為主要研究區，探究紅樹林土壤有機碳的空間分布特征、變化規律及其原因，分析有機碳聚積的影響因素，以期加深對紅樹林濕地土壤有機碳的生物地球化學循環過程的認識，為了解紅樹林有機碳分布特點、探明紅樹林土壤碳循環規律提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于海南島北部地區紅樹林分布集中區域（109.329°～110.804°E、19.542°～20.034°N），總面積9 722.6 hm2，其中紅樹林面積為4 817.25 hm2。區內紅樹林面積占整個海南島紅樹林面積的80%以上，占全國紅樹林總面積的12%［25］，包括海口市東寨港紅樹林自然保護區、文昌市八門灣紅樹林、臨高縣新盈紅樹林國家濕地公園，主要植物種類有紅海欖（Rhizophora stylosa）、海桑（Sonneratia caseolaris）、桐花樹（Aegiceras corniculatum）、角果木（Ceriops tagal）、白骨壤（Avicennia marina）等。研究區屬熱帶海洋性季風氣候，區內陽光充足、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。研究區內基巖上的土壤主要為海潮、河流和暴雨從集水區范圍沖刷帶來的細粒物質，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，有機碳含量較高。

1.2 樣品采集

本次研究主要在東寨港紅樹林（DZ）、八門灣紅樹林（BMW）、新盈紅樹林（XY）內設定采樣區（圖1），在每個采樣區選擇人為干擾較小的區域設置5個樣點，每個采樣點分別在紅樹林外距離林緣10 m處的低潮位光灘、林緣和距離林緣10～15 m的林內等3個部位用PVC管（直徑0.075 cm、長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），每層樣品均為隨機采集的多個點充分混合的混合土樣。

圖1 研究區采樣點分布

1.3 樣品處理

將采集后的樣品在室內進行自然風干、壓碎、剔除動植物殘體及礫石等雜質、碾磨、過0.150 mm尼龍網篩，分裝備用。

土壤有機碳含量采用德國TOC元素分析儀測定。為消除樣品中無機碳對測定結果的影響，每個樣品需要在上機測定前進行鹽酸酸化處理。具體操作步驟為：稱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，用磁力攪拌機攪拌，直至無氣泡產生。靜置24 h后，加入蒸餾水潤洗、離心3～4次，傾倒上清液除酸，用pH試紙檢測至溶液呈中性，放入烘箱蒸干，冷卻、干燥后研磨粉碎，最后上機測定有機碳含量。

土壤粒度使用激光粒度儀（Mastersizer 2000），參照國際制土壤粒度分級分類標準（粘粒 ＜2 μm、粉粒 2～20 μm），砂粒 ＞20 μm），將測定范圍設定為 0.02～2 000 μm［26］,具體操作步驟為：稱取0.5 g土壤置于小燒杯中，為了去除有機質和碳酸鹽，加入過氧化氫和鹽酸溶液，然后加超純水進行稀釋，靜置后除去上清液，再加入六偏磷酸鈉，用超聲波清洗機振蕩，最后上機測定土壤粒度。

土壤pH值使用梅特勒pH計測定，具體操作步驟為：稱取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計測定。

2 結果與分析

2.1 紅樹林土壤有機碳含量空間分布特征

分析結果顯示，東寨港、八門灣和新盈紅樹林沉積物中，有機碳平均含量分別為25.57（±3.14）、36.61（±4.46）、13.36（±1.71）g/kg，總體表現為八門灣紅樹林＞東寨港紅樹林＞新盈紅樹林，0～40 cm各層柱狀沉積物中土壤有機碳含量也都呈現出這一規律（圖2）。可能的原因如下：八門灣和東寨港深入內陸，是半封閉港灣式瀉湖海岸，灣內水動力作用較弱，沉積物不易被帶走，而陸源物質（尤其是細粒物質）易大量沉降堆積，因此有利于有機碳在沉積物中富集。新盈港地形似喇叭狀，西北處與外海相連接，海域開闊，水動力相對較強，不利于有機碳的積累。八門灣和東寨港土壤均以淤泥質為主，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為主，土壤層薄，有機碳容易通過淋溶作用下移。此外，東寨港和新盈港都是受人類活動影響較強的區域，周邊土壤利用率高，開發程度強，加快有機碳分解，因此含量相對較低。

圖2 不同區域紅樹林土壤有機碳含量分析

2.2 紅樹林土壤有機碳含量水平分布特征

紅樹林不同潮灘類型土壤表層有機碳含量在0.88～134.00 g/kg之間，平均有機碳含量為26.19（±0.20）g/kg。光灘、林緣和林內平均有機碳含量分別為13.88（±0.32）、21.24（±0.43）、41.69（±0.71）g/kg，變動幅度較大，說明土壤有機碳含量受潮灘類型的影響較大。對東寨港、八門灣和新盈紅樹林不同潮灘類型0～40 cm土壤有機碳含量進行分析，發現光灘、林緣和林內土壤表層有機碳含量呈現的整體趨勢為林內＞林緣＞光灘（圖3）。

進一步對區域土壤有機碳的來源進行分析，發現光灘土壤有機碳的主要來源可能是紅樹林凋落物以及水體中營養物質和浮游生物、藻類生物殘體。光灘有機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，經過周期性的沖刷，紅樹林的凋落物被潮水帶走，有機碳難以聚集。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物的能力較差，因此光灘有機碳含量相對較低。林緣作為光灘到林內的過渡潮灘類型，其有機碳的主要來源為紅樹林濕地生態系統中植物的凋落物以及動物殘體。相對于光灘，林緣受到潮水沖刷作用較小，凋落物和殘體容易聚集，因此有利于有機碳積累。在3種潮灘類型中，林內生物種類最為豐富，有海桑、白骨壤、桐花樹、海欖和角果木等先鋒紅樹植物，這些植物在土壤表層有發達的支持根和氣生根，不僅是有機碳的重要來源，同時也能將枯枝落葉滯留于土壤表層，提高有機碳含量，因此林內有機碳含量最高。

圖3 紅樹林不同潮灘類型土壤有機碳含量分析

2.3 紅樹林土壤有機碳含量垂直分布特征

海南島北部地區紅樹林土壤有機碳在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，最小值出現在30～40 cm土層，其土壤有機碳含量為22.21（±3.82）g/kg（圖4）。從圖4可以看出，不同土壤深度有機碳含量具有一定的規律性，東寨港、八門灣和新盈紅樹林土壤有機碳含量的垂直變化趨勢一致，均隨土壤深度的增加呈現先增加后降低的趨勢。通過數據分析，發現10～20 cm土層土壤有機碳含量與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。

進一步研究可以發現，紅樹林土壤有機碳具有獨特的垂直分布規律，與農田、果園、菜地等用地類型的垂直分布規律明顯不同，農田、果園、菜地土壤有機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］。這是因為農田、果園、菜地中土壤有機碳主要來源為凋落物，因此表層含量最高［29］。但是在紅樹林中土壤有機碳含量最大值出現在10～20 cm土層，其原因主要是紅樹林受到潮水周期性浸淹，凋落的枯枝落葉無法直接進入土壤，會隨著水流移動被潮水帶走，凋落物難以聚集，因此凋落物不能決定紅樹林土壤有機碳的垂直分布規律，也不是紅樹林土壤有機碳的主要來源。其主要來源應該是植物根系，紅樹植物的細根多分布在土壤中間層，細根周轉可以提供大量的有機物質，有利于土壤有機碳的累積［30］。

圖4 不同紅樹林土壤有機碳垂直分布規律

2.4 土壤粒度對紅樹林土壤有機碳含量的影響

已有研究表明，紅樹林濕地有機碳分布規律通常會受土壤粒度影響，有機碳含量也對土壤粒度有重要的調節作用［31-34］。這種調節作用的大小可以用土壤有機碳與粒度之間的相關關系表示，相關系數越大，兩者的相關關系越強。對東寨港、八門灣、新盈紅樹林濕地中有機碳與粘粒、粉粒、砂粒分別進行相關性分析，結果（圖5）顯示，紅樹林土壤有機碳與各級粒度均呈顯著相關，土壤有機碳含量與粘粒呈極顯著線性正相關關系（R2=0.57、R2=0.75、R2=0.64，P＜0.01），與粉粒呈極顯著線性正相關關系（R2=0.79、R2=0.80、R2=0.77，P＜0.01）與砂粒呈極顯著線性負相關關系（R2=0.79、R2=0.81、R2=0.72，P＜0.01）。分析其原因可能是：細顆粒物質具有較大的比表面積，其含量直接影響土壤結構和物質組成，粘粒和粉粒含量高的土壤能夠促進植物生長，隨著地上植物的生長，向土壤輸入的凋落物和根系沉積物增加，進而有利于有機碳的聚集［35-36］。

圖5 紅樹林土壤有機碳含量與粒度的相關性分析

2.5 土壤酸堿度對紅樹林土壤有機碳含量的影響

紅樹林濕地有機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。對海南島北部地區紅樹林0～40 cm土層土壤有機碳及pH值進行相關性分析，結果見圖6。海南島北部地區紅樹林pH值在2.68～8.73之間。在東寨港、八門灣、新盈紅樹林分布區內，有機碳含量與土壤pH值均呈極顯著負相關，相關系數

R2分別為0.40、0.55和0.37。有機碳含量與pH值的相關性強弱順序依次為八門灣紅樹林、東寨港紅樹林和新盈紅樹林。

一方面，酸堿度會影響土壤中微生物的種類、數量和活性。東寨港和八門灣紅樹林pH值分別為5.45和4.32，土壤偏酸性，偏酸環境中微生物活動會受到抑制，減少微生物對有機碳的分解轉化量，有利于有機碳的累積。新盈紅樹林土壤pH值為7.49，近于中性，中性土壤中微生物活性最強，阻礙有機碳積累。與本研究得出的有機碳含量規律（八門灣＞東寨港＞新盈）一致。

另一方面，酸堿度會通過影響土壤礦物表面電荷及吸附位點進而影響礦物對有機碳的吸附。pH較低的土壤一般帶有較多正電荷，從而有利于對帶負電有機碳的吸附，而pH較高的土壤，可吸附有機碳的礦物表面位點較少，因此對有機碳的吸附具有一定的選擇性［37］。八門灣和東寨港紅樹林土壤pH較低，對有機碳的吸附作用較強；而新盈紅樹林土壤pH相對較高，吸附有機碳的能力較弱。這與本研究得出的有機碳含量規律（八門灣＞東寨港＞新盈）一致。

圖6 土壤有機碳與酸堿度的相關性分析

3 結論與討論

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