海南岛北部地区红树林湿地土壤有机碳分布规律及影响因素

赵泽阳，赵志忠，付 博，邢瑶丽

（海南师范大学地理与环境科学学院，海南 海口 571158）

红树林是生长在热带、亚热带潮间海岸带受到潮水周期性浸淹的特殊植被群落［1-4］。为了适应潮间带的环境，红树林形成了独特的形态结构，具有防风护堤、防震减灾、促淤造陆、改善生态状况等功能，同时也固存了大量土壤，积累了丰富的有机碳（SOC）［5-10］。由于潮间带的特殊生境，红树林湿地的碳循环较森林更为复杂，包括大气与植被、植被与沉积物、沉积物与大气、沉积物与海水等多个介质的碳循环过程，其中沉积物是有机碳的重要聚积地，有机碳的沉积深度可达数米［11-12］。已有研究表明，红树林是地球上固碳能力最强的生态系统之一，单位面积红树林生态系统固碳能力大约为热带雨林的50倍，而且红树林长期处于淹水状态，有机碳分解速率较慢，碳循环周期长，因此成为海岸带最重要的碳汇之一［13-17］。红树林土壤有机碳的来源包括地表、地下径流和潮汐作用带来的溶解态和颗粒态有机碳以及红树林植物的凋落物、发达的气生根和动物残体［18-19］。近年来，受到水产养殖、海岸带开发等方面影响，红树林面积急剧减少，改变了有机碳的分布规律及自身的碳汇功能，对台风、海啸等自然灾害的防御功能有所下降［20］。有机碳对生态平衡以及全球碳循环有不可取代的重要意义，因此成为国内外学者研究的热点问题［21-23］。

海南岛是我国红树林分布最集中、保存最完整的地区，红树植物资源占全国总数的95%［24］。本研究以海南岛北缘地带的东寨港红树林、八门湾红树林、新盈红树林作为主要研究区，探究红树林土壤有机碳的空间分布特征、变化规律及其原因，分析有机碳聚积的影响因素，以期加深对红树林湿地土壤有机碳的生物地球化学循环过程的认识，为了解红树林有机碳分布特点、探明红树林土壤碳循环规律提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于海南岛北部地区红树林分布集中区域（109.329°～110.804°E、19.542°～20.034°N），总面积9 722.6 hm2，其中红树林面积为4 817.25 hm2。区内红树林面积占整个海南岛红树林面积的80%以上，占全国红树林总面积的12%［25］，包括海口市东寨港红树林自然保护区、文昌市八门湾红树林、临高县新盈红树林国家湿地公园，主要植物种类有红海榄（Rhizophora stylosa）、海桑（Sonneratia caseolaris）、桐花树（Aegiceras corniculatum）、角果木（Ceriops tagal）、白骨壤（Avicennia marina）等。研究区属热带海洋性季风气候，区内阳光充足、雨量充沛，年平均气温23.9℃，年均降水 1 735.5 mm，全年80%以上雨季集中在5～10月。研究区内基岩上的土壤主要为海潮、河流和暴雨从集水区范围冲刷带来的细粒物质，土壤主要为典型的酸性硫酸盐土，厚度在0.1～1.5 m之间，近海土层深厚，有机碳含量较高。

1.2 样品采集

本次研究主要在东寨港红树林（DZ）、八门湾红树林（BMW）、新盈红树林（XY）内设定采样区（图1），在每个采样区选择人为干扰较小的区域设置5个样点，每个采样点分别在红树林外距离林缘10 m处的低潮位光滩、林缘和距离林缘10～15 m的林内等3个部位用PVC管（直径0.075 cm、长50 cm，采集前用14%HNO3浸泡并晾干）采集距离地面深度为40 cm的土壤柱状沉积物，柱状样按照10 cm分割为：A层（0～10 cm）、B层（10～20 cm）、C层（20～30 cm）、D层（30～40 cm），每层样品均为随机采集的多个点充分混合的混合土样。

图1 研究区采样点分布

1.3 样品处理

将采集后的样品在室内进行自然风干、压碎、剔除动植物残体及砾石等杂质、碾磨、过0.150 mm尼龙网筛，分装备用。

土壤有机碳含量采用德国TOC元素分析仪测定。为消除样品中无机碳对测定结果的影响，每个样品需要在上机测定前进行盐酸酸化处理。具体操作步骤为：称取烘干至恒重的土壤0.5 g，放在小烧杯中，加入1 mol/L盐酸5 mL，用磁力搅拌机搅拌，直至无气泡产生。静置24 h后，加入蒸馏水润洗、离心3～4次，倾倒上清液除酸，用pH试纸检测至溶液呈中性，放入烘箱蒸干，冷却、干燥后研磨粉碎，最后上机测定有机碳含量。

土壤粒度使用激光粒度仪（Mastersizer 2000），参照国际制土壤粒度分级分类标准（粘粒 ＜2 μm、粉粒 2～20 μm），砂粒 ＞20 μm），将测定范围设定为 0.02～2 000 μm［26］,具体操作步骤为：称取0.5 g土壤置于小烧杯中，为了去除有机质和碳酸盐，加入过氧化氢和盐酸溶液，然后加超纯水进行稀释，静置后除去上清液，再加入六偏磷酸钠，用超声波清洗机振荡，最后上机测定土壤粒度。

土壤pH值使用梅特勒pH计测定，具体操作步骤为：称取5 g土壤，放入小烧杯中，按照水土2.5∶1.0的比例搅拌1 min、静置3 min，然后用pH计测定。

2 结果与分析

2.1 红树林土壤有机碳含量空间分布特征

分析结果显示，东寨港、八门湾和新盈红树林沉积物中，有机碳平均含量分别为25.57（±3.14）、36.61（±4.46）、13.36（±1.71）g/kg，总体表现为八门湾红树林＞东寨港红树林＞新盈红树林，0～40 cm各层柱状沉积物中土壤有机碳含量也都呈现出这一规律（图2）。可能的原因如下：八门湾和东寨港深入内陆，是半封闭港湾式瀉湖海岸，湾内水动力作用较弱，沉积物不易被带走，而陆源物质（尤其是细粒物质）易大量沉降堆积，因此有利于有机碳在沉积物中富集。新盈港地形似喇叭状，西北处与外海相连接，海域开阔，水动力相对较强，不利于有机碳的积累。八门湾和东寨港土壤均以淤泥质为主，粘粒和粉粒含量高，且沉积物累积厚度大，而新盈港土壤以砂泥质为主，土壤层薄，有机碳容易通过淋溶作用下移。此外，东寨港和新盈港都是受人类活动影响较强的区域，周边土壤利用率高，开发程度强，加快有机碳分解，因此含量相对较低。

图2 不同区域红树林土壤有机碳含量分析

2.2 红树林土壤有机碳含量水平分布特征

红树林不同潮滩类型土壤表层有机碳含量在0.88～134.00 g/kg之间，平均有机碳含量为26.19（±0.20）g/kg。光滩、林缘和林内平均有机碳含量分别为13.88（±0.32）、21.24（±0.43）、41.69（±0.71）g/kg，变动幅度较大，说明土壤有机碳含量受潮滩类型的影响较大。对东寨港、八门湾和新盈红树林不同潮滩类型0～40 cm土壤有机碳含量进行分析，发现光滩、林缘和林内土壤表层有机碳含量呈现的整体趋势为林内＞林缘＞光滩（图3）。

进一步对区域土壤有机碳的来源进行分析，发现光滩土壤有机碳的主要来源可能是红树林凋落物以及水体中营养物质和浮游生物、藻类生物残体。光滩有机碳的累积受到潮水涨落的影响，退潮流速往往大于涨潮流速，经过周期性的冲刷，红树林的凋落物被潮水带走，有机碳难以聚集。此外，光滩土壤缺少草本层和枯枝落叶层，裸露的土壤滞留有机物的能力较差，因此光滩有机碳含量相对较低。林缘作为光滩到林内的过渡潮滩类型，其有机碳的主要来源为红树林湿地生态系统中植物的凋落物以及动物残体。相对于光滩，林缘受到潮水冲刷作用较小，凋落物和残体容易聚集，因此有利于有机碳积累。在3种潮滩类型中，林内生物种类最为丰富，有海桑、白骨壤、桐花树、海榄和角果木等先锋红树植物，这些植物在土壤表层有发达的支持根和气生根，不仅是有机碳的重要来源，同时也能将枯枝落叶滞留于土壤表层，提高有机碳含量，因此林内有机碳含量最高。

图3 红树林不同潮滩类型土壤有机碳含量分析

2.3 红树林土壤有机碳含量垂直分布特征

海南岛北部地区红树林土壤有机碳在10～20 cm土层中含量最高，平均为32.11±（3.45）g/kg，其次是0～10 cm土层为25.00（±2.43）g/kg，20～30 cm土层为23.26（±3.06）g/kg，最小值出现在30～40 cm土层，其土壤有机碳含量为22.21（±3.82）g/kg（图4）。从图4可以看出，不同土壤深度有机碳含量具有一定的规律性，东寨港、八门湾和新盈红树林土壤有机碳含量的垂直变化趋势一致，均随土壤深度的增加呈现先增加后降低的趋势。通过数据分析，发现10～20 cm土层土壤有机碳含量与30～40 cm土层呈显著差异，与0～10 cm土层和20～30 cm土层差异不显著。

进一步研究可以发现，红树林土壤有机碳具有独特的垂直分布规律，与农田、果园、菜地等用地类型的垂直分布规律明显不同，农田、果园、菜地土壤有机碳含量最大值多在表层，且随土壤深度增加而降低，具有表聚性［27-28］。这是因为农田、果园、菜地中土壤有机碳主要来源为凋落物，因此表层含量最高［29］。但是在红树林中土壤有机碳含量最大值出现在10～20 cm土层，其原因主要是红树林受到潮水周期性浸淹，凋落的枯枝落叶无法直接进入土壤，会随着水流移动被潮水带走，凋落物难以聚集，因此凋落物不能决定红树林土壤有机碳的垂直分布规律，也不是红树林土壤有机碳的主要来源。其主要来源应该是植物根系，红树植物的细根多分布在土壤中间层，细根周转可以提供大量的有机物质，有利于土壤有机碳的累积［30］。

图4 不同红树林土壤有机碳垂直分布规律

2.4 土壤粒度对红树林土壤有机碳含量的影响

已有研究表明，红树林湿地有机碳分布规律通常会受土壤粒度影响，有机碳含量也对土壤粒度有重要的调节作用［31-34］。这种调节作用的大小可以用土壤有机碳与粒度之间的相关关系表示，相关系数越大，两者的相关关系越强。对东寨港、八门湾、新盈红树林湿地中有机碳与粘粒、粉粒、砂粒分别进行相关性分析，结果（图5）显示，红树林土壤有机碳与各级粒度均呈显著相关，土壤有机碳含量与粘粒呈极显著线性正相关关系（R2=0.57、R2=0.75、R2=0.64，P＜0.01），与粉粒呈极显著线性正相关关系（R2=0.79、R2=0.80、R2=0.77，P＜0.01）与砂粒呈极显著线性负相关关系（R2=0.79、R2=0.81、R2=0.72，P＜0.01）。分析其原因可能是：细颗粒物质具有较大的比表面积，其含量直接影响土壤结构和物质组成，粘粒和粉粒含量高的土壤能够促进植物生长，随着地上植物的生长，向土壤输入的凋落物和根系沉积物增加，进而有利于有机碳的聚集［35-36］。

图5 红树林土壤有机碳含量与粒度的相关性分析

2.5 土壤酸碱度对红树林土壤有机碳含量的影响

红树林湿地有机碳分布特征除了受到土壤粒度的影响外，还与土壤酸碱度有关。对海南岛北部地区红树林0～40 cm土层土壤有机碳及pH值进行相关性分析，结果见图6。海南岛北部地区红树林pH值在2.68～8.73之间。在东寨港、八门湾、新盈红树林分布区内，有机碳含量与土壤pH值均呈极显著负相关，相关系数

R2分别为0.40、0.55和0.37。有机碳含量与pH值的相关性强弱顺序依次为八门湾红树林、东寨港红树林和新盈红树林。

一方面，酸碱度会影响土壤中微生物的种类、数量和活性。东寨港和八门湾红树林pH值分别为5.45和4.32，土壤偏酸性，偏酸环境中微生物活动会受到抑制，减少微生物对有机碳的分解转化量，有利于有机碳的累积。新盈红树林土壤pH值为7.49，近于中性，中性土壤中微生物活性最强，阻碍有机碳积累。与本研究得出的有机碳含量规律（八门湾＞东寨港＞新盈）一致。

另一方面，酸碱度会通过影响土壤矿物表面电荷及吸附位点进而影响矿物对有机碳的吸附。pH较低的土壤一般带有较多正电荷，从而有利于对带负电有机碳的吸附，而pH较高的土壤，可吸附有机碳的矿物表面位点较少，因此对有机碳的吸附具有一定的选择性［37］。八门湾和东寨港红树林土壤pH较低，对有机碳的吸附作用较强；而新盈红树林土壤pH相对较高，吸附有机碳的能力较弱。这与本研究得出的有机碳含量规律（八门湾＞东寨港＞新盈）一致。

图6 土壤有机碳与酸碱度的相关性分析

3 结论与讨论

本研究结果表明，海南岛北部地区红树林湿地0～40 cm土层土壤有机碳含量为0.88～134.00 g/kg，平均值为25.18（±10.34）g/kg。受研究区特殊的地形特征以及周围人类活动等方面的影响，在空间分布上，海南岛北部地区红树林有机碳平均值排序结果为八门湾红树林＞东寨港红树林＞新盈红树林。海南岛北部地区红树林湿地光滩、林缘和林内随着红树林群落演替的过程，表层沉积物有机碳的积累逐渐增加，呈现出林内＞林缘＞光滩的趋势，说明沉积物受到海水冲刷时间及频次越多，向海水迁移的量也越大，有机碳含量越低。因此，红树林沉积物是邻近海水中有机碳的重要来源。另外，林内红树植物种类丰富，有发达的支持根和气生根，也有利于有机碳的积累。根系生产是红树林湿地有机碳的重要来源，红树林植物的根系分泌物和根系降解导致根际沉积物有机碳含量更高，对有机碳的垂直分布具有决定性作用。在垂直分布上，10～20 cm土层有机碳含量最高，为32.11（±3.45）g/kg，与其他类型农用地（如抛荒地、菜地、水田地等）土壤有机碳垂直分布规律呈现出明显差异，说明影响红树林有机碳含量的主要因素不是凋落物，而是其独特的植物根系。研究区内土壤粒度和酸碱度对土壤有机碳产生明显影响。土壤粘粒和粉粒含量与有机碳含量呈正相关，砂粒含量和酸碱度与有机碳含量呈负相关。粘粒和粉粒具有较大的比表面积，有利于有机碳的吸附和富集。pH值通过影响微生物对有机碳的分解量和有机碳与土壤矿物的相互作用进而影响有机碳的积累。