淇澳岛不同恢复类型红树林碳密度 及固碳速率研究

胡懿凯，朱宁华，廖宝文，游奕来，唐 虹

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.中国林业科学研究院 热带林业研究所，广东 广州 510520；3.广东珠海淇澳-担杆岛省级自然保护区，广东 珠海 519000）

红树林是生长在热带和亚热带海岸潮间带的特殊湿地生态系统，在防风固田、促进淤泥沉积、保护海岸线、抵御自然灾害等方面具有重要作用[1-2]。近些年，红树林生态系统中的碳储量及其变化在全球碳平衡中的作用和地位越来越受重视[3-5]。

红树林等滨海生态系统所隔离的碳，称为“蓝碳”[6]。近年来，“蓝碳”因其储量巨大，且每年有0.15～1.02 Pg 的碳排放量而成为研究的热点[7]。作为滨海系统的重要组成部分，红树林所固定的“蓝碳”一直是是滨海生态系统碳循环中的重要组成部分[8]。红树林在全球碳循环及平衡中的作用独特而重要。红树林碳储量高，且具有极高的碳汇潜力[9]。在保护现有红树林生态系统前提下，选择碳密度高的红树林树种和最佳的碳汇环境用于造林和林分改造，扩增红树林面积，提高红树林碳储量意义重大[10]。研究红树林湿地碳储量及固碳能力，有利于深入认识红树林湿地碳循环过程及其调控机制，对红树林湿地的保护和合理利用具有重要意义。目前，有关红树林恢复过程中固碳及固碳机制的研究非常缺乏。由于受潮汐浸淹、盐胁迫等影响，红树林湿地固碳机制研究既要以陆地生态系统的固碳理论为基础，还须针对其特殊生境开展专门研究。只有充分理解红树林植被及其土壤碳积累的调控机制，才能对恢复演替过程中红树林固碳潜力做出预测，进而研发出红树林恢复经营过程中固碳增汇的调控技术和手段。

本研究通过研究珠海淇澳岛不同恢复方式下红树林人工林碳密度，寻找差异，对比不同恢复方式的红树林碳密度及其固碳速率，合理配置红树林恢复树种，促进湿地恢复并提高湿地的固碳能力。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

调查地点位于珠海市淇澳岛（113°36′40″～ 113°23′40″ E，22°23′40″～22°27′38″ N），该岛植被覆盖率高达85%，东与香港、深圳相望，北邻中山横门、东莞虎门。珠海市淇澳岛属南亚热带季风气候，年均温为24.5 ℃，最低气温为 1月份，最高气温为7月份。年均日照时数可达 1 907.4 h，年均降水量为1 964.4 mm，主要集中在4―9月份，年平均空气相对湿度为79%。该地潮汐为不规则的半日潮，海水盐度年平均值为18.4%，属滨海盐渍草甸沼泽土壤。淇澳岛有10 科13 属15 种真红树，其中包括引种栽培的，分别是秋茄Kandelia obovata，老鼠簕Acanthus ilicifolius、卤蕨Acrostichum aureum、海桑Sonneratia caseolaris、无瓣海桑Sonneratia opetala和桐花树Aegiceras corniculatum等；半红树有7科9 属9 种，主要有银叶树Heritiera littoralis、和水黄皮Pongamia pinnata等[11]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置

于2018年1月在珠海淇澳岛大围湾湿地种设置15 个类型的样地，选取的15 个类型样地均处于大围湾湿地中段，属同一个区域，造林时间为2001年，林分年龄为17 a，环境差异不大，其中14 个为红树林样地，1 个为光滩对照样地。分别为无瓣海桑+老鼠簕+卤蕨群落、无瓣海桑+卤蕨群落、无瓣海桑+木榄（5 a）群落、银叶树群落、无瓣海桑群落、木榄群落、卤蕨群落、秋茄群落、无瓣海桑+木榄群落、无瓣海桑+老鼠簕群落、老鼠簕群落、桐花树群落、无瓣海桑+桐花树群落、互花米草群落。每个群落类型设置3个10 m×10 m的样方，进行群落调查。

1.2.2 群落调查

在样方内，测量和记录所有植株的种名、胸径（或地径）、树高和存活状态，对于多分枝的植株，测定所有树干的胸径（或地径）（表1）。包括枯立木和倒木，并在备注中标明枯死程度（叶和枝剩余程度）；测定所有活木和死木、倒木的胸径（或地径）和树高，每测完1株即作记号，避免重复测量。

1.2.3 地表凋落物调查

在每个样地随机设置 3 个 1 m×1 m 的小样方，收集其中的凋落物（枝、叶、花和果），清洗掉其表面泥土，烘干至恒重后分器官称重，取各器官样品 300～500 g 测定碳含量。

1.2.4 土壤取样与分析

土壤中的碳主要集中在1 m 深土层，1 m 以下土层含碳量低且随土层加深而不断下降，因此土壤样品取1 m 深土层[12]。各样方内，随机选择3 个地点，用土钻钻取 3 个深达1 m 的土柱，按 0～20、20～40、40～60、60～80、80～ 100 cm 分为5 层，分别测量各层鲜质量，然后将3 土柱相同土层的土壤混匀，用于土壤容重、有机碳含量测定。土壤容重采用环刀法测定，土壤有机碳测定利用 EA3000 CHNS/O 元素分析仪测定。

1.2.5 红树林碳密度及固碳速率计算

单木生物量采用异速生长方程估算（表2），其中无瓣海桑异速生长方程采用笔者与广东省林业调查规划院合作在广东省范围内通过挖取25 株10 个不同径阶活立木（6 径阶2 株，12 径阶4 株，14 径 阶2 株，16 径 阶3 株，18 径 阶5 株，20 径阶1 株，22 径阶2 株，24 径阶3 株，26 径阶1 株，30 径阶2 株）获得生物量数据建立。样地生物量为样地单木生物量之和。分别计算样方内每棵树木的地上和地下生物量，累加样方内所有树木的地上和地下生物量得到植物生物量，再乘上不同树种的植物碳含量，计算得到植被碳密度。在每个样地内，收集3 个1 m×1 m 样方范围内的凋落物，用凋落枝、叶、花果的现存量分别乘以对应的碳转换系数，相乘后得到凋落物碳密度，取3个样方的凋落物碳密度平均值即为该样地凋落物的碳密度。土壤碳密度计算方法为有机碳含量、容重和土壤厚度之积，红树林总碳密度即为植被碳密度、枯落物碳密度与土壤碳密度之和。

表1 不同恢复类型红树林群落调查信息Table1 Community information of different mangrove types

表2 不同红树异速生长方程† Table2 Allometric equation of different mangroves

固碳速率方程为：

式（1）中：Cv为固碳速率，Cd为现碳密度，Cd′为n年前碳密度，n为年份。计算植被固碳速率时，Cd′的取值为0。计算土壤固碳速率时，Cd′的取值为光滩土壤碳密度[13]。

1.3 数据处理

运用Excel 软件进行数据处理和作图，应用 SPSS 20.0 软件进行数据分析，其中，不同类型红树林碳密度、固碳速率差异性采用采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和Duncan's 多重比较 （α=0.05）分析。

2 结果与分析

2.1 不同恢复类型红树林植被、土壤碳密度

由表3可知，以光滩作为恢复对照，对比14个不同恢复类型的植被碳密度，各群落类型间差异显著，无瓣海桑+老鼠簕+卤蕨群落的植被碳密度最大为162.68±9.32 t·hm-2。人工恢复的无瓣海桑群落，无论是混交同年龄木榄及5年生木榄或者林下自然恢复老鼠簕、卤蕨以及老鼠簕和卤蕨，其植被碳密度都很高，与其他人工恢复不同树种（银叶树、木榄、秋茄、桐花树）间的差别很大。互花米草、卤蕨、老鼠簕作为自然恢复的灌草本植物，其植被生物量小，植被碳密度也相应较小。

表3 不同恢复类型红树林碳密度†Table3 Carbon density of different mangrove types

对比14 个不同恢复类型的土壤碳密度，发现各样地类型间差异显著，无瓣海桑+老鼠簕+ 卤蕨群落的土壤碳密度最大为234.12± 7.19 t·hm-2，互花米草群落土壤碳密度最小为113.55±7.83 t·hm-2。人工恢复的无瓣海桑群落与银叶树、木榄、秋茄群落的土壤碳密度差异不明显，这4 个树种的土壤固碳效果相近。3 个自然恢复的灌草本群落类型间的土壤碳密度差异很大，卤蕨群落土壤碳密度最大为190.88±7.23 t·hm-2，老鼠簕群落土壤碳密度为165.34±8.12 t·hm-2，互花米草群落土壤碳密度最小为113.55±7.83 t·hm-2。

对比14 个不同恢复类型的凋落物碳密度，发现个群落类型间差异显著，但其碳密度都较小。对比14 个不同恢复类型的总碳密度，无瓣海桑+老鼠簕+卤蕨群落的总碳密度最高为399.30±6.44 t·hm-2，互花米草群落的总碳密度最小为115.03±7.83 t·hm-2。人工恢复的无瓣海桑群落混交同龄或者5年生木榄以及林下自然更新老鼠簕、卤蕨以及老鼠簕和卤蕨，其总碳密度都较其他人工恢复树种（银叶树、木榄、秋茄、桐花树）的总碳密度大。

2.2 不同类型红树林植被固碳速率

依据图1，对比14 个不同类型红树林群落的植被固碳速率，发现各群落类型的植被固碳速率差异显著。以无瓣海桑为主要造林树种的群落，不论混交其他树种，或是林下自然更新，其植被固碳速率都较高，这是因为无瓣海桑为速生树种，其单位面积生物量很大。银叶树、秋茄、木榄、桐花群落的植被固碳速率较以无瓣海桑为主要造林树种的群落植被固碳速率差异显著。灌草群落互花米草、老鼠簕、卤蕨群落的植被生物量很小，因此植被固碳速率很低，与乔木群落植被固碳速率差异显著。

14 个群落类型中，无瓣海桑+老鼠簕+卤蕨群落的植被固碳速率最快为9.57±0.55 t·hm-2a-1，卤蕨群落的固碳速率最慢为0.05±0.00 t·hm-2a-1。

2.3 不同类型红树林土壤固碳速率

通过图2，对比14 个不同群落类型的土壤固碳速率。无瓣海桑+老鼠簕+卤蕨群落与无瓣海桑+卤蕨群落土壤固碳速率较快，两者差异不明显，其土壤固碳速率分别为8.27±0.42、 7.26 ±1.74t·hm-2a-1。

图1 不同类型红树林植被固碳速率Fig.1 Carbon sequestration rate of different types of mangrove

图2 不同类型红树林土壤固碳速率Fig.2 Soil carbon fixation rate of different mangrove types

对比不同乔木树种的红树林群落，其土壤固碳速率差异不显著，分别为银叶树6.29± 0.01 t·hm-2a-1、无 瓣 海 桑6.07±0.01 t·hm-2a-1、木 榄6.07±0.01 t·hm-2a-1、卤 蕨5.73±0.00 t·hm-2a-1、秋 茄5.71±0.00 t·hm-2a-1。桐花树群落、无瓣海桑+桐花树群落土壤固碳速率差异不显著，其土壤固碳速率为3.67±0.00、3.61±0.18 t·hm-2a-1。互花米草群落土壤固碳速率最小，为1.18±0.00 t·hm-2a-1。由于无瓣海桑自然更新群落林下存在大量的灌草老鼠簕及卤蕨、群落内的凋落物不易被潮汐带走，凋落物中的有机碳很大程度上归还到了土壤当中，其土壤固碳速率，对比其他群落类型就相对较快。

2.4 不同类型红树林总固碳速率

通过图3，分析发现林下进行天然更新的无瓣海桑+老鼠簕+卤蕨群落总固碳速率最快为17.84±0.38 t·hm-2a-1，无瓣海桑群落、无瓣海桑+卤蕨群落、无瓣海桑+老鼠簕群落总固碳速率相近为15.48±0.34、14.91 ±1.25、13.30±1.04 t·hm-2a-1。

对比无瓣海桑+木榄群落、无瓣海桑+木榄（5 a）群落总固碳速率发现，两种群落类型的总固碳速率差异不显著，分别为14.47±0.79、14.31±0.95 t·hm-2a-1。

对比不同乔木群落类型，无瓣海桑群落、银叶树群落、秋茄群落、木榄群落、桐花树群落，差异显著，分别为15.48±0.34、10.38±0.28、9.44 ±0.46、9.19±0.40、6.05±0.56 t·hm-2a-1。

对比不同灌草群落类型，卤蕨群落、老鼠簕群落、互花米草群落总固碳速率分别为5.78±0.43、4.29±0.48、1.27±0.46 t·hm-2a-1。

图3 不同类型红树林总固碳速率Fig.3 Total carbon sequestration rate of different types of mangroves

3 结论与讨论

3.1 讨 论

3.1.1 不同类型红树林植被碳密度与固碳速率

本研究结果表明，淇澳岛14 个红树林群落类型中，无瓣海桑+老鼠簕+卤蕨群落的植被碳密度最大为162.68±9.32 t·hm-2，植被固碳速率最快为9.57±0.55 t·hm-2a-1，卤蕨群落的植被碳密度最小为0.79±0.02 t·hm-2，植被固碳速率最慢为0.05±0.00 t·hm-2a-1。

红树林群落的生物量决定了其植被碳密度的大小，树种和年龄是决定红树林植被生物量，也是决定碳密度和固碳速率的两个最为重要的因素。一般说来，植物在幼年生长量较大，固碳速率高，随着其生长年份的增加，生长量增量逐渐减小，固碳速率则随之下降。事实上，即使在同一纬度的红树林植物分布区，其气候条件（降水、温度等）也可能存在很大差异，进而影响红树林植物的生物量及其分布格局[21]。

3.1.2 不同类型红树林土壤碳密度与固碳速率

本研究结果表明，淇澳岛14 个红树林群落类型中，无瓣海桑+老鼠簕+卤蕨群落的土壤碳密度最大为234.12±7.19 t·hm-2，其土壤固碳速率分布为8.27±0.42 t·hm-2a-1，互花米草群落土壤碳密度最小为113.55±7.83 t·hm-2，互花米草群落土壤固碳速率最慢，为1.18±0.00 t·hm-2a-1。

红树林土壤的有机碳含量与植被每年归还给土壤的归还量以及自身分解土壤有机碳的速率有关，植被类型、土壤性质的差异以及红树林生长地区的气候特点，都是造成土层内有机碳含量差别的因素[22]。根据相关的研究，红树林湿地生产力高、土壤沉积有机质的速度快且自身呼吸释放CO2速度慢，这就使得红树林湿地土壤拥有较高的土壤有机碳含量。此外，红树植物的根系对土壤有机碳的沉积也有影响[22]。植被类型以及群落的树种组成显著影响土壤碳密度和固碳速率。树种组成往往决定了红树林生态系统的固碳潜力[23]。植物种类及不同的群落组成决定了对土壤有机碳的输入，包括输入的形式以及输入的数量。不同的群落，其土壤环境内的微生物种类、活性、数量也都不相同。而不同的微生物对土壤有机碳的分解强度也不相同。

3.2 结 论

不同树种及栽种模式的红树林间，植被、土壤碳密度以及固碳速率差异显著。无瓣海桑为淇澳岛造林恢复的最佳树种，其植被碳密度为159.99 t·hm-2，1 m 深土壤碳密度为196.72 t·hm-2，总固碳速率为15.48 t·hm-2a-1。无瓣海桑混交其他树种进行恢复，无瓣海桑混交木榄为最佳组合，其植被碳密度为153.72 t·hm-2，1 m 深土壤碳密度为185.78 t·hm-2，总固碳速率为14.47 t·hm-2a-1。以无瓣海桑进行林下天然恢复，无瓣海桑+老鼠簕+ 卤蕨的群落类型为最优恢复类型，其植被碳密度为162.68 t·hm-2，1 m 深土壤碳密度为234.12 t·hm-2，总固碳速率为17.84 t·hm-2a-1。