广西珍珠湾三种红树林林分土壤碳氮储量的研究

陶玉华 黄星 王薛平 钟秋平

摘 要：为了探讨不同红树林林分土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）和全氮（total nitrogen，TN）储量空间的分布特征以及与C/N的相关性，该研究以广西防城珍珠湾红树林湿地为对象，通过样地调查取样和实验室分析，测定了SOC和TN的含量以及土壤碳储量的计量，揭示了广西北仑河珍珠湾秋茄、木榄和混交林三种红树林林分SOC和TN储量空间的分布特征以及C/N与SOC和TN的相关性。结果表明：（1）秋茄、木榄和混交林的SOC储量分别为140.73、124.94、144.71 t·hm2，三者无显著性差异（P>0.05）;木榄和混交林垂直分布特征表现为20～40 cm>0～20 cm>40～60 cm，秋茄表现为随着土层深度的增加而遞减。（2）秋茄、木榄和混交林的TN储量分别为6.49、5.01、5.87 t·hm2，表现为随着土层深度的增加而减少的趋势。（3）秋茄、木榄和混交林的SOC与TN储量之间的相关性极显著（P<0.01），相关系数分别为0.924、0.971和0.844，说明SOC与TN之间存在一定的耦合效应。（4）三种林分的C/N比值范围为16.77～24.39，表明有机质主要来源于陆地，木榄和混交林土壤的C/N值与SOC储量有显著的相关性（P<0.05），三种林分的C/N比值与TN储量相关性均不显著。（5）三种红树林林分的土壤碳储量均高于我国森林土壤碳储量的平均值，且SOC与TN储量之间的相关性极显著。

关键词：秋茄，木榄，混交林，碳氮储量，分布特征

Abstract：Inorder to probe the storage and spatial distribution characteristics of soil organic carbon（SOC） and total nitrogen （TN） and the relationship between C/N and SOC and TN in soil of mangrove stands of different ages，SOC，TN contents and soil carbon storage were measured and analyzed，based on plot sampling investigation and laboratory analysis，and storage and spatial distribution characteristics of SOC and TN，and the relationship between C/N and SOC and TN were discovered in soils of three kinds of mangrove stands of Kandelia candel，Bruguiera gymnorrhiza and mixed forests in Zhenzhu Gulf，Beilun River of Guangxi. The results were as follows：（1） The SOC storage of Kandelia candel，Bruguiera gymnorrhiza and mixed forests were 140.73，124.94，144.71 t·hm2，respectively，and there was no significant differences among them（P<0.05）; The SOC storage of Bruguiera gymnorrhiza and mixed forests from the highest to the lowest invertical distribution was 20-40 cm > 0-20 cm > 40-60 cm，and the SOC storage of Kandelia candel decreased with the increase of soil depth. （2） TN storage of Kandelia candel，Bruguiera gymnorrhiza and mixed forests were 6.49，5.01，5.87 t·hm2，respectively，decreasing with the increase of soil depth. （3） There was a significant correlation between SOC and TN storage in Kandelia candel，Bruguiera gymnorrhiza and mixed forests （P<0.01），and correlation coefficients were 0.924，0.971 and 0.844，respectively，which indicated that there was coupling effect between SOC and TN. （4） The C/N of three stands ranged from 16.77 to 24.39，indicating that the organic matter mainly came from land. There was a significant correlation between soil C/N and SOC storage in Bruguiera gymnorrhiza and mixed forests （P<0.05），but there was no significant correlation between C/N and TN storage in the three stands. （5） The soil carbon storage of three mangrove stands was higher than the average value of forest soil carbon storage in China，and there was extremely significant correlation between SOC and TN.

Key words：Kandelia candel，Bruguiera gymnorrhiza，mixed forests，storage of SOC and TN，distribution characteristics

紅树林位于海洋和陆地的动态交界处，是一种生产力和生物多样性较高的湿地生态系统类型，其土壤有机碳库和氮库在湿地生态系统的物质能量循环中起着重要的作用。在全球范围内，红树林湿地面积占海洋面积虽然不到2%，但其固定的碳储量却占其10%～15%（Twilley et al.，1992）。尽管对红树林土壤有机碳储量的研究起步较晚（辛琨等，2014;郭志华等，2014;乔永民等，2018），但红树林作为蓝碳的重要组成部分，其碳储量的动态变化却影响着蓝碳的收支平衡。近年来，一些学者已对华南地区红树林土壤碳储量不同方向开展了研究，包括不同环境因子和土地利用形式对土壤有机碳库的影响（袁彦婷等，2012;詹绍芬等，2017），红树林土壤有机碳储量的分布特征以及红树林土壤有机碳的来源辨析等（邱广龙等，2017;于宇等，2017）等。然而，少有分树种和林分来开展对红树林湿地土壤有机碳库和氮库的研究。土壤碳氮比值（C/N）是反映土壤有机碳氮的积累和土壤质量变化的指标，氮对土壤有机碳库产生重要的影响（昝启杰等，2002;赵庆庆等，2018），它的变化趋势对土壤物质循环和植株的生长发育有重要的影响。红树林湿地是承纳着来自海陆营养盐的蓄积地，是湿地沉积物中有机质输入的最主要贡献者，由于红树林种类的多样性和其结构的复杂性，对于其碳氮的物质循环的认识还不是很清晰，有必要分树种开展对红树林湿地碳氮库的研究。目前，我国对红树林土壤碳库和氮库的研究多集中在福建、海南和广东等地，对于广西红树林湿地的相关研究还不多，不利于规律性成果的总结。

对于广西珍珠湾红树林土壤有机碳和氮储量的垂直分布特征和C/N比值及其来源的辨析仍缺乏深入的研究。以广西防城珍珠湾红树林湿地为研究对象，深入研究其土壤碳氮储量的分布规律、C/N比值以及有机碳储量与氮储量的相关性，探讨其影响因素及其来源，加深认识红树林湿地碳和氮在生物地球化学循环中的相互作用，从而为红树林湿地管理提供科学依据。

1 研究区概况

研究地点位于北仑河口国家级自然保护区珍珠湾红树林区域，北仑河口国家级自然保护区位于我国大陆最西南端海岸线，处于广西东兴市和防城港市海域，东南临近北部湾，西南与越南毗邻，海岸线长为105 km，滩涂面积为53 km2，由东到西包括珍珠湾、江平三岛和北仑河口。珍珠湾红树林保护区分布着我国大陆海岸连片面积最大、分布相对集中、生态景观奇特的红树林，现有红树林面积约为1 274 hm2，其中1 081 hm2红树林集中在珍珠湾内。气候属于南亚热带海洋季风气候，日照时数大于1 600 h，年均气温为22.3 ℃，年平均降水量为2 220.5 mm。潮汐类型为正规全日潮，平均潮差为2.22 m，海水年平均温度为23.5 ℃，盐度为23.1‰（范航清等，2014）。海岸带土壤主要为风沙土和冲积土，陆地土壤以红壤和黄壤为主。河漫滩的土壤主要为粉细沙和沙卵石。保护区共有红树植物 16 种，包括木榄（Bruguiera gymnorrhiza）、桐花树（Aegiceras corniculatum）、秋茄（Kandelia candel）、白骨壤（Avicennia marina）、海漆（Excoecari aagallocha）、红海榄（Rhizophora stylosa）、榄李（ Lumnitzera racemosa）、老鼠簕（Acanthus ilicifolius）、小花老鼠簕（A. ebracteatus）（梁士楚等，2004）等。本研究的对象为秋茄、木榄和混交林，三种林分的平均树高为2.23 m、平均胸径为3.47 cm。

2 研究方法

2.1 土样采集

在珍珠湾秋茄、木榄和混交林的试验区域分别设立5 m × 10 m 的样地，共9个样地，用Q、M和H分别表示秋茄、木榄和混交林三种林分（图1）。每个样地内随机选择3个土壤采样点，剖面深度分为 0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，利用环刀进行采样，环刀体积为100 cm3。将采集后的土壤样品放入聚乙烯自封袋后带回实验室，测定土壤的容重和含水率，土样通过自然风干、过筛并去除杂物后用于有机碳含量SOC和总氮含量TN的测定。

2.2 实验方法

SOC含量采用重铬酸钾外加热法测定，TN含量采用凯氏定氮法测定。

2.3 数据分析

2.4 统计分析

采用软件Excel 2010和 SPSS19.0进行数据分析。采用单因素方差分析（ANOVA）（P<0.05）不同林分土壤有机碳储量和氮储量的差异。采用Pearson相关法分析 SOC、TN与 C/N值之间的相关关系。

3 结果与分析

3.1 土壤有机碳含量和全氮含量的变化

秋茄、木榄和混交林SOC和TN的含量，大体表现为0～60 cm深度内随着土层深度的增加而降低的趋势。秋茄SOC和TN的含量在0～60 cm的变化范围分别为1.43%～2.21%和0.62～1.03 g·kg1;木榄SOC和TN的含量在0～60 cm的变化范围分别为1.01%～2.13%和0.43～0.87 g·kg1;混交林SOC和TN的含量在0～60 cm的变化范围分别为1.41%～2.39%和0.61～0.98 g·kg1。混交林的SOC含量高于秋茄和木榄的，在40～60 cm土层中秋茄和木榄的SOC含量存在显著性差异，但均与混交林无显著差异。秋茄和混交林的TN含量相近，均高于木榄的，在40～60 cm土层中秋茄和木榄的SOC含量存在显著性差异，但均与混交林无显著差异。40～60 cm土层的木榄和混交林的SOC含量分别与其0～20 cm、20～40 cm的有显著性差异。40～60 cm土层木榄的TN含量分别与其0～20 cm、20～40 cm的有显著性差异。0～20 cm土层混交林的TN含量与40～60 cm的有显著性差异（P<0.05）（表1）。

3.2 土壤有机碳储量和全氮储量的分配

在0～60 cm土层的总SOC储量表现为混交林>秋茄>木榄，总TN储量为秋茄>混交林>木榄。

I. 秋茄; Ⅱ. 木榄; Ⅲ. 混交林。不同大写字母表示不同树种在同一土层差异显著（P<0.05）; 不同小写字母表示同一树种不同土层深度差异显著（P<0.05）。下同。

秋茄、木榄和混交林 SOC和TN储量有随着土层深度的增加而减少的趋势（木榄和混交林的SOC除外），三种林分在0～60 cm总SOC和总TN没有显著性差异。三者SOC在0～20 cm、20～40 cm均无显著性差异，但木榄40～60 cm SOC与秋茄差异显著，与混交林无显著性差异。木榄40～60 cm TN与秋茄差异显著。木榄40～60 cm 的SOC分别与0～20 cm、20～40 cm差异显著，混交林各土层SOC之间的比较关系同木榄。木榄40～60 cm土层的TN分别与0～20 cm、20～40 cm差异显著，混交林的TN在0～20 cm和40～60 cm间存在显著差异（图2）。

3.3 C/N與土壤有机碳储量和全氮储量的相关性

由表2可知，秋茄土壤C/N值分别与SOC储量和TN储量的相关性不显著，SOC储量与TN储量之间存在极其显著的相关性（P<0.01），相关系数为0.924。木榄土壤C/N值与SOC储量有显著的相关性（P<0.05），与TN储量相关性不显著，SOC储量与TN储量之间存在极其显著的相关性（P<0.01），相关系数为0.971。混交林土壤C/N值与SOC储量有显著的相关性（P<0.05），与TN储量相关性不显著，SOC储量与TN储量之间存在极其显著的相关性（P<0.01），相关系数为0.844。

3.4 秋茄、木榄和混交林土壤 C/N值的变化

秋茄、木榄和混交林土壤的C/N值在0～60 cm土层的变化范围为20.88～26.64（图3）。秋茄、木榄和混交林总的C/N值表现为木榄>混交林>秋茄。秋茄土壤的C/N值表现为40～60 cm>0～20 cm>20～40 cm，木榄的C/N值表现为20～40 cm>0～20 cm>40～60 cm，混交林的C/N值为20～40 cm>0～20 cm>40～60 cm。木榄和混交林土壤的C/N值变化趋势一致。

4 讨论与结论

4.1 土壤的SOC和TN变化以及碳氮相关性

本研究中，秋茄、木榄和混交林的SOC含量均值分别为1.79%、1.79%和2.04%，低于海南东寨港山尾和竹山秋茄、木榄和其他种类的红树林的SOC（詹绍芬等，2015），与福建九龙江口红树林接近（于宇等，2017）。秋茄和混交林的SOC含量表现为表聚性，木榄的SOC含量表现为20～40 cm土层最高。有研究表明，红树林土壤有机碳含量与其根系的分布有关（辛琨等，2014;陈怀璞等，2017）。在20～40 cm土层中存在大量根系，根系及其活动是土壤深层有机碳的重要来源之一。此外，由于湿地长期处于水淹的环境中，造成土壤含氧量降低而促使有机碳分解减慢，从而有利于SOC的积累。秋茄、木榄和混交林TN含量均值分别为0.83、0.72和0.82 g·kg1，分布特征表现为表聚性，小于福建九龙江口红树林（于宇等，2017），高于广西大冠沙红树林和广东湛江红树林TN（袁彦婷等，2012）。

本研究中，秋茄、木榄和混交林的SOC储量分别为140.73、124.94和144.71 t·hm2，均高于我国森林土壤碳储量的平均值107.8 t·hm2（刘世荣等，2011），表明红树林湿地巨大的固汇能力和作为蓝碳组成部分具有的生态意义和价值。秋茄、木榄和混交林总TN分别为6.49、5.01和5.87 t·hm2，除了木榄和秋茄的SOC外，秋茄、木榄和混交林的SOC和TN随着土层深度的增加呈现了减少的趋势，与辛琨等（2014）研究的海南红树林的SOC分布特征一致，湿地土壤有机碳来源于枯落物、植物根系、根系分泌物和动物残体以及排泄物等内源性输入，经过土壤微生物的分解作用释放到土壤表层，使土壤表层的有机碳储量增加。此外，湿地土壤有机碳还来自潮汐、河水和降雨等携带的外源性有机物。

由于红树林湿地生态系统特殊的水热条件、生物和气候因素以及生境的动态性共同影响着 SOC 的输入输出，在植被、沉积物、间隙水、海水和大气之间存在多个界面的碳交换过程，从而导致红树林的SOC 影响因子的多样性和复杂性，红树林沉积物有机碳存在较大的不确定性（Giri et al.，2011; KauffmaNet al.，2011）。因此，不同区域、不同群落和不同取样深度SOC储量会有较大的差异，海南文昌清澜港红树林不同试验地点的SOC储量最高值分别出现在15～30 cm（林慧等，2015）和20～40 cm处（郭志华等，2014），海南东寨港山尾木榄群落SOC储量最大值出现在0～10 cm，秋茄群落为40～50 cm，竹山木榄群落为30～40 cm（詹绍芬等，2015），深圳湾红树林SOC储量最高值却出现在73 cm处（乔永民等，2018）。

本研究中，三种林分的TN储量表现为随着土层深度增加而减少的趋势，与珠江口红树林的研究结果一致（牛安逸等，2019）。有研究表明，碳氮元素主要是以枯落物形式输入土壤中（李旭林等，2010;Fragoso et al.，2017;Nordhaus et al.，2017）。表层的SOC和TN储量较高是因为植被地上枯落物的输入，而深层土壤的SOC和TN储量却主要受植物根系的影响（Yang et al.，2015）。因此，本研究区域枯落物仍是土壤获得养分的主要来源。

本研究中，秋茄、木榄和混交林的SOC与TN储量之间相关性极显著（P<0.01），相关系数分别为0.924、0.971和0.844，表明SOC与TN之间存在一定的耦合效应，这与前人（崔静等，2012;吴绽蕾等，2016;乔永民等，2018）的研究结果一致。氮素的增加可促进植物的生长，从而提高有机碳的积累，而有机碳的分解却可以促进氮素在土壤中的释放。有机碳在土壤中的固定在一定程度上取决于氮素的高低（陈怀璞等，2017），碳的固定能引起氮的固定，二者存在一定的消长关系。

由于SOC和TN受土壤理化性质、水文气候条件和湿地生物以及人类活动干扰等多因素的影响（辛琨等，2014;张剑等，2017），所以讨论SOC和TN的影响因素需要多方面从外界影响因子和土壤本身特性的综合性因素去考量。本研究由于未涉及红树林沉积物的间隙水以及海水的SOC和TN的研究，所以还不能从多个碳交换界面去全面分析与SOC和TN之间的关系。

4.3 土壤 C/N值的变化及与SOC储量和TN储量的相关性

湿地沉积物中 C/N值是确定其有机质来源的一个重要方法。海洋藻类因富含蛋白质而少纤维素，其C/N值通常小于10，而陆生高等植物富含纤维素而缺乏蛋白质，C/N值通常大于等于20，当沉积物中，C/N值越大显示其来自陆源的有机质含量越高（Krishnamurthy et al.，1986;王爱军等，2007）。以此判断为标准，本研究中土壤的C/N值为20.88～26.64，表明三种红树林湿地有机质主要来源于陆地，这与夏鹏等（2015）通过同位素示踪研究广西钦州湾红树林有机碳的来源結果一致。C/N值最高出现在20～40 cm或40～60 cm，说明来自本研究取样范围的中层和深层有机碳来源于陆地成分的量高于表层。

本研究中，木榄和混交林土壤的C/N值与SOC储量有显著的相关性（P<0.05），与TN储量相关性不显著。有学者研究报道了土壤 C/N与SOC分解速率呈反比，湿地土壤C/N值高会使得土壤微生物活性降低，C/N值越大，有机碳分解速度越慢，从而减少了有机碳的氧化和流失，有利于土壤有机碳的积累（王绍强等，2000;Yang et al.，2013;Wang et al.，2014）。较高的C/N值表明其有机碳的积累多，本研究三种林分红树林的C/N值均大于中国土壤C/N的均值（王绍强等，2008），说明红树林湿地具有强大的碳汇能力。

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