紅樹林濕地利用方式的改變對土壤有機碳、硫、氮和磷的影響

紅樹林濕地利用方式的改變對土壤有機碳、硫、氮和磷的影響

土地使用和土壤覆蓋物的變化（lucc）是全球變化的中心重點。土地利用方式的改變影響植被的凋落量、土地覆蓋程度、土壤微生物的活動和土地的空間組合,進而影響土壤養(yǎng)分的遷移規(guī)律。土壤中碳、氮、硫、磷等元素互相作用,彼此之間存在著強烈的耦合作用。氮、磷的有效性是調(diào)節(jié)植物凋落物分解速率和生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的一個主要因素,不合理的土地利用會導(dǎo)致土壤存儲碳和植被生物量減少,使更多碳素釋放到大氣中,增加大氣中CO2濃度,加劇全球變暖。土壤中的硫既是土壤有機質(zhì)的重要組成元素,也是植物營養(yǎng)需要不可缺少的元素,土壤中的硫化物如H2S,CH3SH,COS,CS2也是大氣中溫室氣體的重要來源。同樣,土壤也是溫室氣體N2O的主要來源,土壤氮素的硝化、反硝化等生物轉(zhuǎn)化過程都伴隨著N2O的釋放,且土壤沉積物中氮磷等的分布特征也直接影響著水體的內(nèi)源負荷。建國以來我國的紅樹林被大量毀壞,用于開墾農(nóng)田,開挖魚塘和其他開發(fā)活動,面積大量萎縮由建國初的4.2萬公頃減少到目前的1.4萬公頃。本文選擇海南、廣西和廣東三地的代表性區(qū)域東寨港、北海大冠沙和廣東湛江對我國主要紅樹林區(qū)土地利用方式變化造成的土壤碳、硫、氮、磷的變化進行了初步研究,并計算了建國以來因紅樹林毀壞所造成的土壤營養(yǎng)的流失量。1我國最大的紅樹植物分布中心紅樹林作為獨特的濕地生態(tài)系統(tǒng),擁有珍貴的生物資源和巨大的海岸生態(tài)系統(tǒng)價值。我國紅樹林的自然分布介于海南榆林港至福建福鼎的沙埕灣,香港、澳門、臺灣也有少量分布,而在浙江也存在人工種植的紅樹林。紅樹林主要分布于北部灣海岸(廣東湛江、廣西沿海以及海南西海岸)和海南島的東海岸,二者約占全國紅樹林總面積的82%。海南島灘涂面積大、紅樹林種類豐富,是我國紅樹植物的分布中心,全省紅樹林面積4836ha,主要分布于東寨港、清瀾港、三亞港及新英港,東寨港和清瀾港是海南最大的紅樹林分布區(qū);廣東紅樹林主要分布于湛江、珠海和深圳等地,面積達3526ha;廣西紅樹林主要分布于欽州、北海、合浦和防城港等地,面積達5654ha,海南、廣東、廣西共占全國紅樹林總面積的90%以上。東寨港位于?？谑芯硟?nèi),是我國第一個以紅樹林生態(tài)系統(tǒng)為保護對象的國家級自然保護區(qū),保護區(qū)面積3337ha,有林面積1733ha。湛江紅樹林保護區(qū)是我國面積最大的紅樹林保護區(qū),擁有獨特的白骨壤林、紅海欖林和木欖林。大冠沙位于廣西北海市,是國內(nèi)最典型的沙生紅樹林。建國以來這些區(qū)域都存在毀林圍海造田、圍塘養(yǎng)殖和城市建設(shè)等不合理活動,使紅樹林面積劇減,環(huán)境惡化,酸害、鋁害等環(huán)境風險日益加大。2材料和方法2.1土壤體系沉積體系選擇我國典型紅樹林區(qū):廣西大冠沙、廣東湛江、海南東寨港為研究對象并進行樣品采集,樣品包括紅樹林沉積物以及紅樹林毀林后所形成的魚(蝦)塘土壤、農(nóng)田土壤和光灘沉積物。在各研究區(qū)采用蛇形采樣法采集表層沉積物(約0～20cm),揀出樹枝、落葉等雜物,放入潔凈的塑料袋內(nèi)密封,帶回實驗室自然風干,研磨過100目篩,保存待測,采樣器具均經(jīng)過嚴格清洗。2.2土壤總氮、總磷含量和含硫含量測定樣品pH值的測定采用電位法,水土比2.5∶1,土壤樣品采用高氯酸ue001￣氫氟酸處理,土壤總氮、總磷含量分別采用凱氏定氮法和酸溶ue001￣鉬藍比色法進行測定,利用水合熱重鉻酸鉀氧化法測定有機碳,分光光度法測定硫含量,利用河系沉積物標準樣品GSD1ue001￣3進行質(zhì)量控制。3有機碳與土壤總氮含量的關(guān)系紅樹林被改造前后,土壤(沉積物)的有機碳、總硫、總氮和總磷含量基本呈現(xiàn)下降趨勢(表1),除了裸地(光灘)的pH值升高之外,圍墾而成的農(nóng)田和開挖的魚塘的pH都明顯下降,酸化現(xiàn)象明顯。有機碳含量與土壤硫含量呈極顯著相關(guān)關(guān)系,與土壤總磷含量呈相關(guān)關(guān)系;土壤總硫還與土壤總氮含量呈顯著相關(guān)關(guān)系(表2)。海南東寨港大片原生紅樹林被改造成農(nóng)田和魚(蝦)塘,魚塘的有機碳最低,而光灘的硫、總氮和總磷含量最低;紅樹林沉積物的有機碳、總氮、總磷和硫含量最高。廣西大冠沙紅樹林沉積物的有機碳含量和硫含量也比光灘明顯偏高,農(nóng)田的總氮含量最高,但是魚塘的總磷的最高。廣東湛江紅樹林沉積物的有機碳、總氮和總磷含量最高,跡地和改造而成的農(nóng)田相對較低;農(nóng)田的硫含量最低,光灘和林地沉積物較高,魚塘,光灘的總氮和總磷較低。4討論4.1不同的土地利用方式對有機碳的影響在不同的土地利用方式下,海南、廣東、廣西紅樹林區(qū)的光灘、魚塘和農(nóng)田土壤的有機碳含量明顯低于當?shù)丶t樹林土壤,有機碳含量按魚塘<荒灘<農(nóng)田依次降低。紅樹林生態(tài)系統(tǒng)是地球上生產(chǎn)力很高的濕地生態(tài)系統(tǒng)之一,大量的紅樹植物凋落物使得紅樹林沉積物中的有機碳含量增加,動物的尸體和水體懸浮物也成為沉積物中有機碳的重要來源。LUCC既可以改變土壤有機物的輸入,又可以通過改變小氣候和土壤條件來影響土壤有機物的分解速率,從而改變土壤有機碳儲量。紅樹林生態(tài)系統(tǒng)在人工改造成其他土地利用方式后影響有機碳的含量。例如在開挖魚塘的過程中,部分沉積物被堆棄在魚塘的堤岸,有機碳所處的環(huán)境由還原條件轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘲l件,穩(wěn)定性遭到破壞,礦化速度加快。紅樹林開墾為魚塘后,經(jīng)常性的魚塘換水,也會造成土壤溶解性碳和部分顆粒碳的流失,即增大了有機碳的輸出量。同時紅樹林區(qū)圍墾后植被大量減少,光合作用固定的有機物數(shù)量大大降低,植物凋落物也隨之劇減。生境的改變使動物的生物量銳減,這樣顆粒有機物和棲息動物尸體的輸入量也相應(yīng)減少。天然林形成的保護性有機碳組分相對穩(wěn)定,農(nóng)田破壞了有機碳的穩(wěn)定性使之變成非保護性有機碳組分,容易流失和揮發(fā),耕作使土壤暴露在更高溫度的環(huán)境中,土壤微生物活性增加,土壤有機碳分解速率增大,并且因為破壞了土壤有機碳的穩(wěn)定性,加大了滲透量,提高了土壤有機碳的礦化過程即分解速率,因此紅樹林濕地開墾為農(nóng)田后,有機碳分解速率提高,大量的有機碳礦化為CO2進入大氣,導(dǎo)致圍墾農(nóng)田有機碳含量比紅樹林地普遍降低。紅樹林開墾為農(nóng)用地后,投入的有機物化肥數(shù)量加大,施用的化肥通過對根系生物量的貢獻而促進土壤中有機碳的積聚,同時增加了土壤微生物的數(shù)量及其活性,促使其轉(zhuǎn)化各種成分的有機質(zhì),有利于有機質(zhì)的積累。但是林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾蟮乇砬治g加劇,有機碳流失嚴重,在20～30年內(nèi)有機碳損失量可以達到原來的20%～50%,而且在轉(zhuǎn)換后的最初幾年里變化速率最大,然后變化速率慢慢降低,并依自然植被、氣候、土壤類型、管理實踐和時間的變化而變化。農(nóng)業(yè)耕作及魚塘養(yǎng)殖使得有機碳從地上部分和土壤碳庫流向大氣庫,隨著開墾后農(nóng)用時間增加,土壤肥力明顯退化,有機碳含量明顯下降。4.2鹽漬主濕地下硫含量的變化硫元素的分布規(guī)律與有機碳類似,同一地區(qū),光灘、魚塘和農(nóng)田土壤的總硫含量普遍低于紅樹林沉積物。紅樹林沉積物是潛在的酸性硫酸鹽土,pH低、酸性強,由于紅樹植物對海水中的SO2?442-進行選擇性吸收,硫大量累積在植株體內(nèi),通過歸還作用使得沉積物中硫含量較高。白骨壤環(huán)境下的土壤含硫量低于其他紅樹植物環(huán)境,并且接近其他土地利用方式的土壤含硫量。這可能與白骨壤生活環(huán)境貧瘠,砂質(zhì)土壤較多等特點相關(guān)。紅樹林鹽漬沼澤土開墾為田地和荒地后,排水改變了通氣條件,硫化物氧化導(dǎo)致沉積物酸性增強,同時硫的遷移性加強,如紅樹林沉積物中的硫原來主要以黃鐵礦的形式存在,而圍墾后S2-被氧化成SO2?442-,SO2?442-容易被水淋溶,土壤硫含量降低。雖然由紅樹林圍墾的農(nóng)田和魚塘已經(jīng)有30～50年的歷史了,但土壤酸性仍然較高,海南東寨港魚塘堤岸土壤的pH僅為4.79,而湛江的圍墾農(nóng)田pH只有4.10,容易導(dǎo)致酸害的發(fā)生。4.3土壤總氮含量海南東寨港大片原生紅樹林被改造成農(nóng)田和魚(蝦)塘,其中光灘的土壤總氮含量最低,紅樹林沉積物總氮含量最高。廣東湛江紅樹林區(qū)的土壤總氮含量也呈現(xiàn)相同的規(guī)律,即沉積物>農(nóng)田>魚塘>光灘。廣西大冠沙稍有差異,農(nóng)田的總氮含量高于紅樹林沉積物,其次是魚塘和光灘。紅樹林沉積物總氮含量較高,由于沉積物的氮主要以有機態(tài)氮形式存在,受有機質(zhì)含量影響較大,而且紅樹林每年有大量的凋落物進入土壤沉積物,紅樹林殘體在還原狀態(tài)的條件下,有機質(zhì)分解緩慢,使得有機質(zhì)和養(yǎng)分積累,總氮含量普遍高于農(nóng)田、魚塘和光灘。而且由于紅樹林濕地的特殊生境,在海水潮汐的作用下,淹水土壤中厭氧細菌占優(yōu)勢,土壤有機氮分解速率非常緩慢,因此沉積物中總氮含量較高;光灘植被覆蓋率低,營養(yǎng)匱乏,這與張銀龍等研究九龍江河口紅樹林與光灘土壤養(yǎng)分結(jié)果一致。農(nóng)田和魚塘中總氮含量的來源主要是餌料和化肥的施用。經(jīng)過紅樹林圍墾而成的農(nóng)田和魚塘,改變了原來底泥的還原狀態(tài)和穩(wěn)定性,導(dǎo)致魚塘生態(tài)系統(tǒng)沉積物中的氮經(jīng)礦化而再利用或經(jīng)硝化作用中介的解氮作用,所散失總氮含量增加,致使農(nóng)田和魚塘的氮的含量較低。4.4不同土壤條件下總磷含量的變化土壤總磷變化趨勢與土壤總氮的趨勢基本一致,海南東寨港和廣東湛江均為:沉積物>農(nóng)田>魚塘>光灘,廣西大冠沙的魚塘含磷量最高,其次是沉積物和農(nóng)田,光灘土壤總磷含量最低。紅樹林沉積物中總磷含量普遍較高,也是由于紅樹植物的生物積累和循環(huán)作用,凋落物經(jīng)微生物分解會釋放各種營養(yǎng)元素,除去海水帶走的小部分,大部分元素被紅樹植物重新吸收,形成了養(yǎng)分元素的循環(huán),使土壤有機質(zhì)不斷得到補充,土壤的總磷含量也得到提高。其次,土壤總磷含量與土壤的機械組成有關(guān),紅樹植物有發(fā)達的根系,可以固沙固土,海水帶來的粘粒在紅樹林濕地中易沉積,而且粘粒對土壤顆粒態(tài)磷的吸附作用極強,這樣使土壤中總磷含量增加。廣西大冠沙的紅樹林區(qū)土壤質(zhì)地主要是沙灘,沙粒含量較多,這可能是大冠沙紅樹林土壤總磷含量較低的原因,廣東湛江和海南東寨港屬于混合灘,其中東寨港的砂礫、粉粒、粘粒含量均高于其他地區(qū),因此,東寨港的沉積物中總磷含量比其它地區(qū)高很多。紅樹林鹽漬沼澤土開墾為田地和魚塘后,土壤的pH值、溫度、生物量等都發(fā)生了改變,這些因素都可能影響沉積物中總磷的釋放。土地利用方式的改變使得土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,有機質(zhì)分解,土壤總磷含量降低。其中魚塘底泥的pH低,溶解氧含量低,這樣易使底泥中難溶的磷化合物轉(zhuǎn)化成溶解性的磷,則魚塘底泥中的磷釋放到水體中,使得底泥的磷含量也較低。4.5廣東林木生長現(xiàn)狀海南、廣東、廣西是中國紅樹林主要分布區(qū),占全國現(xiàn)存紅樹林總面積的97.44%,從上世紀50年代以來,這三個省區(qū)毀壞的紅樹林面積占全國已毀紅樹林面積的98.73%。大面積的紅樹林被開墾為農(nóng)田、魚塘或城市用地,加劇了土壤有機碳、硫、氮磷的流失。根據(jù)已有的資料,本文估算了因紅樹林毀壞所造成的土壤營養(yǎng)的流失量(表3)。結(jié)果顯示50年來廣東紅樹林的面積流失最大,達到83%,并且土壤損失有機碳和總氮也最多,這與該省經(jīng)濟發(fā)展迅速等因素有關(guān);而全國紅樹林總面積減少了65.75%,土壤有機碳總計損失3.05×1012g,硫總計損失2.68×1011g,可能會有大量的氮磷元素從土壤進入大氣和海洋,造成土壤肥力下降,并加劇近海海域赤潮的發(fā)生。5土地利用類型的影響1)光灘、魚塘堤岸和農(nóng)田土壤的有機碳含量和硫、氮和磷的含量普遍低于當?shù)丶t樹林土壤,其中以光灘的有機碳、總氮和總磷的含量較低。2)土壤養(yǎng)分循環(huán)受到多種物理因素和生物因素的控制,如氣候