红树林湿地利用方式的改变对土壤有机碳、硫、氮和磷的影响

红树林湿地利用方式的改变对土壤有机碳、硫、氮和磷的影响

土地使用和土壤覆盖物的变化（lucc）是全球变化的中心重点。土地利用方式的改变影响植被的凋落量、土地覆盖程度、土壤微生物的活动和土地的空间组合,进而影响土壤养分的迁移规律。土壤中碳、氮、硫、磷等元素互相作用,彼此之间存在着强烈的耦合作用。氮、磷的有效性是调节植物凋落物分解速率和生态系统碳平衡的一个主要因素,不合理的土地利用会导致土壤存储碳和植被生物量减少,使更多碳素释放到大气中,增加大气中CO2浓度,加剧全球变暖。土壤中的硫既是土壤有机质的重要组成元素,也是植物营养需要不可缺少的元素,土壤中的硫化物如H2S,CH3SH,COS,CS2也是大气中温室气体的重要来源。同样,土壤也是温室气体N2O的主要来源,土壤氮素的硝化、反硝化等生物转化过程都伴随着N2O的释放,且土壤沉积物中氮磷等的分布特征也直接影响着水体的内源负荷。建国以来我国的红树林被大量毁坏,用于开垦农田,开挖鱼塘和其他开发活动,面积大量萎缩由建国初的4.2万公顷减少到目前的1.4万公顷。本文选择海南、广西和广东三地的代表性区域东寨港、北海大冠沙和广东湛江对我国主要红树林区土地利用方式变化造成的土壤碳、硫、氮、磷的变化进行了初步研究,并计算了建国以来因红树林毁坏所造成的土壤营养的流失量。1我国最大的红树植物分布中心红树林作为独特的湿地生态系统,拥有珍贵的生物资源和巨大的海岸生态系统价值。我国红树林的自然分布介于海南榆林港至福建福鼎的沙埕湾,香港、澳门、台湾也有少量分布,而在浙江也存在人工种植的红树林。红树林主要分布于北部湾海岸(广东湛江、广西沿海以及海南西海岸)和海南岛的东海岸,二者约占全国红树林总面积的82%。海南岛滩涂面积大、红树林种类丰富,是我国红树植物的分布中心,全省红树林面积4836ha,主要分布于东寨港、清澜港、三亚港及新英港,东寨港和清澜港是海南最大的红树林分布区;广东红树林主要分布于湛江、珠海和深圳等地,面积达3526ha;广西红树林主要分布于钦州、北海、合浦和防城港等地,面积达5654ha,海南、广东、广西共占全国红树林总面积的90%以上。东寨港位于海口市境内,是我国第一个以红树林生态系统为保护对象的国家级自然保护区,保护区面积3337ha,有林面积1733ha。湛江红树林保护区是我国面积最大的红树林保护区,拥有独特的白骨壤林、红海榄林和木榄林。大冠沙位于广西北海市,是国内最典型的沙生红树林。建国以来这些区域都存在毁林围海造田、围塘养殖和城市建设等不合理活动,使红树林面积剧减,环境恶化,酸害、铝害等环境风险日益加大。2材料和方法2.1土壤体系沉积体系选择我国典型红树林区:广西大冠沙、广东湛江、海南东寨港为研究对象并进行样品采集,样品包括红树林沉积物以及红树林毁林后所形成的鱼(虾)塘土壤、农田土壤和光滩沉积物。在各研究区采用蛇形采样法采集表层沉积物(约0～20cm),拣出树枝、落叶等杂物,放入洁净的塑料袋内密封,带回实验室自然风干,研磨过100目筛,保存待测,采样器具均经过严格清洗。2.2土壤总氮、总磷含量和含硫含量测定样品pH值的测定采用电位法,水土比2.5∶1,土壤样品采用高氯酸ue001￣氢氟酸处理,土壤总氮、总磷含量分别采用凯氏定氮法和酸溶ue001￣钼蓝比色法进行测定,利用水合热重铬酸钾氧化法测定有机碳,分光光度法测定硫含量,利用河系沉积物标准样品GSD1ue001￣3进行质量控制。3有机碳与土壤总氮含量的关系红树林被改造前后,土壤(沉积物)的有机碳、总硫、总氮和总磷含量基本呈现下降趋势(表1),除了裸地(光滩)的pH值升高之外,围垦而成的农田和开挖的鱼塘的pH都明显下降,酸化现象明显。有机碳含量与土壤硫含量呈极显著相关关系,与土壤总磷含量呈相关关系;土壤总硫还与土壤总氮含量呈显著相关关系(表2)。海南东寨港大片原生红树林被改造成农田和鱼(虾)塘,鱼塘的有机碳最低,而光滩的硫、总氮和总磷含量最低;红树林沉积物的有机碳、总氮、总磷和硫含量最高。广西大冠沙红树林沉积物的有机碳含量和硫含量也比光滩明显偏高,农田的总氮含量最高,但是鱼塘的总磷的最高。广东湛江红树林沉积物的有机碳、总氮和总磷含量最高,迹地和改造而成的农田相对较低;农田的硫含量最低,光滩和林地沉积物较高,鱼塘,光滩的总氮和总磷较低。4讨论4.1不同的土地利用方式对有机碳的影响在不同的土地利用方式下,海南、广东、广西红树林区的光滩、鱼塘和农田土壤的有机碳含量明显低于当地红树林土壤,有机碳含量按鱼塘<荒滩<农田依次降低。红树林生态系统是地球上生产力很高的湿地生态系统之一,大量的红树植物凋落物使得红树林沉积物中的有机碳含量增加,动物的尸体和水体悬浮物也成为沉积物中有机碳的重要来源。LUCC既可以改变土壤有机物的输入,又可以通过改变小气候和土壤条件来影响土壤有机物的分解速率,从而改变土壤有机碳储量。红树林生态系统在人工改造成其他土地利用方式后影响有机碳的含量。例如在开挖鱼塘的过程中,部分沉积物被堆弃在鱼塘的堤岸,有机碳所处的环境由还原条件转变为氧化条件,稳定性遭到破坏,矿化速度加快。红树林开垦为鱼塘后,经常性的鱼塘换水,也会造成土壤溶解性碳和部分颗粒碳的流失,即增大了有机碳的输出量。同时红树林区围垦后植被大量减少,光合作用固定的有机物数量大大降低,植物凋落物也随之剧减。生境的改变使动物的生物量锐减,这样颗粒有机物和栖息动物尸体的输入量也相应减少。天然林形成的保护性有机碳组分相对稳定,农田破坏了有机碳的稳定性使之变成非保护性有机碳组分,容易流失和挥发,耕作使土壤暴露在更高温度的环境中,土壤微生物活性增加,土壤有机碳分解速率增大,并且因为破坏了土壤有机碳的稳定性,加大了渗透量,提高了土壤有机碳的矿化过程即分解速率,因此红树林湿地开垦为农田后,有机碳分解速率提高,大量的有机碳矿化为CO2进入大气,导致围垦农田有机碳含量比红树林地普遍降低。红树林开垦为农用地后,投入的有机物化肥数量加大,施用的化肥通过对根系生物量的贡献而促进土壤中有机碳的积聚,同时增加了土壤微生物的数量及其活性,促使其转化各种成分的有机质,有利于有机质的积累。但是林地转变为耕地后地表侵蚀加剧,有机碳流失严重,在20～30年内有机碳损失量可以达到原来的20%～50%,而且在转换后的最初几年里变化速率最大,然后变化速率慢慢降低,并依自然植被、气候、土壤类型、管理实践和时间的变化而变化。农业耕作及鱼塘养殖使得有机碳从地上部分和土壤碳库流向大气库,随着开垦后农用时间增加,土壤肥力明显退化,有机碳含量明显下降。4.2盐渍主湿地下硫含量的变化硫元素的分布规律与有机碳类似,同一地区,光滩、鱼塘和农田土壤的总硫含量普遍低于红树林沉积物。红树林沉积物是潜在的酸性硫酸盐土,pH低、酸性强,由于红树植物对海水中的SO2−442-进行选择性吸收,硫大量累积在植株体内,通过归还作用使得沉积物中硫含量较高。白骨壤环境下的土壤含硫量低于其他红树植物环境,并且接近其他土地利用方式的土壤含硫量。这可能与白骨壤生活环境贫瘠,砂质土壤较多等特点相关。红树林盐渍沼泽土开垦为田地和荒地后,排水改变了通气条件,硫化物氧化导致沉积物酸性增强,同时硫的迁移性加强,如红树林沉积物中的硫原来主要以黄铁矿的形式存在,而围垦后S2-被氧化成SO2−442-,SO2−442-容易被水淋溶,土壤硫含量降低。虽然由红树林围垦的农田和鱼塘已经有30～50年的历史了,但土壤酸性仍然较高,海南东寨港鱼塘堤岸土壤的pH仅为4.79,而湛江的围垦农田pH只有4.10,容易导致酸害的发生。4.3土壤总氮含量海南东寨港大片原生红树林被改造成农田和鱼(虾)塘,其中光滩的土壤总氮含量最低,红树林沉积物总氮含量最高。广东湛江红树林区的土壤总氮含量也呈现相同的规律,即沉积物>农田>鱼塘>光滩。广西大冠沙稍有差异,农田的总氮含量高于红树林沉积物,其次是鱼塘和光滩。红树林沉积物总氮含量较高,由于沉积物的氮主要以有机态氮形式存在,受有机质含量影响较大,而且红树林每年有大量的凋落物进入土壤沉积物,红树林残体在还原状态的条件下,有机质分解缓慢,使得有机质和养分积累,总氮含量普遍高于农田、鱼塘和光滩。而且由于红树林湿地的特殊生境,在海水潮汐的作用下,淹水土壤中厌氧细菌占优势,土壤有机氮分解速率非常缓慢,因此沉积物中总氮含量较高;光滩植被覆盖率低,营养匮乏,这与张银龙等研究九龙江河口红树林与光滩土壤养分结果一致。农田和鱼塘中总氮含量的来源主要是饵料和化肥的施用。经过红树林围垦而成的农田和鱼塘,改变了原来底泥的还原状态和稳定性,导致鱼塘生态系统沉积物中的氮经矿化而再利用或经硝化作用中介的解氮作用,所散失总氮含量增加,致使农田和鱼塘的氮的含量较低。4.4不同土壤条件下总磷含量的变化土壤总磷变化趋势与土壤总氮的趋势基本一致,海南东寨港和广东湛江均为:沉积物>农田>鱼塘>光滩,广西大冠沙的鱼塘含磷量最高,其次是沉积物和农田,光滩土壤总磷含量最低。红树林沉积物中总磷含量普遍较高,也是由于红树植物的生物积累和循环作用,凋落物经微生物分解会释放各种营养元素,除去海水带走的小部分,大部分元素被红树植物重新吸收,形成了养分元素的循环,使土壤有机质不断得到补充,土壤的总磷含量也得到提高。其次,土壤总磷含量与土壤的机械组成有关,红树植物有发达的根系,可以固沙固土,海水带来的粘粒在红树林湿地中易沉积,而且粘粒对土壤颗粒态磷的吸附作用极强,这样使土壤中总磷含量增加。广西大冠沙的红树林区土壤质地主要是沙滩,沙粒含量较多,这可能是大冠沙红树林土壤总磷含量较低的原因,广东湛江和海南东寨港属于混合滩,其中东寨港的砂砾、粉粒、粘粒含量均高于其他地区,因此,东寨港的沉积物中总磷含量比其它地区高很多。红树林盐渍沼泽土开垦为田地和鱼塘后,土壤的pH值、温度、生物量等都发生了改变,这些因素都可能影响沉积物中总磷的释放。土地利用方式的改变使得土壤结构发生变化,有机质分解,土壤总磷含量降低。其中鱼塘底泥的pH低,溶解氧含量低,这样易使底泥中难溶的磷化合物转化成溶解性的磷,则鱼塘底泥中的磷释放到水体中,使得底泥的磷含量也较低。4.5广东林木生长现状海南、广东、广西是中国红树林主要分布区,占全国现存红树林总面积的97.44%,从上世纪50年代以来,这三个省区毁坏的红树林面积占全国已毁红树林面积的98.73%。大面积的红树林被开垦为农田、鱼塘或城市用地,加剧了土壤有机碳、硫、氮磷的流失。根据已有的资料,本文估算了因红树林毁坏所造成的土壤营养的流失量(表3)。结果显示50年来广东红树林的面积流失最大,达到83%,并且土壤损失有机碳和总氮也最多,这与该省经济发展迅速等因素有关;而全国红树林总面积减少了65.75%,土壤有机碳总计损失3.05×1012g,硫总计损失2.68×1011g,可能会有大量的氮磷元素从土壤进入大气和海洋,造成土壤肥力下降,并加剧近海海域赤潮的发生。5土地利用类型的影响1)光滩、鱼塘堤岸和农田土壤的有机碳含量和硫、氮和磷的含量普遍低于当地红树林土壤,其中以光滩的有机碳、总氮和总磷的含量较低。2)土壤养分循环受到多种物理因素和生物因素的控制,如气候