文章信息
- 张书齐, 许全, 杨秋, 蒋亚敏, 王旭, 刘文杰
- ZHANG Shuqi, XU Quan, YANG Qiu, JIANG Yamin, WANG Xu, LIU Wenjie
- 海南岛海岸带沙地土壤碳氮磷含量及碳氮比
- C, N, and P content and C: N ratio in sandy soil in the coastal zone of Hainan Island
- 森林与环境学报,2019, 39(4): 398-403.
- Journal of Forest and Environment,2019, 39(4): 398-403.
- http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2019.04.011
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文章历史
- 收稿日期: 2018-10-08
- 修回日期: 2019-01-07
海岸带是陆地和海洋的过渡地带[1], 20世纪以来,随着沿海经济发展城市化进程加快,人口持续向海岸带集中,海岸带受到人为干扰日益频繁,造成海岸带生态环境恶化,灾害频现[2]。为改善海岸带地区风大、土壤沙化、贫瘠等生态环境脆弱的状况,开始大量引种具有防风固沙、涵养水源、保护生产生活的海防林[3]。有研究表明,植被的“肥岛”效应能够提高沙地土壤的养分含量,促进土壤中碳氮磷的积累[4]。然而,植被对沙地土壤养分含量影响的研究大都集中在干旱或半干旱区荒漠地区[5],对海岸带沙地土壤的情况仍不甚了解。研究海岸带沙地防护林土壤碳氮磷含量及碳氮比特征可以为评估防护林对土壤养分和碳汇功能的改善提供理论依据。
木麻黄(Casuarina equisetifolia Forst Gen. Pl.)是海南岛主要的防护林树种[6],本研究以海南岛沿岸的12个市(县)的海岸带沙地土壤为研究对象,通过研究木麻黄防护林表层土壤(0~20 cm)碳氮磷含量及碳氮比之间的差异及其影响因素,以期探究海岸带沙地土壤是否存在植被“肥岛”效应,为海岸带土壤碳储量估算及海防林的管理提供基础数据和理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况海南省地处我国领土最南端,靠近热带北缘, 位于北纬18°08′~20°10′,东经108°37′~111°03′,其陆地(主要包括海南岛和西沙群岛、中沙群岛、南沙群岛)总面积3.54万km2,海南岛面积3.39万km2,海域面积约200万km2。海南岛地形地貌复杂,由山地、丘陵、台地和平原等形成以中部高山为核心,向四周逐渐递降的梯级结构。海南岛属热带季风气候,全年无冬,年平均气温为22~27 ℃,最低温也在10 ℃以上,年平均光照时间为1 750~2 650 h,年平均降水量为1 639 mm,其中5—10月的雨量超过全年总雨量的70%以上,达1 500 mm左右,全岛水热资源充足[7]。选取海南岛海口市、三亚市、儋州市、琼海市、文昌市、万宁市、东方市、澄迈县、临高县、昌江黎族自治县、乐东黎族自治县和陵水黎族自治县等12个行政单位的海岸带木麻黄海防林为研究对象,各地区的木麻黄长势与林龄基本一致。研究区各市(县)的年平均气温和年平均降雨量见表 1。每个市(县)选取两个采样点,共设立24个采样点,采样点分布见图 1。在每个采样点的木麻黄林区设置20 m×20 m样地(简称林下),选取木麻黄林地临近的光滩作为对照,在每个样地内随机布设3个2 m×2 m的小样方进行土壤采集。
样地名称 Sampling name |
年平均气温 Annual average temperature/℃ |
年平均降水量 Annual average precipitation/mm |
海口Haikou | 24.8 | 1 645.5 |
昌江Changjiang | 24.9 | 1 693.1 |
乐东Ledong | 24.7 | 1 634.4 |
琼海Qionghai | 24.6 | 2 053.5 |
三亚Sanya | 26.3 | 1 561.2 |
文昌Wenchang | 24.4 | 1 975.0 |
万宁Wanning | 25.0 | 2 070.3 |
澄迈Chengmai | 24.0 | 1 801.2 |
儋州Danzhou | 24.9 | 1 856.5 |
临高Lingao | 24.0 | 1 476.2 |
东方Dongfang | 25.2 | 940.8 |
陵水Lingshui | 25.4 | 1 717.9 |
注:表中数据来自文献[7]。Note:statistical data is from reference[7]. |
土壤样品采集于2017年8月20日—2017年10月5日进行。在每个2 m×2 m的样方内使用内径为2.5 cm的土钻分0~10 cm和10~20 cm两个土层进行取样,每个土层通过5点取样混合为1个土壤样品,共采集288个土壤样品。将采集好的土样带回实验室,剔除其中的凋落物、贝壳等杂质后进行自然风干,研磨过0.154 mm筛并封装待用, 再进行土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)、全氮(total nitrogen,TN)和全磷(total phosphorus,TP)含量的测定。其中:SOC的测定方法为浓硫酸-重铬酸钾氧化法[8];土壤TN以K2SO4:GuSO4:Se为100:10:1的比例进行混合作为催化剂的浓H2SO4消煮; 土壤TP使用硫酸-高氯酸(H2SO4-HClO4)消煮;TN和TP含量采用全自动流动分析仪(Proxima1022/1/1,爱利安斯科学仪器公司,法国)测定。
1.3 海岸带碳储量的估算2014年海南省人民政府明确了海南省海岸带范围,以海岸线向陆延伸5 km、向海延伸3 km的区域为海岸带区域。本研究只对向陆延伸5 km的海岸带进行土壤有机碳的估算,海岸带面积数据以2018年Landsat8 OLI_TIRS卫星数字产品为基础数据,数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn),使用ArcGis10.4缓冲区工具生成海岸带范围,使用市(县)边界切割各市(县)海岸带,几何计算工具获得各市(县)海岸带面积。土壤碳储量(carbon storage, SC)的计算公式为:
$ S_{\mathrm{C}}=D_{\mathrm{B}} S D S_{\mathrm{oc}} $ | (1) |
式中:SC为海岸带土壤碳储量(g);DB为土壤容重(g·cm-3);S为海岸带面积(km2);D为土层深度(m);SOC为各市(县)海岸带0~10 cm与10~20 cm土层土壤有机碳含量的平均值(g·kg-2)。
1.4 数据分析使用SPSS 21软件进行数据统计分析,利用两独立样本T检验方法(二者经检验不具有相关关系)比较林下与光滩土壤碳氮磷含量,使用单因素方差分析(LSD检验)比较林下与光滩0~10 cm、10~20 cm土层碳氮比(C:N)的差异,采用Pearson相关性分析土壤碳氮磷含量、碳氮比(C:N)与气象因子的相关性。
2 结果与分析 2.1 不同土层土壤有机碳、全氮、全磷含量及碳氮比与碳储量海南岛各市(县)海岸带林下与光滩不同土层SOC、TN和TP含量见表 2。海南岛海岸带0~10 cm和10~20 cm土层的SOC、TN平均含量均为林下显著高于光滩;0~10 cm土层TP平均含量为林下显著高于光滩,但在10~20 cm土层,林下与光滩无显著差异。昌江、琼海、三亚、万宁、澄迈、儋州、临高和东方0~10 cm土层的SOC含量均为林下显著高于光滩,而海口、乐东、文昌和陵水林下与光滩无显著差异; 海口、昌江、乐东、琼海、三亚、文昌、万宁、儋州、临高和东方10~20 cm土层的SOC平均含量为林下显著高于光滩,其他市(县)林下与光滩无显著差异。昌江、三亚、万宁、儋州、东方和陵水0~10 cm土层TN含量林下与光滩差异显著,昌江、三亚和万宁10~20cm土层TN含量林下与光滩差异显著; 昌江、澄迈、临高和东方0~10 cm土层的TP含量为林下与光滩差异显著;文昌10~20 cm土层的TP含量为林下显著高于光滩,其他地区林下与光滩无显著差异。海南岛各市(县)海岸带0~20 cm土层的碳储量约为4.08 Tg, 其中,儋州0~20 cm土层的碳储量最高, 为0.91 Tg,琼海0~20 cm土层的碳储量最低, 为0.09 Tg(表 2)。海南岛海岸带防护林沙地土壤0~10 cm土层平均碳氮比(C:N)值为12.44,10~20 cm土层为8.79;。0~10 cm和10~20 cm土层林下与光滩的碳氮比(C:N)差异不显著,仅林下0~10 cm和光滩10~20 cm土层的碳氮比(C:N)差异显著(表 3)。
样地 Sampling point |
土层深度 Soil depth/cm |
有机碳含量SOC/(g·kg-1) | 碳储量Carbon storage/Tg | 全氮含量TN/(g·kg-1) | 全磷含量TP/(g·kg-1) | ||||
林下 Coastalshelterbelts |
光滩 Bare beach |
林下 Coastalshelterbelts |
光滩 Bare beach |
林下 Coastalshelterbelts |
光滩 Bare beach |
||||
海口 | 0~10 | 2.22±1.27a | 1.62±0.38a | 0.24±0.14a | 0.10±0.05a | 0.20±0.10a | 0.19±0.10a | ||
Haikou | 10~20 | 1.38±0.05a | 0.64±0.23b | 0.38 | 0.16±0.10a | 0.12±0.03a | 0.08±0.03a | 0.05±0.01a | |
昌江 | 0~10 | 5.06±1.23a | 2.52±0.96b | 0.50±0.27a | 0.17±0.09b | 0.23±0.09a | 0.12±0.03b | ||
Changjiang | 10~20 | 4.42±1.81a | 1.24±0.77b | 0.18 | 0.44±0.29a | 0.13±0.07b | 0.20±0.10a | 0.12±0.03a | |
乐东 | 0~10 | 1.79±0.41a | 1.20±0.78a | 0.49±0.13a | 0.31±0.27a | 0.19±0.10a | 0.15±0.07a | ||
Ledong | 10~20 | 0.90±0.29a | 0.52±0.04b | 0.12 | 0.12±0.03a | 0.13±0.02a | 0.17±0.04a | 0.16±0.03a | |
琼海 | 0~10 | 2.03±0.69a | 0.90±0.20b | 0.22±0.15a | 0.15±0.03a | 0.25±0.09a | 0.21±0.03a | ||
Qionghai | 10~20 | 1.91±0.43a | 0.59±0.19b | 0.09 | 0.18±0.10a | 0.16±0.06a | 0.12±0.08a | 0.21±0.09a | |
三亚 | 0~10 | 4.71±0.74a | 1.05±0.37b | 0.63±0.15a | 0.16±0.07b | 0.10±0.02a | 0.10±0.04a | ||
Sanya | 10~20 | 1.88±0.14a | 0.27±0.14b | 0.73 | 0.38±0.13a | 0.10±0.04b | 0.11±0.06a | 0.07±0.01a | |
文昌 | 0~10 | 1.63±0.74a | 1.11±0.19a | 0.19±0.05a | 0.17±0.09a | 0.41±0.24a | 0.32±0.21a | ||
Wenchang | 10~20 | 0.96±0.06a | 0.45±0.19b | 0.43 | 0.32±0.19a | 0.33±0.14a | 0.48±0.13a | 0.26±0.06b | |
万宁 | 0~10 | 5.37±1.36a | 1.21±0.34b | 0.55±0.18a | 0.17±0.10b | 0.10±0.02a | 0.11±0.05a | ||
Wanning | 10~20 | 1.37±0.29a | 0.50±0.20b | 0.25 | 0.16±0.01a | 0.09±0.02b | 0.13±0.05a | 0.09±0.03a | |
澄迈 | 0~10 | 3.42±0.74a | 1.63±0.78b | 0.62±0.25a | 0.36±0.08a | 0.12±0.02a | 0.54±0.16b | ||
Chengmai | 10~20 | 2.34±0.36a | 1.72±0.71a | 0.12 | 0.76±0.31a | 0.75±0.10a | 0.16±0.04a | 0.15±0.01a | |
儋州 | 0~10 | 8.92±1.35a | 3.55±0.10b | 0.54±0.10a | 0.23±0.02b | 0.18±0.01a | 0.19±0.02a | ||
Danzhou | 10~20 | 6.64±2.02a | 1.80±0.28b | 0.91 | 0.50±0.29a | 0.47±0.21a | 0.07±0.04a | 0.07±0.02a | |
临高 | 0~10 | 7.19±1.97a | 1.29±0.52b | 0.19±0.11a | 0.08±0.05a | 0.28±0.02a | 0.16±0.14b | ||
Lingao | 10~20 | 3.76±0.68a | 1.47±0.08b | 0.31 | 0.35±0.28a | 0.26±0.04a | 0.24±0.07a | 0.34±0.04a | |
东方 | 0~10 | 4.36±0.95a | 1.74±0.66b | 0.80±0.04a | 0.14±0.10b | 0.71±0.09a | 0.11±0.02b | ||
Dongfang | 10~20 | 2.81±0.59a | 1.36±0.26b | 0.30 | 0.13±0.07a | 0.09±0.08a | 0.13±0.05a | 0.14±0.08a | |
陵水 | 0~10 | 4.93±2.14a | 4.28±1.30a | 0.35±0.29a | 0.88±0.10b | 0.23±0.06a | 0.17±0.02a | ||
Lingshui | 10~20 | 4.11±2.00a | 3.66±1.32a | 0.26 | 0.44±0.12a | 0.32±0.23a | 0.20±0.05a | 0.18±0.03a | |
全岛 | 0~10 | 4.33±2.30a | 1.77±1.14b | 0.38±0.25a | 0.21±0.20b | 0.26±0.19a | 0.19±0.13b | ||
The island | 10~20 | 3.05±1.97a | 1.18±1.04b | 4.08 | 0.35±0.23a | 0.23±0.20b | 0.18±0.13a | 0.15±0.09a | |
平均Average | 0~20 | 2.58±1.40 | 0.29±0.09 | 0.20±0.05 | |||||
注:数据后不同小写字母表示在0~10 cm、10~20 cm土层SOC、TN、TP含量林下与光滩差异显著,P<0.05。Note: different lowercase letters indicate significant differences in SOC, TN and TP contents at the depth of 0-10 cm or 10-20 cm between the coastal shelterbelts and bare beach, P<0.05. |
土层深度 Soil depth/cm |
碳氮比C:N | |
林下Coastal shelterbelts | 光滩Bare beach | |
0~10 | 12.44±2.59a | 9.94±1.34ab |
10~20 | 8.79±1.55ab | 5.96±1.23b |
注:数据后不同字母表示0~10、10~20 cm土层的碳氮比值林下与光滩差异显著,P<0.05。Note: different lowercase letters indicate significant differences in C:N ratios at the depth of 0-10 cm or 10-20 cm between the coastal shelterbelts and bare beach, P<0.05. |
海南岛海岸带沙地土壤SOC与TN存在显著的相关性,相关系数为0.32,SOC与C:N存在极显著的相关性,相关系数为0.72,说明0~20 cm土层的SOC含量与TN含量,SOC含量与C:N在整个海南岛海岸带的变化是一致的(表 4)。
项目Items | 全氮TN | 全磷TP | 碳氮比C:N |
有机碳SOC | 0.32* | -0.03 | 0.72** |
全氮TN | 0.20 | -0.28 | |
全磷TP | -0.07 | ||
注:**代表极显著相关,P<0.01;*代表显著相关,P<0.05。Note: ** denotes highly significant correlation, P<0.01; * denotes significant correlation, P<0.05. |
年平均气温与林下0~10 cm土层TN含量具有显著正相关的关系,与光滩相同土层的SOC含量和TN含量均表现为极显著正相关。年平均降水量与林下0~10 cm土层的TP含量呈显著负相关,与光滩相同土层的TP含量则表现出显著正相关(表 5)。
位置Position | 类型Type | 年平均气温Annual average temperature/℃ | 年平均降水量Annual average precipitation/mm |
林下Coastal shelterbelts | 土壤有机碳SOC | 0.003 | -0.127 |
全氮TN | 0.592* | -0.316 | |
全磷TP | -0.019 | -0.640* | |
光滩Bare beach | 土壤有机碳SOC | 0.795** | -0.298 |
全氮TN | 0.713** | -0.517 | |
全磷TP | -0.381 | 0.612* | |
林下Coastal shelterbelts | 碳氮比C:N | -0.373 | -0.128 |
光滩Bare beach | 碳氮比C:N | -0.161 | -0.014 |
注:**代表极显著相关,P<0.01;*代表显著相关,P<0.05。Note: ** denotes highly significant correlation, P<0.01; * denotes significant correlation, P<0.05. |
本研究中海南岛海岸带沙地0~20 cm土层的SOC、TN和TP的平均含量分别为2.58、0.29和0.20 g·kg-1,高于江苏省东台围垦区海岸带0~20 cm土层SOC含量(0.72 g·kg-1)和TN含量(0.13 g·kg-1),但低于TP含量(0.68 g·kg-1)[9]。研究中发现海南岛海岸带0~10 cm土层土壤的SOC、TN和TP平均含量分别为4.33、0.38和0.26 g·kg-1,与邱岭军等[10]对滨海福建长乐大鹤国有防护林的滨海沙地0~10 cm土层的结果相似(SOC、TN和TP含量的变化范围分别为:3.41~4.41、0.33~0.47和0.09~0.12 g·kg-1);也与林宝平等[11]对滨海福建长乐大鹤国有防护林的滨海沙地的试验结果相似(SOC和TN含量分别为4.42和0.47 g·kg-1)。福建东山海岸带0~10 cm土层土壤的TN和TP平均含量分别为(0.16±0.05)和(0.07±0.02) g·kg-1,低于海南岛海岸带的(0.38±0.25)和(0.26±0.19) g·kg-1;福建东山海岸带0~10 cm土层土壤SOC含量为(1.65±0.09) g·kg-1[12],小于本研究中的(4.33±2.30) g·kg-1。参考全国土壤的养分分级标准(全国第二次土壤普查养分分级标准),本研究中海南岛海岸带防护林沙地0~10 cm与10~20 cm土层的SOC、TN和TP的平均含量均处于第5或第6级水平,近海光滩0~10 cm和10~20 cm土层的SOC、TN和TP含量均处于第6级水平,说明海南岛海岸带的沙地土壤养分贫瘠。主要是海南岛海岸带土壤类型大多为砂质土壤[13],并新种植木麻黄林防护林,土壤保肥能力差,有机质输入有限所致。同时,海岸带丰富的降水和潮汐淋溶的影响,导致了海岸带沙地土壤的SOC和TN含量较低。
本研究中海南岛海岸带沙地土壤相同土层,全岛林下平均SOC、TN和TP含量(除10~20 cm土层的TP含量以外)都要高于光滩平均含量。光滩缺少植被覆盖,没有凋落物的补给,土壤疏松,持水保肥能力差,由于“肥岛”效应使得木麻黄海防林改善了土壤的肥力状况,与光滩比较积累了更多的碳、氮和磷元素,所以林下土壤的SOC和TN含量高于光滩。但0~20 cm土层TP含量不具有差异性,主要原因是土壤TP含量与土壤成土母质有关[14],TP含量在土壤中一般比较稳定。TN含量在0~10 cm和10~20 cm土层中分别有6个(昌江、三亚、万宁、儋州、东方和陵水)和3个(昌江、三亚和万宁)市(县)出现林下显著高于光滩的现象。林下0~10 cm和10~20 cm土层TP含量分别有4个(昌江、澄迈、临高和东方)和1个(文昌)市(县)出现林下显著高于光滩的现象。这表明0~10 cm土层土壤“肥岛”效应比10~20 cm土层更强,可能是由于采样区木麻黄海防林林龄较低,凋落物对0~10 cm表层土壤养分的贡献较大所致。海南岛海岸带的碳氮比(C:N)平均值为9.28,林下0~10 cm、林下10~20 cm、光滩0~10 cm和光滩10~20 cm土层碳氮比(C:N)平均比值分别12.44±2.59、8.79±1.55、9.94±1.34和5.96±1.23。CLEVELAND et al[15]研究表明,全球0~20 cm土层的土壤碳氮比(C:N)的平均值为14.30,中国土壤的碳氮比(C:N)平均值为11.90[16]。可知,海南岛海岸带土壤的碳氮比(C:N)低于全国的平均值。本研究中年平均气温与林下0~10 cm土层的TN含量存在显著的正相关关系。海南岛滨海地区大部分为沙质土壤,土壤熟化程度较低,土壤SOC、TN和TP的含量处于较低水平;其中,有机质的矿化是土壤SOC和TN等养分的主要来源[17];所以年均气温越高,有机质矿化和土壤养分含量都有增加的趋势。年平均气温与光滩0~10 cm土层SOC和TN含量都存在极显著的正相关关系;光滩与林下土壤相比缺少植被覆盖,受植被干扰少,所以SOC和TN含量受矿化的影响更大,表现出极显著的相关性。本研究发现,光滩比林下土壤养分含量及其生态化学计量比与年均气温的相关性更显著,原因可能是由于林下的土壤受到防护林的局地小气候影响所致,蔺银鼎等[18]研究城市灌丛群落小气候特征,也证明了林下与裸地近地与土壤温度存在显著差异。另外,木麻黄防护林植被的“肥岛”效应(更多养分的输入)可以增加土壤的有机物含量,这也会减弱土壤碳氮磷含量受年均气温的影响。目前国内外有关土壤碳储量的研究主要集中在森林、草地和农田生态系统土壤碳储量[19],对海岸带生态系统沙质土壤碳储量研究较少。就0~20 cm表层土壤而言,全球有机碳储量为455 Pg[20],中国为20 Pg[21],海南岛为99.61 Tg[22]。本研究估算出海南岛海岸带表层0~20 cm土壤的碳储量约为4.08 Tg,约占海南岛表层土壤碳储量的4.1%,占全国表层土壤碳储量的0.02%。结果表明:海南岛海岸带碳储量较低,但仍是土壤碳库不可忽略的一部分。
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