河口濕地紅樹林植被恢復(fù)對土壤養(yǎng)分動態(tài)的影響

樂易迅， 胡敏杰， 肖 琳， 賴興凱， 王 碩， 丁思龍， 李婷婷

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福州 350002； 2.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007； 3.泉州灣河口濕地自然保護(hù)區(qū)發(fā)展中心，福建 泉州 362000)

植被恢復(fù)被認(rèn)為是控制土壤侵蝕、改善土壤質(zhì)量、恢復(fù)植物和生態(tài)系統(tǒng)健康的有效策略。植被恢復(fù)會引起土壤性質(zhì)變化，如土壤容重和總孔隙度、土壤滲透、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、土壤抗蝕性，以及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等。Li等研究了黃土高原植被恢復(fù)后土壤微生物量化學(xué)計量特征及其穩(wěn)態(tài)變化發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)23年后，土壤微生物量碳∶磷和氮∶磷顯著提高，長期植被恢復(fù)會加劇土壤微生物的磷限制；Li等對礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)后土壤理化性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，不同植被恢復(fù)類型(林地、草地)顯著提高了土壤有機質(zhì)、速效磷、脲酶、蔗糖酶、微生物量碳和氮等含量，表明植被恢復(fù)顯著改善了土壤質(zhì)量。然而，文孝麗等在干熱河谷沖溝發(fā)育區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)降低了土壤砂粒含量，增加了土壤粉粒含量，并沒有顯著改善土壤碳氮含量。目前，關(guān)于植被恢復(fù)對土壤養(yǎng)分及理化性質(zhì)影響的研究多集中在陸地生態(tài)系統(tǒng)，對于濕地(尤其是河口濕地)土壤養(yǎng)分動態(tài)響應(yīng)的相關(guān)研究還較少，導(dǎo)致河口濕地養(yǎng)分動態(tài)具有明顯的不確定性。

河口濕地處于海陸交互地帶，是對全球變化和人類活動響應(yīng)最為敏感的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，其對外界脅迫反應(yīng)的敏感性和脆弱性，使其成為當(dāng)前養(yǎng)分循環(huán)研究的重要區(qū)域。紅樹林作為生長在熱帶和亞熱帶海岸潮間帶的重要樹種，在保護(hù)生物多樣性、固碳釋氧、維持養(yǎng)分平衡等方面具有重要作用。但過去的幾十年里，全球紅樹林生態(tài)系統(tǒng)每年都遭受著約1%～2%的持續(xù)損失。雖然，在人為干預(yù)下許多國家的紅樹林覆蓋面積有所恢復(fù)，但仍沒有完全逆轉(zhuǎn)全球紅樹林系統(tǒng)重要功能與服務(wù)喪失的趨勢。因此，加強河口紅樹林資源的保護(hù)、恢復(fù)和管理已成為當(dāng)前全球各國政府和相關(guān)學(xué)者關(guān)注的焦點。深入研究土壤養(yǎng)分動態(tài)對于紅樹林植被恢復(fù)的響應(yīng)，對于更好地理解全球變化背景下河口濕地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)機制，科學(xué)評估河口系統(tǒng)養(yǎng)分動態(tài)，進(jìn)而維護(hù)濕地系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)，預(yù)防和減緩水體富營養(yǎng)化等具有重要意義。

泉州灣河口濕地是我國開展原生種紅樹林營造的重要基地之一，經(jīng)過多年的努力，現(xiàn)有紅樹林面積已從之前的17.1 hm增長到近466.7 hm，其中，洛陽江河口人工紅樹林已成為我國東南沿海人工恢復(fù)面積最大，生長最好的集中連片紅樹林。本研究以泉州灣洛陽江口人工紅樹林濕地為研究對象，揭示不同紅樹林恢復(fù)類型下土壤養(yǎng)分動態(tài)及其環(huán)境意義。研究結(jié)果有助于加強河口紅樹林濕地養(yǎng)分管理，維護(hù)濕地系統(tǒng)養(yǎng)分平衡。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

泉州灣河口濕地位于晉江和洛陽江入海口(24°47′—24°59′N，118°37′—118°42′E)，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均氣溫20.4 ℃，年均降水量1 095.4 mm。該區(qū)是亞熱帶河口濕地的典型代表，先后被列入“亞洲重要濕地”“中國優(yōu)先保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)”、“中國重要濕地”等名錄。泉州灣河口區(qū)主要濕地類型包括潮間鹽沼、紅樹林、河口水域及水產(chǎn)養(yǎng)殖塘等。其中，洛陽江河口東岸是紅樹林的集中連片分布區(qū)，以桐花樹、秋茄等為優(yōu)勢種，是2002年后由惠安縣林業(yè)局、海洋局等部門通過人工種植方式恢復(fù)而成。

1.2 樣品采集及處理

于2021年春季植被生長季，選擇洛陽江口東岸紅樹林集中分布區(qū)的桐花樹()、秋茄()以及桐花樹+秋茄混交林等3種典型紅樹林恢復(fù)類型為研究對象，以光灘為對照，研究不同紅樹林恢復(fù)類型對河口濕地土壤養(yǎng)分動態(tài)的影響。在每個樣地中心區(qū)隨機設(shè)置重復(fù)，采集3個30 cm深的土壤柱狀樣，并按10 cm間隔切割、裝袋，及時帶回實驗室，進(jìn)行土壤養(yǎng)分及理化性質(zhì)測定。

土壤全磷和有效磷使用鉬銻抗比色法測定；土壤全氮采用碳氮元素分析儀(Elementar Vario MAX CN，德國)測定，堿解氮使用堿解擴散法測定；土壤全鉀和速效鉀含量使用火焰光度法測定。土壤pH使用pH計(STARTER300，美國)測定，土壤有機質(zhì)含量采用燒失量法測定。具體方法參照文獻(xiàn)[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(=3)。使用方差分析(ANOVA)對不同植被恢復(fù)類型、不同深度土壤養(yǎng)分特征進(jìn)行差異性檢驗。采用Pearson相關(guān)分析測定各土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)關(guān)系。使用IBM SPSS Statistics 19軟件統(tǒng)計分析，使用Origin 2021軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH和有機質(zhì)含量

由表1可知，垂直方向上，不同植被恢復(fù)模式下土壤pH均表現(xiàn)為隨土層深度的增加而降低，而光灘則表現(xiàn)為隨土層深度的增加而增加。土壤有機質(zhì)含量在桐花樹、秋茄群落和光灘表現(xiàn)為隨土層深度的增加而降低，而在混交林群落則表現(xiàn)為隨土層深度逐漸增加?？傮w來看，無植被的光灘(恢復(fù)前)土壤pH顯著高于植被恢復(fù)后的土壤(<0.05)，而土壤有機質(zhì)含量則表現(xiàn)為植被恢復(fù)樣地顯著高于光灘(<0.05)，這表明紅樹林植被恢復(fù)有助于降低土壤pH，增加土壤有機質(zhì)含量，從而改善土壤質(zhì)量。

表1 不同植被恢復(fù)模式土壤pH和有機質(zhì)含量

2.2 不同植被恢復(fù)模式土壤氮磷動態(tài)

由圖1可知，垂直方向上，土壤堿解氮含量在桐花樹和混交林模式下表現(xiàn)為隨土層深度的增加而增加，在秋茄群落表現(xiàn)為先降低后增加的波動趨勢，而在光灘則表現(xiàn)為隨土層深度先增加后降低。土壤有效磷含量在不同植被恢復(fù)模式及光灘均大致表現(xiàn)為隨土層深度的增加而逐漸增加，而全磷含量在不同紅樹模式下則表現(xiàn)為隨深度波動降低。總體來看，土壤堿解氮在不同植被恢復(fù)模式下均高于光灘，混交林土壤顯著高于光灘(<0.05)。土壤有效磷和全磷含量在混交林和桐花樹群落均高于光灘，混交林達(dá)到顯著性水平(<0.05)。可見，不同模式紅樹林恢復(fù)對土壤氮磷養(yǎng)分含量均具有明顯的促進(jìn)作用，并且混交林的促進(jìn)作用優(yōu)于單一的秋茄和桐花樹群落。

注：框圖中□表示平均值：——表示中位值；圖柱上方不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3 不同植被恢復(fù)模式土壤速效鉀和全鉀動態(tài)

由圖2可知，垂直方向上，土壤速效鉀在秋茄和混交林模式下表現(xiàn)為隨土層深度逐漸增加，在桐花樹群落表現(xiàn)為先增加后降低，而在光灘則表現(xiàn)為隨深度逐漸降低。土壤全鉀在桐花樹、混交林以及光灘表現(xiàn)為隨深度逐漸增加，而在秋茄群落則表現(xiàn)為隨土層深度先增加后降低?？傮w上看，不同紅樹林恢復(fù)模式下土壤速效鉀含量均高于光灘，混交林和桐花樹群落與光灘之間存在顯著差異(<0.05)，而土壤全鉀含量在不同植被恢復(fù)模式間并無顯著差異。表明紅樹林植被恢復(fù)主要通過增加土壤速效鉀含量而非全鉀含量來改善濕地土壤養(yǎng)分，并且不同紅樹林恢復(fù)模式的影響也存在明顯差異。

3 討 論

本研究中，相較于光灘，不同紅樹林植被恢復(fù)均顯著降低了表層土壤pH(表1)，這與Hou等在退化山地的研究結(jié)果一致，植被恢復(fù)后紅壤理化性質(zhì)得到明顯改善，與裸地相比，恢復(fù)地土壤容重和pH明顯降低，而土壤含水量則顯著增加。植被恢復(fù)后，土壤pH的降低可能是因為：一方面植物根系可以直接釋放有機酸；另一方面，植物吸收和或土壤微生物轉(zhuǎn)化有機質(zhì)過程中，交換性陽離子的去除與有機酸的釋放共同促進(jìn)了土壤酸化。在植物凋落物的分解(尤其是微生物的分解)過程中較少的堿離子，較多的樹脂和單寧也有助于降低土壤pH。此外，不同紅樹林恢復(fù)模式下土壤pH隨土層深度增加而降低，進(jìn)一步說明植物根系活動在調(diào)節(jié)土壤酸堿度中的作用。

與土壤pH變化趨勢相反，不同紅樹林恢復(fù)模式明顯提高了土壤有機質(zhì)含量(表1)。植被恢復(fù)可以改善濕地土壤性質(zhì)，增加土壤肥力。一般來說，隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，恢復(fù)區(qū)植物生物量和物種多樣性逐漸增加，一方面有機物通過植物根系被不斷輸送到土壤中；另一方面，植物凋落物的分解和輸入會顯著增加土壤碳氮含量，從而顯著增加有機質(zhì)含量。此外，與其他生態(tài)系統(tǒng)明顯不同，河口濕地還可以通過河流徑流和海洋潮汐接收大量外源有機物質(zhì)，在恢復(fù)區(qū)植被的強促淤作用下沉降在土壤中，這也是河口有機物質(zhì)的重要來源。而反觀無植被的光灘，植物源有機質(zhì)輸入有限，由于沒有植被的促淤功能，外源輸入的有機物難以固存，導(dǎo)致其有機物含量相較植被恢復(fù)區(qū)低。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在不同植被恢復(fù)模式間，混交林土壤有機質(zhì)含量高于單一的桐花樹和秋茄純林，主要是因為不同樹種的混交可有效利用地上地下空間，林冠茂密、根系深廣，凋落物豐富，提高林分的生產(chǎn)率和養(yǎng)分歸還量。

圖2 不同植被恢復(fù)模式土壤速效鉀和全鉀動態(tài)

總體來看，不同紅樹林恢復(fù)模式下土壤堿解氮、有效磷和全磷含量均高于恢復(fù)前的光灘樣地(圖1)。一方面，植被恢復(fù)后大量凋落物和有機質(zhì)的輸入直接將氮磷等養(yǎng)分歸還到土壤中，土壤結(jié)構(gòu)的改善降低了因河流徑流和海洋潮汐引起的土壤侵蝕和養(yǎng)分流失，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的截留與累積；另一方面，土壤微生物活性也隨著植被恢復(fù)年限的增加而增強，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和儲存能力進(jìn)一步增強。此外，河口區(qū)是相關(guān)河流排海營養(yǎng)物質(zhì)的匯集地，通過地表徑流、干濕沉降以及與開放海域的海水交換等途徑向河口輸出大量的營養(yǎng)元素(氮磷等)。這些元素部分被直接截留在土壤中，部分通過植物的吸收、利用，轉(zhuǎn)化成植物生物量和凋落物歸還到土壤中，進(jìn)而源源不斷的提供養(yǎng)分。無植被的光灘濕地，由于缺少植物根系的固持作用，土壤養(yǎng)分淋溶、損耗嚴(yán)重。本研究還發(fā)現(xiàn)，不同植被類型中混交林群落土壤氮磷養(yǎng)分均顯著高于光灘，主要是因為混交林冠層厚，葉面積指數(shù)較大，枯落物較多，固氮磷能力強，比單純林更能提高土壤養(yǎng)分和肥力。

土壤鉀的分布與土壤性質(zhì)有關(guān)，包括土壤表面積、礦物學(xué)和黏土礦物的厚度等。本研究中，不同紅樹林恢復(fù)模式下土壤速效鉀和全鉀含量均高于光灘，尤其是土壤速效鉀含量(圖2)。一方面，不同植被恢復(fù)模式下植物凋落物的直接輸入和微生物分解為土壤提供了大量的鉀源；另一方面，交換態(tài)鉀離子主要吸附在土壤有機質(zhì)、黏土礦物交換位點和黏土礦物邊緣位點上，植被恢復(fù)通過改變土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，使得黏土礦物含量增加，有助于交換態(tài)鉀元素的截留和固持。相對于其他植被恢復(fù)類型，混交林模式明顯增加了土壤速效鉀含量，主要是與混交林下土壤結(jié)構(gòu)的改變以及有機物質(zhì)大量輸入有關(guān)。綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)，不同紅樹林植被恢復(fù)類型對于土壤pH、有機質(zhì)以及主要養(yǎng)分元素具有明顯的調(diào)控作用，未來在進(jìn)行植被恢復(fù)的同時，應(yīng)加強植被恢復(fù)后土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分動態(tài)的多時空、多尺度觀測，為全球變化情景下，河口濕地土壤養(yǎng)分平衡和生態(tài)系統(tǒng)健康評估提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)不同模式紅樹林恢復(fù)顯著降低了土壤pH及其垂直分布特征，但增加了土壤有機質(zhì)含量，植被恢復(fù)對土壤酸堿度和有機質(zhì)含量具有明顯的調(diào)控作用。

(2)河口濕地紅樹林植被恢復(fù)顯著增加了表層土壤堿解氮、有效磷、全磷、速效鉀和全鉀等養(yǎng)分含量，可有效提高河口濕地土壤養(yǎng)分有效性。

(3)不同紅樹林恢復(fù)模式對土壤性質(zhì)和養(yǎng)分動態(tài)的影響存在明顯差異，桐花樹—秋茄混交林的影響最顯著，不僅可顯著降低土壤pH，增加土壤有機質(zhì)含量，還顯著提高了土壤氮磷鉀等養(yǎng)分元素含量，是河口區(qū)植被恢復(fù)的優(yōu)選模式。