0 引言
红树林是生长于热带及亚热带潮间带滩涂的木本植物群落,亦是地球上固碳效率最高的滨海生态系统之一[1-3]。由于受海水周期性淹没的影响,红树林沉积物间隙水与海洋和陆地都有频繁的有机碳双向交换,使红树林生态系统具有强大的碳汇功能,成为降低大气二氧化碳含量、减缓全球气候变化的重要途径[4]。研究表明,红树林碳储量相当于热带雨林碳储量,红树林沉积物是重要的碳源,相比陆地森林土壤具有更高的碳储量[5-6]。沉积物有机碳可以反映红树林碳库稳定性的变化[7],为微生物提供养分[8],对探索碳循环具有重要意义。目前,国内外学者对红树林沉积物有机碳分布及其与环境因子的相关性进行了大量研究[9-10]。沉积物有机碳空间分布受物理、化学及生物复杂过程的影响,其空间异质性为有机碳储量的科学估算和关键影响因素的研究提出了挑战,会直接影响对区域有机碳源汇格局的认识[11]。其中,沉积物理化性质是影响沉积物有机碳分布的重要因素。例如,徐耀文等[12]运用相关系数法研究珠海淇澳岛红树林发现,秋茄区有机碳含量与pH呈显著负相关,与总氮呈显著正相关;孙慧敏[13]对漳江口红树林有机碳影响因素进行冗余分析发现,红树林有机碳含量与含水量、盐度、砂含量呈极显著正相关,而与粉砂含量和黏土含量不相关;此外,赵泽阳等[14]基于线性回归分析法研究海南岛北部地区红树林发现,有机碳与黏土含量、粉砂含量呈极显著正相关,与砂含量呈极显著负相关。另外,人为扰动[15]和气候水文条件[16]等也会影响红树林沉积物有机碳的空间分布特征。总体上,沉积物总氮含量、黏土含量、粉砂含量等是影响沉积物有机碳空间分布的关键因素[14,17-18]。然而,这些环境因子在沉积物有机碳分布中的相对贡献率仍缺乏定量评估。LAI等[19]于2022年提出层次分割法,该方法可在所有可能的模型子集下为各解释变量(或解释变量组)分配单独效应,为典范分析中共线性解释变量的相对重要性评估提供了新的定量指标。本研究将层次分割法用于量化环境因子(沉积物总氮、总磷和沉积物粒度)对沉积物有机碳分布影响的贡献率,以期更好地理解和评估红树林沉积物有机碳空间分布的驱动因素。
沿浦湾地处浙闽交界区,是浙江省唯一具有南亚热带气候特征的地理单元,湾内滩涂广阔,海水覆盖时间长,淹水环境充足,适宜红树植物生长。该区域红树林种植可追溯至1958年,到1960年建成红树林6 hm2,但受自然因素及人为扰动的影响,截至2014年仅剩红树林0.01 hm2。当地政府于2015年开展秋茄(Kandelia candel)试种工作,进行海岸带生态修复。目前,沿浦湾红树林面积已达到0.67 km2,最大株高2~3 m,长势良好,成为我国北缘红树林研究的热点区域。例如,张苗苗等[20]分析沿浦湾秋茄种植前后大型底栖动物生态位和功能群变化发现,红树林修复后,大型底栖动物的生态位宽度和功能群多样性增加,群落结构得到优化,海湾生态修复初见成效;来洪运等[21]探究秋茄早期生长特征发现,沿浦湾适宜红树植物生长,且长势良好。上述研究从不同角度反映了沿浦湾红树林修复所带来的生态效益。红树林沉积物碳汇潜力亦可作为红树林生态效益的关键指标,对缓解气候变暖和维护海洋固碳能力具有重要意义。然而,有关沿浦湾红树林沉积物有机碳空间分布及其驱动因素方面的研究鲜有报道,红树林生态修复碳汇效应不明。因此,本研究对沉积物有机碳、总氮、总磷和沉积物粒度进行分析,探究2018—2019年春季和秋季沿浦湾红树林沉积物有机碳空间分布特征及其驱动因素,为沿浦湾红树林碳埋藏能力的评估研究奠定基础。
1 材料与方法
1.1 样品采集及前处理
1.2 分析方法
1.3 统计分析
使用克里金插值法分析有机碳、总磷、总氮含量的空间分布;采用Kruskal-Wallis检验对环境因子数据进行差异分析以剔除异常值;通过Spearman相关分析确定沉积物有机碳含量与沉积物理化因子间的相关性(p<0.01为极显著,p<0.05为显著);基于冗余分析探究沉积物环境因子与有机碳间的关系,在此基础上结合层次分割法量化环境因子对有机碳分布的贡献率。克里金插值使用ArcGIS 10.8软件,Kruskal-Wallis检验使用SPSS 26.0软件,Spearman相关分析、冗余分析和层次分割分析分别利用R语言中的“ggcorrplot”和“rdacca.hp”软件包进行。
2 结果与分析
2.1 沉积物粒度分布特征
2018—2019年沿浦湾红树林表层沉积物属于粉砂-黏土质粉砂。其中黏土含量范围为3.33%~27.46%,均值为15.05%;粉砂含量范围为72.53%~92.09%,均值为81.82%;砂含量范围为0~19.79%,均值为3.12%。平均粒径为6.6Φ(图2)。2018年的砂平均含量为0.07%,2019年为6.18%;2018年的粉砂平均含量为75.35%,2019年为88.30%;2018年的黏土平均含量为24.58%,2019年为5.52%。推测粒度变化主要是受2018年7月超强台风“玛莉亚”的影响所致。
2.2 沉积物有机碳、总氮和总磷含量的空间分布特征
2018—2019年沿浦湾红树林表层沉积物有机碳、总氮和总磷的分布存在空间异质性,在总体上均表现为中心区域低于西北部和东南部的分布态势(图3)。沉积物有机碳含量为6.50~11.90 g/kg,总氮含量为1.08~1.36 g/kg,总磷含量为0.57~0.74 g/kg。2018年秋季,研究区有机碳含量较春季有所下降;2019年春、秋季,有机碳含量趋于平稳。有机碳含量总体上随时间的递增呈现出趋于平稳的分布特征。2019年春季各区域的总氮含量较2018年春季均下降,2019年秋季总氮含量趋于平稳。总氮含量总体上随时间增加呈现趋于平稳的空间分布特征。总磷含量呈现出先上升再下降的变化趋势,即2019年春季总磷含量较2018年上升,而2019年秋季总磷含量回落到与2018年相近的水平,并且呈现出东南部高于西北部和中心区域的空间分布格局。随着红树林林龄的增加,沉积物环境因子趋于动态平稳,使得红树植物能够更好地获取营养物质,促进其生长,从而加快滨海生态修复过程。
2.3 沉积物有机碳与环境因子的关系
图4 沉积物有机碳与环境因子间的相关性(“** ”代表极显著相关(p<0.01);“*”代表显著相关(p<0.05);椭圆的短轴越长代表相关性越大。) Fig.4 Correlation between TOC and sediment environmental factors (“** ” represents a highly significant correlation (p<0.01). “*” means significant correlation (p<0.05). The longer the minor axis of the ellipse, the stronger the correlation.) |
3 讨论
3.1 红树林表层沉积物有机碳含量差异
沿浦湾红树林沉积物有机碳分布存在空间异质性主要与地表径流分布有关[26]。在红树林区的西北部和东南部分别有沿浦河和岭尾河注入,河水裹挟大量有机质和矿物颗粒沉降到红树林沉积物中,使得陆源性有机碳输入增多;而红树林中心区仅零星分布潮沟,没有河流注入,沉积物有机质主要来自凋落物的分解和地下根系的生产,故红树林西北部和东南部沉积物有机碳含量高于中心区。值得注意的是,红树林西北部有机碳含量要高于东南部,这与河流的径流量有关。位于西北部的沿浦河是该区域径流量最大的河流,外源性有机碳的输入量高于岭尾河。
SALMO等[27]研究表明,台风登陆会直接降低红树植株密度和冠幅大小,造成植物生物量减少,降低红树植物对有机碳的捕获和储存能力。另外,台风还对沉积物有较大的扰动作用。2018年7月,超强台风“玛莉亚”影响研究区,其中红树林中心区受影响较大,红树植被损失严重,台风后补种的红树幼苗对有机碳的捕获和储存能力较弱,这也是红树林中心区沉积物有机碳含量偏低的原因之一。同时,台风带来的持续强降雨和风蚀作用将沉积物中的细小颗粒物搬运到其他区域,导致研究区沉积物粒度变粗,对有机碳的吸附能力降低,造成2019年沉积物有机碳含量低于2018年。
沿浦湾红树林沉积物有机碳含量相对较低,低于海南清澜港[28]和广东海湾[29],与福建闽东[30]红树林沉积物有机碳含量相近。这与红树林成林时间、红树林植物组成等密切有关。沿浦湾与福建闽东红树林种植种类单一且成林时间短,而海南清澜港和广东海湾红树种植成林历史久,且种植种类多样(表1)。CHEN等[31]研究表明,由多种红树植物组成的混合林的沉积物有机碳含量高于单一林。混合林中的不同红树植物具有不同的生态位,能够利用不同的养分,提高资源的利用率。此外,红树混合林中的植物根系复杂,能增加沉积物的通气性和蓄水性。通常通气性较好的沉积物有利于微生物的生长和活动,促进有机质的分解和转化;而蓄水性较好的沉积物能够保持较高的湿度,有利于有机质的固定,进而促进沉积物有机碳含量的积累[32-33]。同时,海南清澜港和广东海湾所处纬度较低,温度高、降雨充沛,适宜红树植物生长,因此具有较高的生产力。YAN等[34]研究表明,红树林生产力较高区域的沉积物有机碳含量显著高于生产力较低区域的。
3.2 红树林表层沉积物有机碳分布的影响因素
红树林沉积物中的有机碳和总氮是有机质的重要组成部分,两者之间的关系可以反映沉积物中碳-氮的循环和转化过程[35]。本研究发现沉积物有机碳和总氮含量之间存在显著正相关关系,这与之前的研究一致。例如,陈小花等[28]探究海南清澜港红树林沉积物有机碳与环境因子间的相关性表明,有机碳与总氮呈正相关;乔永民等[36]研究深圳红树林沉积物有机碳与氮、磷分布发现,有机碳和总氮含量存在显著正相关关系。通常沉积物中的有机碳和总氮来源具有相似性,主要来源于红树凋落物、根系分解物及腐殖质等有机物质。随着红树林林龄增加,沉积物有机碳和总氮含量会明显提高,固氮微生物群落结构可能会被重塑[35]。TAILLARDAT等[37]研究证实,有机碳和总氮在微生物的降解与转化作用下,其相互作用关系得到进一步强化,从而在生态系统物质循环过程中形成更为紧密且复杂的耦合关系。
沉积物总磷与有机碳变化关系密切,是影响有机碳分布的驱动因子。2018年下半年,因工程建设征用土地,致使养殖户大面积清塘,大量养殖尾水流入红树林湿地,导致2019年春季沉积物总磷含量异常升高。王钰钦等[38]研究发现,养殖尾水中总磷含量占比达51.12%,养殖尾水进入水体后会显著提升水体总磷含量。水体中大部分可溶性磷可与沉积物黏土颗粒发生吸附作用,被固定在黏土颗粒表面,将直接提高沉积物总磷含量[39]。本研究发现沉积物总磷与有机碳呈现显著负相关关系,这可能与沉积环境的氧化还原条件有关。有研究表明,水体中的营养盐浓度增加,将会导致沉积物从还原状态转变为氧化状态[40-41]。氧化状态会加快沉积物中有机碳的分解,致使有机碳含量下降[42]。因此,2019年总磷含量的升高可能是导致2019年沿浦湾红树林沉积物有机碳含量降低的重要诱因之一。
沉积物粒度组成也可显著影响有机碳分布。沿浦湾红树林沉积物属于粉砂-黏土质粉砂,砂质含量较低。砂质沉积物具有较大的颗粒粒径,比表面积小,且孔隙度较高,故对有机碳的吸附和保存能力较差,同时也不利于氮、磷的富集[17]。因此,砂质沉积物中的有机碳含量较低[43],而粉砂具有较小的颗粒粒径和较高的比表面积[29],更有利于有机碳的吸附和保存,也有利于氮、磷的吸附[41]。李滨等[44]研究表明,红树林遭受台风影响后,沉积物粒径粗化,可导致沉积物有机碳含量较台风前显著减少。本研究中的沿浦湾红树林受超强台风“玛莉亚”影响,水动力增强,导致红树林沉积物再悬浮,引起颗粒物质的水平迁移,从而改变沉积物粒度和有机碳的空间分布,致使有机碳的储存和循环受到影响。
4 结论
1)2018—2019年春季和秋季,浙江沿浦湾红树林沉积物有机碳含量为6.50~11.90 g/kg,受红树林种类单一、成林时间短影响,有机碳含量相对较低。沉积物有机碳的分布存在空间异质性,西北部>东南部>中心区域,这主要与地表径流分布有关。
2)沿浦湾红树林沉积物总氮、总磷含量和粒度组成是影响有机碳空间分布的驱动因素,其中沉积物中的粉砂和砂含量是关键环境因子。
3)多因素耦合作用(包括养殖塘清塘和台风影响等)导致沉积物有机碳含量呈现下降趋势。然而,随着红树林林龄的增加,这种下降趋势将逐渐得到抑制,沉积物的碳汇能力也将持续增强。