红树林是滨海地区生产力最高的生态系统之一，覆盖了地球表面约0.1%的面积，却吸收了大气中约5%的二氧化碳 (CO₂) ^[1]，将碳储存在植株体内并对土壤碳库产生影响^[2-3]。红树林土壤环境受周期性潮汐浸淹影响，具有高盐、厌氧的特征，抑制了土壤中有机碳的分解，促进了有机碳向土壤深层迁移，使土壤中储存的碳丰富且稳定。据估计，红树林湿地表层1 m土壤中的碳储量约为植被生物碳量的5倍^[4]，红树林土壤储碳量占海岸生态系统总有机碳的10%~15%^[2]，是海岸带蓝碳的重要组成。然而，在气候变化和海岸带开发的双重压力下，红树林湿地受到严重威胁^[5]，1980—2005年全球红树林面积减少了近20%^[6]，其中近50%是因开挖养殖围塘所造成的^[7-8]。1980—2000年我国红树林转变为养殖塘的比例为97.6%^[9]。“退塘还林”是目前恢复红树林生态系统的主要方式^[10]。

土壤有机碳 (Soil organic carbon, SOC)是由多种形态的有机碳经过多个分解和再生阶段形成的^[11]。有机碳中的活性有机碳[如易氧化有机碳 (Easily oxidizable carbon, EOC)、微生物有机碳 (Microbial biomass carbon, MBC) 和可溶性有机碳 (Dissolved organic carbon, DOC) 等] 具有对外界干扰敏感、生物活性高、易分解矿化等特点，对土壤碳累积产生重要影响，是表征土壤SOC变化和稳定程度的重要指标^[12]。红树林湿地土壤活性有机碳受红树根系和凋落物所输入的生物碳影响，幼龄红树林的数量和化学成分与成林存在很大差异，对土壤SOC输入尤其是活性有机碳的影响也会随红树的生长和系统发育而变化^[13]。红树种植初期是土壤碳库变化最快和最活跃的时期，揭示这一时期土壤碳库的特征及影响因素对系统了解其发育演变过程至关重要。然而目前有关红树林成林阶段的相关报道较多，而有关退塘还林初期土壤SOC库、活性组分及其影响因素的研究还相对较少。

本研究选取广东省惠东县考洲洋水域退塘还林养殖塘作为研究对象。该养殖塘于2021年退出养殖，在塘内堆积岛种植了红海榄 (Rhizophora stylosa) 和白骨壤 (Avicennia marina) 等红树种类 (称为“种植岛”)。本研究探究了塘内红树种植区域土壤碳库特征，并以未种植区域为对照，比较分析了红树种植对土壤有机碳和活性组分特征的影响，旨在为揭示退塘还林湿地恢复过程中土壤碳库的动态变化和碳汇形成机制提供基础数据。

1.   研究区域与方法

1.1   采样区域与样地设置

考洲洋位于广东省惠东县南部，地处稔平半岛，是红海湾向内陆延伸的典型半封闭性海湾。本研究选取考洲洋湾底西北部的一口退塘还林的池塘 (114°52'E, 22°45'N) 为研究对象，该池塘面积约10.67 hm² (160亩)，退塘前养殖凡纳滨对虾 (Litopenaeus vannamei) 和锯缘青蟹 (Scylla serrata) 等种类，于2021年由政府征收并在塘内堆填堆积岛6.67 hm²，在其中4.67 hm²上种植了红海榄和白骨壤等红树树种 (“种植岛”)，2 hm²是未种植红树而自然生长出草本植物的“裸岛”，另有4 hm²未堆填的区域形成塘内“水道”。本研究于2023年12月采集了种植岛样地 (PI1—PI3) 的土壤样品，同时采集了裸岛样地 (BI1—BI3) 和水道样地 (WC1—WC3) 的样品作为种植岛样地的对照，每个样地随机设3个采样点，位置如图1所示。

图  1  退塘还林池塘采样点

Fig. 1  Sampling sites in mangrove reforested aquaculture pond

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1.2   样品采集与分析

通常土壤中的碳集中在100 cm 深的土层，有机碳的输入主要发生在0~20 cm土层，并且受植物根系分布的影响，在约50 cm深的土层有较高的碳储量，因此本研究采集100 cm深的土壤样品，按20 cm为一层进行分割，获得5层土样。每个土层用环刀平行采样2次，分别放入2个铝盒内带回实验室。在实验室内剔除碎石、植物残根等杂物后，一个铝盒为鲜土样品，4 ℃保存，用于测定土壤MBC和DOC质量分数；另一个铝盒的土壤样品称湿质量，冷冻干燥后称干质量，再研磨过筛后干燥保存，用于计算土壤容重、含水量，以及测定盐度、pH、总氮 (TN)、总磷 (TP)、SOC、EOC质量分数，以及碳/氮比 (C/N)。

土壤pH采用电极法测定 (水土质量比为2.5∶1)，土壤盐度采用电导率法测定 (水土质量比为5∶1)，土壤容重和土壤含水量采用烘干法测定；土壤SOC和TN质量分数采用元素自动分析仪测定，C/N根据碳氮质量分数计算；TP质量分数采用酸熔-钼锑抗比色法法测定^[14]；土壤EOC、MBC和DOC的质量分数分别采用高锰酸钾氧化法、氯仿熏蒸-K₂SO₄浸提法和去离子水浸提法测定，具体提取和测定步骤参考陈小花等^[15]和胡慧蓉等^[16]的方法。0~100 cm深度的SOC密度 (SOCD, Mg·hm⁻²) 计算公式为：

式中：$ {\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}}_{i} $ 为第i层土壤SOC质量分数 (g·kg⁻¹)；$ {{\mathrm{BD}}}_{i} $ 为第i层土壤容重 (g·cm⁻³)；$ {D}_{i} $ 为第i层的厚度(cm)。

1.3   数据处理

应用单因素方差分析法 (One-way ANOVA) 比较不同样地及不同深度的SOC、EOC、MBC和DOC质量分数，SOC密度以及活性有机碳各组分占比的差异性，采用LSD法进行显著性多重比较。所有数值在统计前先进行正态分布和方差齐性检验。通过计算皮尔逊相关系数检验SOC、活性碳各组分质量分数和SOC密度与土壤因子之间的相关性。采用IBM SPSS 25.0软件进行统计分析，冗余分析 (Redundancy analysis, RDA) 采用Canoco 5.0软件进行，显著性和极显著性水平分别为0.05和0.01。

2.   结果

2.1   土壤理化特征

考洲洋退塘还林区域土壤理化特征如图2所示。在0~100 cm土层，3类样地土壤的盐度介于13.14‰~14.38‰，种植岛显著高于裸岛和水道 (p<0.05)，种植岛和裸岛各土层间差异不显著；土壤pH介于7.59~7.80，各样地间和土层间均无显著性差异；土壤容重介于0.93~1.07 g·cm⁻³，裸岛显著高于种植岛和水道 (p<0.05)，种植岛20~60 cm土层容重最低，裸岛和水道土壤容重的最低值出现在0~20 cm土层；土壤含水量为58.53%~76.52%，分布特征与土壤容重相反；土壤TN质量分数介于0.66~0.71 g·kg⁻¹，裸岛显著高于种植岛和水道 (p<0.05)，种植岛样地60~80 cm土层显著低于其他土层，裸岛样地各土层间无显著性差异，水道样地土壤TN质量分数随深度的增加先下降后上升，最低值出现在20~40 cm土层；土壤C/N均值介于10.98~11.08，3类样地间无显著性差异，最低值均分布在0~20 cm土层；土壤TP质量分数均值介于0.23~0.29 g·kg⁻¹，水道显著高于种植岛和裸岛，种植岛20~40 cm土层显著高于60~80 cm土层 (p<0.05)，裸岛0~100 cm和水道0~80 cm各土层间无显著性差异 (p>0.05)。

图  2  考洲洋退塘还林区域不同类型样地的土壤因子

Fig. 2  Soil factors of soil from three sampling plots in mangrove reforested aquaculture pond of Kaozhou Bay

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2.2   土壤SOC质量分数及其垂直分布

3类样地100 cm以内土层的SOC质量分数从高到低依次为裸岛 [(7.92±0.43) g·kg⁻¹]、种植岛[(7.72±0.35) g·kg⁻¹]和水道 [(7.48±0.69) g·kg⁻¹]，种植岛和裸岛样地土壤SOC质量分数均随土壤深度的增加呈先上升后下降趋势，最高值均出现在40~60 cm土层 (图3-a)；而水道样地则以0~20 cm土层的SOC质量分数最高，显著高于种植岛样地和裸岛样地相同土层 (p<0.05) (图3-a)，而后随着深度的增加而降低，在20~40 cm和40~60 cm土层的质量分数显著低于其他2个样地 (p<0.05)。

图  3  考洲洋退塘还林区域不同样地土壤有机碳 (SOC) 质量分数和密度

注：不同字母表示相同土层不同样地间存在显著差异性(p<0.05)。

Fig. 3  Soil organic carbon mass fraction and density in different sampling plots of mangrove reforested aquaculture pond of Kaozhou Bay

Note: Values with different letters have significant differences among sampling plots in the same soil layer (p<0.05).

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3类样地100 cm以内土层的SOC密度从高到低依次为裸岛 [(84.56±3.65) Mg·hm⁻²]、种植岛 [(72.01±3.20) Mg·hm⁻²]和水道[(70.12±1.44) Mg·hm⁻²]。种植岛样地和裸岛样地SOC密度的垂直变化趋势与其质量分数一致，但水道样地SOC密度随土壤深度的增加呈升高趋势，0~20 cm和20~40 cm土层显著低于更深层 (p<0.05)。除0~20 cm外，裸岛各土层的SOC密度均显著高于种植岛和水道 (p<0.05) (图3-b)。

2.3   土壤SOC活性组分质量分数及垂直分布特征

3类样地0~100 cm土壤易氧化有机碳 (EOC) 的质量分数从高到低依次为种植岛样地 (4.65±0.78) g·kg⁻¹、水道样地 (4.61±0.76) g·kg⁻¹、裸岛样地(3.92±0.74) g·kg⁻¹，种植岛0~80 cm各土层EOC质量分数均高于裸岛 (图4)。在垂直分布方面，种植岛和裸岛样地土壤EOC质量分数均随深度的增加呈上升趋势，峰值均出现在40~60 cm土层，而水道土壤EOC则随土壤深度的增加呈下降趋势，并在0~20 cm土层显著高于种植岛，而在40~60 cm土层则显著低于种植岛 (p<0.05) (图4-a)。

图  4  考洲洋退塘还林区域不同深度土壤活性有机碳、微生物有机碳和可溶性有机碳质量分数

注：不同字母表示相同土层不同样地间存在显著性差异(p<0.05)。

Fig. 4  Mass fractions of soil easily oxidizable carbon, microbial biomass carbon and dissolved organic carbon of different soil layers in mangrove reforested aquaculture pond of Kaozhou Bay

Note: Values with different letters have significant differences among sampling plots in the same soil layer (p<0.05).

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3类样地土壤微生物有机碳 (MBC) 质量分数依次为种植岛 [(1.33±0.64) g·kg⁻¹] >水道 [(1.13±0.22) g·kg⁻¹] >裸岛 [(0.95±0.18) g·kg⁻¹]。种植岛土壤MBC质量分数随土壤深度的增加呈先增加后减少再增加的趋势，峰值分别出现在20~40 cm和80~100 cm土层，显著高于其他土层 (p<0.05)，并显著高于裸岛样地同土层。裸岛和水道土壤MBC质量分数在各土层间的差异不显著 (p>0.05) (图4-b)。

3类样地土壤可溶性有机碳 (DOC) 质量分数依次为种植岛 [(46.57±9.02) mg·kg⁻¹] > 水道 [(22.19±3.13) mg·kg⁻¹] > 裸岛 [(21.11±3.34) mg·kg⁻¹]，种植岛样地各深度层的DOC质量分数均显著高于裸岛和水道 (p<0.05)，并随土壤深度的增加呈下降趋势；裸岛和水道样地各深度层之间的差异不显著，随土壤深度的增加呈波动性变化，最高值出现在20~40 cm土层 (图4-c)。

3类样地的EOC、MBC和DOC占SOC的比例以EOC最高，DOC最低，3者的比例分别为 (49.69±8.86)%~(61.84±9.33)%、(12.20±2.79)%~(17.60±8.99)% 和 (0.26±0.05)%~(0.61±0.12)% (图5)。在0~100 cm土壤EOC、MBC、DOC占SOC的比例均值在不同样地间存在差异，EOC占比依次为水道>种植岛>裸岛，裸岛显著低于种植岛和水道 (p<0.05)；MBC和DOC占比均为种植岛>水道>裸岛，种植岛显著高于水道和裸岛 (p<0.05)。

图  5  土壤活性有机碳各组分占总有机碳的比例

注：EOC/SOC、MBC/SOC和DOC/SOC分别表示易氧化有机碳、微生物有机碳和可溶性有机碳质量分数占土壤总有机碳质量分数的比例。不同字母表示相同土层不同样地间存在显著性差异(p<0.05)。

Fig. 5  Proportions of components of labile organic carbon to soil organic carbon

Note: EOC/SOC, MBC/SOC and DOC/SOC represent the ratios of mass fractions of EOC, MBC and DOC to mass fractions of soil total organic carbon, respectively. Values with different letters have significant differences among sampling plots in the same soil layer (p<0.05).

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2.4   土壤SOC与理化因子间的相关性

土壤SOC及其活性组分与土壤因子间的相关关系见表1。考洲洋退塘还林区域3类样地的SOC受MBC、TN和C/N的影响显著 (p<0.05) 或极显著(p<0.01)。EOC和DOC与盐度呈极显著正相关，与容重呈极显著负相关，而且EOC与含水量、TP呈极显著负相关，SOC与DOC呈显著负相关；MBC与土壤TN呈极显著负相关。

表  1  土壤有机碳及其活性组分质量分数与土壤因子间的相关系数

Table  1  Correlation coefficients between mass fraction of soil organic carbon and its labile components and soil factors

项目 Item	盐度 S	pH	容重 BD	含水量 MC	总氮 TN	碳氮比 C/N	总磷 TP	有机碳 SOC	易氧化 有机碳 EOC	微生物 量碳 MBC	可溶性 有机碳 DOC
盐度 S	1
pH	−0.338**	1
容重 BD/(kg·m−3)	−0.391**	−0.130	1
含水量 MC/%	0.331**	0.273**	−0.804**	1
总氮TN/(g·kg−1)	−0.015	0.078	−0.142	−0.059	1
碳氮比C/N	0.142	−0.010	0.070	0.155	−0.551**	1
总磷TP/(g·kg−1)	0.126	−0.546**	0.176	−0.384**	0.175	−0.173	1
有机碳 SOC/(g·kg−1)	0.086	−0.036	−0.133	−0.085	0.774**	−0.213*	0.198	1
易氧化有机碳EOC/(g·kg−1)	0.310**	0.207	−0.496**	0.502**	−0.051	0.190	−0.373**	0.092	1
微生物量碳MBC/(g·kg−1)	0.126	−0.095	−0.038	0.067	−0.323**	−0.001	−0.039	−0.376**	−0.172	1
可溶性有机碳DOC/(mg·kg−1)	0.409**	−0.146	−0.343**	0.128	−0.168	−0.009	0.154	−0.038	0.125	0.215*	1
注：* 表示存在显著相关性 (p<0.05)；** 表示存在极显著相关性 (p<0.01)。 Note: * and ** represent significant (p<0.05) and extremely significant (p<0.01) correlation, respectively; S. Salinity; BD. Bulk density; MC. Moisture concent.

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在冗余分析中，以剖面土壤中的EOC、MBC和DOC 3种活性有机碳质量分数为响应变量，以剖面土壤盐度、pH、容重、含水量、TN、C/N、TP和SOC等8种土壤因子为解释变量。RDA分析结果显示，第一排序轴和第二排序轴可以解释土壤活性有机碳与土壤因子总体变异的88.90%；其中，第一排序轴和第二排序轴的解释率分别为59.57%和29.33%(图6)，说明这2个排序轴可以在一定程度上反映土壤活性有机碳的分布特征随土壤因子的变化趋势。在排序轴上，因子箭头投影的长度反映该因子对响应变量的解释量，投影越长，解释率越高，反之则越低。从图6可见，各解释变量对土壤活性碳的独立解释率从高到低依次为容重、TN、TP、SOC、盐度、含水量、C/N、pH。在这些因子中，容重、TN和TP对土壤活性有机碳的解释率达到了极显著性水平，对土壤活性有机碳的解释贡献率占绝对优势。

图  6  土壤活性有机碳与土壤因子的冗余分析 (RDA) 排序图

Fig. 6  Redundancy analysis (RDA) ranking of soil labile organic carbon and soil factors

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3.   讨论

3.1   不同样地土壤SOC分布特征

本研究中考洲洋退塘还林区域0~100 cm土层的SOC质量分数均值为 (7.71±0.60) g·kg⁻¹，与湛江太平镇退塘还林区域土壤SOC质量分数 [(7.60~8.49) g·kg⁻¹]接近^[17]，但低于广东省 (22.4 g·kg⁻¹)^[18] 和海南省 [(30.5±0.7) g·kg⁻¹]^[19] 红树林土壤SOC的平均值，这可能是由于土壤SOC主要来源于植物凋落物和动植物残体的分解^[20]。考洲洋退塘还林区域的红树种植仅2年，尚处于快速生长的幼龄期，产生的凋落物数量较少，进而碳归还量也较低^[21]。另外，在红树林区域开挖养殖塘的毁林造塘过程中，围垦和排干水体等活动会导致土壤SOC的损失，损失量甚至可高达82%^[22]，这可能是本研究区域土壤SOC质量分数较低的重要原因。

本研究中虽然退塘还林仅2年，但红树种植已对土壤SOC的含量和密度产生了一定影响。本研究中水道样地0~20 cm土层SOC高于种植岛和裸岛样地，其中重要原因是种植红树恢复了池塘与外海的水文连通，种植岛和裸岛土壤样地处于周期性浸淹和干露，土壤间隙水中的溶解氧含量较高，红树的根系泌氧效应也向土壤深层释放氧气，有利于碳的氧化分解；而相比之下水道样地则长期处于淹水状态，其土壤处于持续的厌氧状态，一定程度上对有机碳的分解产生了抑制，从而有利于有机质的保持与储存^[23]。但本研究中种植岛和裸岛在100 cm以内土层的SOC质量分数和密度均高于水道，这显示了红树植物和草本植物根系及树叶等凋落物向土壤中输入生物有机碳的作用。在土壤SOC的垂直分布上也可以观察到红树种植的影响，种植岛土壤0~20 cm和20~40 cm深度的SOC质量分数均高于裸岛，表明红树植株对土壤SOC的影响高于裸岛表面的草本植物，也进一步表明在40 cm以浅的土壤，红树根系对SOC的影响高于凋落物，这与已有的研究发现^[24]一致。

3.2   不同样地土壤活性有机碳组分的分布特征

相对于SOC，土壤活性有机碳能更敏感地反映土壤SOC库的动态循环与转化^[20,25]，其中EOC是土壤微生物的重要碳源，是土壤SOC库动态变化的敏感指标^[26]。本研究结果显示，3类样地土壤EOC均与SOC呈正相关关系。种植岛0~80 cm土层中的EOC含量高于裸岛，与种植岛SOC含量高于裸岛的结果一致，这主要因为EOC是SOC的分解产物，红树根系、凋落物和土壤理化性质等影响土壤有机质返还的因素也会影响到EOC的含量和垂直分布特征^[27-28]。除了有机碳输入的差别外，红树根系泌氧效应向土壤释放氧气也会促进SOC的氧化分解从而增加土壤中EOC含量。

MBC是预测土壤质量变化的早期指标^[29]，MBC/SOC称为微生物熵，反映了土壤中MBC的形成速率以及有机碳库的周转变化速率^[30]。土壤微生物活性不仅受水分变化的限制，还受到有机碳输入的影响^[31]。本研究的3类样地中种植岛0~100 cm土壤的MBC含量和MBC/SOC比例最高，这可能是由于种植红树后，红树的根系泌氧、凋落物输入等效应改善了土壤的通透性和厌氧状况以及营养物质的数量，促进了微生物的生长，使MBC含量上升。反之水道在长期淹水环境下，微生物活性受到厌氧环境的抑制，对土壤有机质的分解效率降低，因此土壤MBC的含量最低。周雅心等^[32]也发现土壤过干或过湿均不利于土壤MBC积累，干湿交替的条件更有利于微生物的生长、活动和MBC的积累 。红树种植为微生物提供了有利的生存与生长条件^[33]，种植岛相对于水道和裸岛样地具有更高的微生物活性，这是种植岛样地20~40 cm土层MBC含量较高的重要原因。

DOC是土壤微生物可直接利用的有机碳源，易于在氧化条件下释放到大气或溶解到水体中而随之流失^[34]。3类样地DOC/SOC均小于1%，表明土壤中有机碳分解程度较低而保持程度较高，碳库总量具有一定的稳定性^[15]。周期性水淹可促进土壤团聚体分散，增加土壤SOC的溶解量和DOC的含量^[26]，但同时长期淹水的厌氧环境又会抑制土壤微生物活性，降低有机碳的分解速率和DOC的累积效率^[35]。这些可能是本研究中种植岛土壤DOC含量显著高于水道的重要原因，也说明堆岛抬升高程可以降低土壤SOC的易氧化性，增加土壤SOC的稳定性和积累。种植岛土壤的DOC含量高于裸岛，这与种植岛土壤的MBC含量高于裸岛的结果相一致，可能由于DOC主要来源于有机质的淋溶和微生物对有机质的分解^[36] ，反映了微生物的分解作用。此外，种植岛土壤含水量高于裸岛，有利于红树树叶等凋落物有机质淋溶，产生的DOC向土壤深层迁移和累积也是可能的原因^[37-38]。

3.3   不同样地土壤活性碳组分与土壤理化性质的相关性

土壤活性碳组分的含量不仅受有机物输入量的影响，也受土壤因子的影响。本研究发现土壤容重、TN和TP是考洲洋退塘还林区域土壤活性碳积累的关键影响因子，且不同样地土壤的活性碳组分对土壤因子的响应敏感度存在差异。土壤容重是红树种植初期土壤碳储存最重要的影响因子，反映土壤的孔隙度结构，较低的土壤容重有助于红树根系伸展和碳的渗透^[39]，但对有机碳的吸附能力较低^[40]。本研究中退塘还林恢复了池塘与外海水文的连通性，周期性潮汐浸淹增加了土壤含水量，降低了土壤容重和对有机碳的吸附能力，使EOC和DOC解离逸散出来，这与它们和土壤容重呈极显著负相关的结果相一致。

氮 (N)、磷 (P) 等营养元素对湿地土壤活性有机碳库的形成和维持具有重要影响^[35]。本研究中，种植岛样地的EOC和MBC含量高于裸岛，而TN和TP含量低于裸岛，使得EOC与TP、MBC与 TN均呈极显著负相关。红树植物根系除直接吸收土壤N、P元素导致其含量降低外，根系泌氧还会增加间隙水中的溶解氧，从而抑制铁结合P的释放，这两方面均会导致土壤养分含量降低。此外，土壤的N、P也会影响微生物对有机质的分解速度^[41]，在N、P水平较高的情况下，有机质更易被微生物分解，转化速度也更快，土壤活性有机碳含量升高。因此，退塘还林初期土壤碳储量和稳定性在一定程度上也受到土壤物理性质和N、P供应的调控。

4.   结论

考洲洋退塘还林的红树植物目前处于快速生长的幼龄期，植株碳归还量和土壤SOC输入量均相对较低。红树植物根系可以通过影响土壤容重、TN与TP含量，间接促进土壤活性有机碳的积累，推动有机碳向土壤深层迁移。目前，考洲洋退塘还林区域土壤碳库尚不稳定，随着红树植株的生长，对湿地土壤固碳储碳的影响也将逐渐增大，建议开展持续监测以系统揭示其演变过程和碳汇形成机制。