鄱陽湖泗洲頭濕地土壤粒度組成及其對有機碳的影響

孫清凡，錢海燕，陳莎莎，周楊明，謝冬明，王娓

1.東華理工大學地球科學學院，南昌 330013； 2.江西師范大學地理與環境學院，南昌 330200；3.江西科技師范大學旅游學院，南昌 330038； 4.江西省工程咨詢中心有限公司，南昌 330036

土壤粒徑分布特征是影響土壤吸附能力和土壤有機碳變化的重要因素，細小的礦物顆粒與有機質相結合能減緩有機質的分解，其吸附能力強弱直接對土壤有機碳含量產生影響［1］。研究土壤粒度與土壤有機碳的關系對于評估土壤固碳能力具有重要意義。

鄱陽湖是中國最大淡水湖泊，受到流域內五河來水與長江頂托的共同作用，年內水位變化幅度約8～22 m，其獨特的水文節律形成了大片水陸交替的洲灘濕地［2］。近年來，受過度采砂和三峽大壩建成等因素的影響，鄱陽湖枯水期延長，水位降低導致洲灘植被開始向旱生植物演替，苔草等植被分布高程下移，水文干旱化趨勢明顯，可能會導致土壤粒度組成發生變化，繼而影響鄱陽湖濕地土壤碳匯功能。研究表明，鄱陽湖濕地土壤粒度組成與土壤水分［3］、土壤養分含量［4］密切相關，砂粒含量會影響土壤微生物群落結構組成［5］。然而這些研究未明確土壤粒度分布特征，也未闡明土壤粒度組成與土壤有機碳的直接影響。泗洲頭是與鄱陽湖主湖直接相連的洲灘前緣，其水位變化與鄱陽湖水位變化直接相關：豐水期為水域，枯水期水位下降形成裸露洲灘。但是關于泗洲頭濕地的研究相對較少，零星的研究主要集中于植被特征和土壤氮素研究等方面［6］。在此背景下，研究泗洲頭濕地土壤質地，探討土壤粒度組成對土壤有機碳的影響，有助于理解土壤成因和對區域環境變化的響應和反饋。

因此，本研究以鄱陽湖泗洲頭濕地為研究對象，研究不同植被下的土壤粒度組成，揭示土壤粒度分布特征及其對土壤有機碳的影響，以期為泗洲頭濕地固碳能力提升和濕地生態保護和修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區泗洲頭濕地位于以吳城為中心的鄱陽湖國家自然保護區，氣候屬亞熱帶季風氣候，年降水量超過1 500 mm［6］。泗洲頭濕地是直接與鄱陽湖主湖相連的洲灘區域，對水位變化的影響最為敏感，年內水位變化幅度超過10 m。泗洲頭植被主要為草本植物，包括苔草（Carex cinerascens）、南荻（Triarrhena lutarioriparia）、蘆葦（Phragmites australis）、荻（Mis?canthus sacchariflorus）、狗牙根（Cynodon dactylon）、白茅（Imperata koenigii）、假儉草（Eremochloa ophiu?roides）、萎蒿（Artemisia selengensis）、牛鞭草（Hemar?thria sibirica）、水田碎米薺（Cardamine lyrata）、虉草（Phalaris arundinacea）等，從洲灘至湖心，植被分布呈規律的環帶狀，其中苔草的分布高程為11～14 m，南荻為13～15 m，蘆葦為14～17 m，狗牙根為15～17 m［7］。泗洲頭土壤類型主要為草甸土、沼澤土、濕潮土等，成土母質主要為第四紀沉積物母質。根據2021年1月的高分1號遙感影像，利用ArcMAP軟件進行裁剪和勾繪，得到泗洲頭灘涂面積為3 076.71 hm2。

1.2 樣品采集和測定

選取鄱陽湖泗洲頭濕地的5種典型優勢植被：苔草、南荻、蘆葦、荻和狗牙根。每種植被設置4個樣方，每個樣方范圍約200 m2，使用五點采樣法采集表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）土壤樣本，共計40份。同時記錄采樣點高程，采樣時間為2021年1月。

土壤樣本預處理：根據土質稱取一定量的土樣，粉黏土取0.2 g，砂壤土取5 g；每份樣本加入10 mL 10% H2O2去除土壤有機質，直至反應至不產生氣泡為止；隨后加入10 mL 10%的鹽酸，反應至不產生氣泡以去除無機鹽；反應結束后放入由純水機制得的純水對樣品進行洗滌（清洗過程重復3次），并靜置12 h；最后向每個放有樣品的燒杯中加入10 mL 0.05 mol/L六偏磷酸鈉溶液，搖勻后進行粒徑測試。

土壤粒度測定和分級：土樣預處理后，采用Mas?tersizer 2000激光粒度分析儀進行粒度分析，測量范圍0.02～2 000 μm。每個樣品重復測試3次，取其平均值作為結果，土壤粒徑分級采用美國制土壤粒級標準［8］，將土壤顆粒組分劃分為黏粒（0.02～2 μm）、粉粒（2～50 μm）、極細砂（50～100 μm）、細砂（100～250 μm）、中砂（250～500 μm）、粗砂（500～1 000 μm）和極粗砂（1 000～2 000 μm）。

土壤理化性質的分析測試參考文獻［9］，測定土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）、pH、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）、土壤陽離子交換量（cation exchange capacity，CEC）、鹽分和電導率（electrical conductivity，EC）。其中，不同植被表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）土壤pH在4.38～5.75，TN在0.07～1.64 g/kg，TP在0.18～0.87 g/kg，CEC在1.09～18.01 cmol/kg，鹽 分 在0.01～0.17%，EC在5.95～98.70 μS/cm。

1.3 粒度參數計算

將粒度測量結果轉換為等比制粒級Ф，Ф值計算公式為：

式中：D為各土壤粒度累積體積分數對應的顆粒直徑。

采用Folk-Ward公式［10］計算平均粒徑（Mz）、分選系數（Sd）、偏度（SK）和峰度（Kg）等粒度參數，其計算公式依次為：

式中：Φχ為粒度累積到χ%所對應的粒徑。

Mz是反映土壤粒度平均狀況的參數，Mz越大則細物質越多；Sd反映土壤粒徑分布的分散程度，分為7個分選級別，分選極好（Sd≤0.35）、分選好（0.35

1.4 數據處理

采用Excel 2019、SPSS 26軟件進行數據處理和統計分析，運用獨立樣本t檢驗比較不同土壤質地之間土壤有機碳含量的差異，利用Pearson相關系數分析土壤有機碳和土壤粒度之間的相關性。采用Amos 26軟件建立結構方程模型（structural equation model，SEM）以明確土壤質地對土壤有機碳的影響。

2 結果與分析

2.1 泗洲頭濕地土壤粒度組成

鄱陽湖泗洲頭濕地土壤以砂壤土和粉黏土為主，其中苔草和南荻分布的土壤主要為粉黏土，蘆葦、荻、狗牙根則傾向于在砂壤土中生長（表1、2）。苔草和南荻植被下的表層（0～20 cm）與下層（20～40 cm）土壤粒度組成一致，均以粉粒為主，其含量高達土壤顆粒的67.76%～79.28%，其次為黏粒和極細砂，含量分別為12.10%～16.91%和1.18%～15.97%，細砂、中砂、粗砂含量比例較低（<2%）。

表1 不同類型植被的表層（0～20 cm）土壤粒度分布Table 1 Topsoil（0-20 cm） grain size distribution under different vegetation types %

蘆葦、荻、狗牙根植被下的表層（0～20 cm）與下層（20～40 cm）土壤粒度組成一致，均以砂壤土為主，其中，細砂含量所占比例最大，可達32.90%～56.55%，極細砂含量達12.46%～34.61%，中砂含量達3.04%～24.41%，最低的是黏粒、粗砂和極粗砂（<4%）。

方差分析結果顯示，苔草和南荻植被下的土壤黏粒與粉粒含量顯著高于蘆葦、荻和狗牙根（P<0.05），而前者極細砂、細砂、中砂的含量顯著低于后者（P<0.05），不同植被下土壤粗砂和極粗砂含量差異不顯著（P>0.05）。結果表明不同植被類型對土壤質地具有選擇性和適應性。

表2 不同類型植被的下層（20～40 cm）土壤粒度分布Table 2 Subsoil（20-40 cm） grain size distribution under different vegetation types %

2.2 泗洲頭濕地土壤粒度參數

土壤粒度參數表明（表3、表4），泗洲頭粉黏土Mz為6.91Φ，質地較細；分選系數（Sd）平均為1.90，分選較差；偏度（SK）平均為-0.05，表現為近于對稱；峰度（Kg）平均為0.98，表現為中等。砂壤土Mz為3.00Φ，質地較粗；Sd平均為1.19，分選較差；SK平均為0.26，表現為正偏；Kg為1.62，表現為很尖窄。其中，苔草和南荻下的土壤Mz分別為6.89Φ、6.93Φ，Sd平均值分別為1.94、1.86；蘆葦、荻和狗牙根Mz分別為3.18Φ、2.82Φ和3.01Φ，Sd平均值分別為1.27、1.10、1.21。粉黏土和砂壤土的分選性都較差，表明在土壤沉積過程中，水動力為主導因素。

表3 不同類型植被下表層（0～20 cm）土壤粒度參數Table 3 Topsoil（0-20 cm） grain size parameters under different types of vegetation in Sizhoutou

表4 不同類型植被下下層（20～40 cm）土壤粒度參數Table 4 Subsoil（20-40 cm） grain size parameters under different types of vegetation in Sizhoutou

Pearson相關性分析顯示，泗洲頭土壤Sd和Mz呈顯著正相關（r=0.924），其分選性隨著Mz增大而變差；土壤SK和Mz呈顯著負相關（r=-0.866），其SK隨著Mz變小從極對稱到極正偏；土壤Kg和Mz呈顯著負相關（r=-0.922），其Kg隨著Mz越小而越尖銳。

2.3 泗洲頭濕地土壤粒度頻率

泗洲頭不同植被類型下的土壤粒度自然頻率曲線表現為不一致的規律（圖1）。其中，蘆葦、荻、狗牙根植被下表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）的土壤粒度頻率曲線均為單峰分布，峰值均在2～3Φ，細尾長短接近，表明其沉積物細顆粒性質接近；南荻植被下不同深度的土壤粒度頻率曲線均為不對稱雙峰分布，主次峰較明顯，雙峰分布的主峰和次峰均位于粉粒級；苔草植被下表層（0～20 cm）的土壤粒度頻率曲線同樣為雙峰分布，但次峰很小且距離主峰較遠，苔草植被下下層（20～40 cm）的土壤粒度頻率曲線則表現為三峰分布，主峰在7.5Φ附近，第1個次峰在4Φ附近，第2個次峰很小，在1Φ附近。

圖1 不同植被類型的表層（A）和下層（B）土壤粒度頻率曲線Fig.1 Frequency curve of topsoil（A） and subsoil（B） grain size under different types of vegetation

土壤粒度概率累積曲線表明（圖2），蘆葦、荻和狗牙根植被下表層和下層的土壤粒度躍移組分均較高且呈現兩段式分布，懸移組分較高，躍移組分和懸移組分之間的截點Φ值均出現在9附近，兩段躍移組分之間的截點Φ值均出現在4附近，躍移組分和蠕移組分之間的截點Φ值出現在1附近；苔草和南荻植被下的土壤粒度躍移組分較低，表層和下層躍移組分和懸移組分之間的截點Φ值均出現在11附近，躍移組分和蠕移組分之間的截點Φ值均出現在4附近。苔草表層和下層土壤蠕移組分占比顯著多于南荻，這是由于苔草的分布高程低于南荻，淹水時間長，受水動力影響更強烈。

圖2 不同植被類型的表層（A）和下層（B）土壤粒度概率累積曲線Fig.2 Probability cumulative curves of topsoil（A） and subsoil（B） grain size under different types of vegetation

2.4 泗洲頭濕地土壤有機碳分布

不同植被類型的表層（0～20 cm）與下層（20～40 cm）土壤有機碳含量分別為0.82～17.53 g/kg和0.43～8.30 g/kg，隨著土層的下降呈現下降趨勢（圖3）。其中，苔草、南荻表層（0～20 cm）的土壤有機碳含量分別為13.25～17.53、10.49～15.49 g/kg，平均值分別為（15.20±2.16）、（12.26±2.80） g/kg，變異系數（CV）分別為0.14和0.23；下層（20～40 cm）土壤有機碳含量分別為7.46～8.30、6.58～6.88 g/kg，平均值分別為（15.20±2.16）、（12.26±2.80） g/kg，CV分別為0.05、0.02。蘆葦、荻和狗牙根下表層（0～20 cm）土壤有機碳含量分別為0.96～8.30、0.85～3.83和0.82～1.23 g/kg，平 均 值 分 別 為（3.26±3.42）、（2.31±1.23）和（1.05±0.17） g/kg，變異系數（CV）分別為1.05、0.53和0.16；下層（20～40 cm）土壤有機碳含量分別為0.86～1.71、0.43～1.26和0.83～1.20 g/kg，平 均 值 分 別 為（1.22±0.44）、（0.89±0.42）、（0.99±0.21） g/kg，CV分 別 為0.36、0.47、0.21；除蘆葦在表層（0～20 cm）為強變異、苔草和南荻在下層（20～40 cm）為弱變異外，其余植被在2種土層的土壤有機碳含量均屬于中等變異。

圖3 泗洲頭不同植被類型下土壤有機碳分布Fig.3 Distribution of soil organic carbon content under different types of vegetation in Sizhoutou

方差分析顯示，苔草和南荻2種植被表層（0～20 cm）土壤有機碳含量無顯著性差異（P>0.05），下層（20～40 cm）土壤有機碳含量表現為苔草顯著高于南荻（P<0.05），蘆葦、荻和狗牙根3種植被下土壤有機碳含量在2種土層中均無顯著性差異（P>0.05）。苔草和南荻下的粉黏土2種土層土壤有機碳含量平均值為（10.52±3.86） g/kg，顯著高于蘆葦、荻和狗牙根下的砂壤土土壤有機碳含量（P<0.05），砂壤土平均為（1.67±1.66） g/kg。

2.5 土壤粒度組成對土壤有機碳的影響

Pearson相關性分析顯示，土壤有機碳含量與黏粒和粉粒呈極顯著正相關，相關系數分別為0.833**、0.866**；土壤有機碳含量與砂粒呈極顯著負相關，相關系數為-0.862**。土壤有機碳含量與TN、TP、CEC、鹽分、EC均呈顯著正相關（P<0.05），與pH呈顯著負相關（P<0.05），表明土壤有機碳含量與黏粒、粉粒及其他相關土壤因子具有密切聯系。

結構方程模型（SEM）顯示土壤質地、土層深度、TN、植被類型、pH、CEC、土壤有機碳之間擬合良好（圖4），表明土壤質地和土層深度對土壤有機碳含量具有直接影響，pH和植被類型對土壤有機碳含量具有間接影響。研究也發現，土壤質地和土壤有機碳含量對TN、CEC具有直接影響；pH除了對土壤有機碳含量具有間接影響外，自身也受到植被類型的直接影響和土壤質地、土層深度的間接影響。

圖4 土壤質地、植被類型及其他土壤性質對土壤有機碳影響的結構方程模型Fig.4 Structural equation model（SEM） on how soil texture， vegetation types and other soil properties affect the soil organic carbon

3 討論

土壤粒度分布特征與其沉積環境有關。本研究中，苔草和南荻下的土壤質地為粉黏土，質地較細，沉積物分選性較差，土壤粒度分布曲線顯示為雙峰或三峰分布。生長苔草和南荻的土壤粒度累積曲線存在明顯差異，苔草表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）土壤蠕移組高于南荻，表明其受水動力影響更顯著；粉黏土粒度分布曲線存在多個峰尖則可能是由于粉黏土母質風化程度較高，黏粒和粉粒的粒徑小、質量輕，在鄱陽湖枯水季洲灘出露后會被風力吹蝕搬運［12］。此外，生長蘆葦、荻和狗牙根的土壤質地為砂壤土，質地較粗，沉積物分選性較差，不同植被下的砂壤土粒度自然頻率曲線單峰分布的趨勢基本一致，表層（0～20 cm）砂壤土峰值基本重合，下層（20～40 cm）峰值存在一定錯位，但相距不遠，表明這些植被的土壤沉積物在分選過程中的動力相似。與本研究結果相同，石唯康等［13］研究也表明植被覆蓋類型對砂壤土沉積過程影響較小。通過薩胡判別公式對砂壤土的成因進行判別［14］，生長蘆葦、荻和狗牙根下的土壤的臨界值范圍分別為-1.35～2.93、-2.18～1.55和-1.92～-0.21，均大于薩胡判別公式的臨界值-2.741 1，證明泗洲頭砂壤土成因主要為水成。研究區土壤分選性均較差，表明水動力在泗洲頭土壤沉積過程中占主導因素。相關研究也表明鄱陽湖4 500 a以來河湖相交替發展使湖濱到湖心沉積物粒度呈由礫石→粗砂→細砂→粉砂→黏土逐漸變細的土壤粒度分布特征［15］。

結構方程模型表明，土層深度和土壤質地對土壤有機碳含量具有直接影響，植被類型和pH具有間接影響。在同一粒徑下，隨著土層深度增加，土壤有機碳含量呈下降趨勢，有機碳含量垂直分布特征主要受植被凈初級生產力以及枯落物分解速率的影響。土壤質地對土壤有機碳具有直接影響是因為更細的土壤粒度組分能結合更多有機碳，土壤有機碳的穩定性指數隨著土壤顆粒增大而降低［16］。砂粒顆粒大，相對比表面積小，透水性強，砂粒中的有機碳很容易被微生物分解或流失；與砂粒相比，粉粒和黏粒具有較大的比表面積，其晶格更容易吸附有機碳［17］，這在結構方程模型中表現為土壤陽離子交換量（CEC）增加。有機碳與黏粒和粉粒結合形成有機-無機復合體后更難降解或流失，因此，粉粒和黏粒對土壤有機碳具有固持和保護作用［18］。曹昀等［19］研究表明，在鄱陽湖湖濱地區土壤層重度、中度和輕度砂化區碳蓄積量分別為 0.59、0.90、1.30 t/hm2，砂化越嚴重則土壤有機碳含量越低，與本研究結果一致。此外，泗洲頭粉黏土分布高程低于砂壤土，較高的淹水頻率也更有利于土壤有機碳的固存［20］。近年來，鄱陽湖濕地干旱化加劇，湖濱地區砂壤土分布面積擴大，水位下降使濕地部分地區的土壤由厭氧環境轉化為好氧環境，狗牙根等固碳能力弱的中性植被分布面積擴大，這些因素的綜合作用將使濕地土壤碳庫儲量下降［21］。相關性分析表明，土壤有機碳含量與TN、TP、鹽分、EC呈顯著正相關（P<0.05），與pH值呈顯著負相關（P<0.05）。其中氮和磷是濕地生態系統重要的營養元素，對蘆葦、南荻等植被的生長具有促進作用，通過根系作用和枯落物分解等方式影響土壤有機碳含量；pH值越小，土壤有機碳含量就越高，可能是酸性環境抑制了微生物的活性，從而減少了有機碳的分解［22］。

綜上，粉黏土和砂壤土是鄱陽湖泗洲頭濕地主要土壤質地類型，土壤粒度組成分別以粉粒（67.76%～79.28%）和 細 砂（32.90%～56.55%）為主，土壤有機碳含量分別為（10.52±3.86）、（1.67±1.66） g/kg，受水動力影響沉積物分選性較差。增加黏粒和粉粒2種粒級的含量有利于土壤有機碳固存，未來泗洲頭濕地保護的過程中應注重改善土壤質地。本研究對土壤粒度及其對土壤有機碳的影響進行了分析，對濕地生態保護和修復具有一定的指導意義，但季節變化、人為因素對泗洲頭濕地土壤有機碳的影響仍需進一步探討。