鄱阳湖泗洲头湿地土壤粒度组成及其对有机碳的影响

孙清凡，钱海燕，陈莎莎，周杨明，谢冬明，王娓

1.东华理工大学地球科学学院，南昌 330013； 2.江西师范大学地理与环境学院，南昌 330200；3.江西科技师范大学旅游学院，南昌 330038； 4.江西省工程咨询中心有限公司，南昌 330036

土壤粒径分布特征是影响土壤吸附能力和土壤有机碳变化的重要因素，细小的矿物颗粒与有机质相结合能减缓有机质的分解，其吸附能力强弱直接对土壤有机碳含量产生影响［1］。研究土壤粒度与土壤有机碳的关系对于评估土壤固碳能力具有重要意义。

鄱阳湖是中国最大淡水湖泊，受到流域内五河来水与长江顶托的共同作用，年内水位变化幅度约8～22 m，其独特的水文节律形成了大片水陆交替的洲滩湿地［2］。近年来，受过度采砂和三峡大坝建成等因素的影响，鄱阳湖枯水期延长，水位降低导致洲滩植被开始向旱生植物演替，苔草等植被分布高程下移，水文干旱化趋势明显，可能会导致土壤粒度组成发生变化，继而影响鄱阳湖湿地土壤碳汇功能。研究表明，鄱阳湖湿地土壤粒度组成与土壤水分［3］、土壤养分含量［4］密切相关，砂粒含量会影响土壤微生物群落结构组成［5］。然而这些研究未明确土壤粒度分布特征，也未阐明土壤粒度组成与土壤有机碳的直接影响。泗洲头是与鄱阳湖主湖直接相连的洲滩前缘，其水位变化与鄱阳湖水位变化直接相关：丰水期为水域，枯水期水位下降形成裸露洲滩。但是关于泗洲头湿地的研究相对较少，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，研究泗洲头湿地土壤质地，探讨土壤粒度组成对土壤有机碳的影响，有助于理解土壤成因和对区域环境变化的响应和反馈。

因此，本研究以鄱阳湖泗洲头湿地为研究对象，研究不同植被下的土壤粒度组成，揭示土壤粒度分布特征及其对土壤有机碳的影响，以期为泗洲头湿地固碳能力提升和湿地生态保护和修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区泗洲头湿地位于以吴城为中心的鄱阳湖国家自然保护区，气候属亚热带季风气候，年降水量超过1 500 mm［6］。泗洲头湿地是直接与鄱阳湖主湖相连的洲滩区域，对水位变化的影响最为敏感，年内水位变化幅度超过10 m。泗洲头植被主要为草本植物，包括苔草（Carex cinerascens）、南荻（Triarrhena lutarioriparia）、芦苇（Phragmites australis）、荻（Mis⁃canthus sacchariflorus）、狗牙根（Cynodon dactylon）、白茅（Imperata koenigii）、假俭草（Eremochloa ophiu⁃roides）、萎蒿（Artemisia selengensis）、牛鞭草（Hemar⁃thria sibirica）、水田碎米荠（Cardamine lyrata）、虉草（Phalaris arundinacea）等，从洲滩至湖心，植被分布呈规律的环带状，其中苔草的分布高程为11～14 m，南荻为13～15 m，芦苇为14～17 m，狗牙根为15～17 m［7］。泗洲头土壤类型主要为草甸土、沼泽土、湿潮土等，成土母质主要为第四纪沉积物母质。根据2021年1月的高分1号遥感影像，利用ArcMAP软件进行裁剪和勾绘，得到泗洲头滩涂面积为3 076.71 hm2。

1.2 样品采集和测定

选取鄱阳湖泗洲头湿地的5种典型优势植被：苔草、南荻、芦苇、荻和狗牙根。每种植被设置4个样方，每个样方范围约200 m2，使用五点采样法采集表层（0～20 cm）和下层（20～40 cm）土壤样本，共计40份。同时记录采样点高程，采样时间为2021年1月。

土壤样本预处理：根据土质称取一定量的土样，粉黏土取0.2 g，砂壤土取5 g；每份样本加入10 mL 10% H2O2去除土壤有机质，直至反应至不产生气泡为止；随后加入10 mL 10%的盐酸，反应至不产生气泡以去除无机盐；反应结束后放入由纯水机制得的纯水对样品进行洗涤（清洗过程重复3次），并静置12 h；最后向每个放有样品的烧杯中加入10 mL 0.05 mol/L六偏磷酸钠溶液，摇匀后进行粒径测试。

土壤粒度测定和分级：土样预处理后，采用Mas‑tersizer 2000激光粒度分析仪进行粒度分析，测量范围0.02～2 000 μm。每个样品重复测试3次，取其平均值作为结果，土壤粒径分级采用美国制土壤粒级标准［8］，将土壤颗粒组分划分为黏粒（0.02～2 μm）、粉粒（2～50 μm）、极细砂（50～100 μm）、细砂（100～250 μm）、中砂（250～500 μm）、粗砂（500～1 000 μm）和极粗砂（1 000～2 000 μm）。

土壤理化性质的分析测试参考文献［9］，测定土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）、pH、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）、土壤阳离子交换量（cation exchange capacity，CEC）、盐分和电导率（electrical conductivity，EC）。其中，不同植被表层（0～20 cm）和下层（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，盐 分 在0.01～0.17%，EC在5.95～98.70 μS/cm。

1.3 粒度参数计算

将粒度测量结果转换为等比制粒级Ф，Ф值计算公式为：

式中：D为各土壤粒度累积体积分数对应的颗粒直径。

采用Folk-Ward公式［10］计算平均粒径（Mz）、分选系数（Sd）、偏度（SK）和峰度（Kg）等粒度参数，其计算公式依次为：

式中：Φχ为粒度累积到χ%所对应的粒径。

Mz是反映土壤粒度平均状况的参数，Mz越大则细物质越多；Sd反映土壤粒径分布的分散程度，分为7个分选级别，分选极好（Sd≤0.35）、分选好（0.35

1.4 数据处理

采用Excel 2019、SPSS 26软件进行数据处理和统计分析，运用独立样本t检验比较不同土壤质地之间土壤有机碳含量的差异，利用Pearson相关系数分析土壤有机碳和土壤粒度之间的相关性。采用Amos 26软件建立结构方程模型（structural equation model，SEM）以明确土壤质地对土壤有机碳的影响。

2 结果与分析

2.1 泗洲头湿地土壤粒度组成

鄱阳湖泗洲头湿地土壤以砂壤土和粉黏土为主，其中苔草和南荻分布的土壤主要为粉黏土，芦苇、荻、狗牙根则倾向于在砂壤土中生长（表1、2）。苔草和南荻植被下的表层（0～20 cm）与下层（20～40 cm）土壤粒度组成一致，均以粉粒为主，其含量高达土壤颗粒的67.76%～79.28%，其次为黏粒和极细砂，含量分别为12.10%～16.91%和1.18%～15.97%，细砂、中砂、粗砂含量比例较低（<2%）。

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

芦苇、荻、狗牙根植被下的表层（0～20 cm）与下层（20～40 cm）土壤粒度组成一致，均以砂壤土为主，其中，细砂含量所占比例最大，可达32.90%～56.55%，极细砂含量达12.46%～34.61%，中砂含量达3.04%～24.41%，最低的是黏粒、粗砂和极粗砂（<4%）。

方差分析结果显示，苔草和南荻植被下的土壤黏粒与粉粒含量显著高于芦苇、荻和狗牙根（P<0.05），而前者极细砂、细砂、中砂的含量显著低于后者（P<0.05），不同植被下土壤粗砂和极粗砂含量差异不显著（P>0.05）。结果表明不同植被类型对土壤质地具有选择性和适应性。

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

2.2 泗洲头湿地土壤粒度参数

土壤粒度参数表明（表3、表4），泗洲头粉黏土Mz为6.91Φ，质地较细；分选系数（Sd）平均为1.90，分选较差；偏度（SK）平均为-0.05，表现为近于对称；峰度（Kg）平均为0.98，表现为中等。砂壤土Mz为3.00Φ，质地较粗；Sd平均为1.19，分选较差；SK平均为0.26，表现为正偏；Kg为1.62，表现为很尖窄。其中，苔草和南荻下的土壤Mz分别为6.89Φ、6.93Φ，Sd平均值分别为1.94、1.86；芦苇、荻和狗牙根Mz分别为3.18Φ、2.82Φ和3.01Φ，Sd平均值分别为1.27、1.10、1.21。粉黏土和砂壤土的分选性都较差，表明在土壤沉积过程中，水动力为主导因素。

表3 不同类型植被下表层（0～20 cm）土壤粒度参数Table 3 Topsoil（0-20 cm） grain size parameters under different types of vegetation in Sizhoutou

表4 不同类型植被下下层（20～40 cm）土壤粒度参数Table 4 Subsoil（20-40 cm） grain size parameters under different types of vegetation in Sizhoutou

Pearson相关性分析显示，泗洲头土壤Sd和Mz呈显著正相关（r=0.924），其分选性随着Mz增大而变差；土壤SK和Mz呈显著负相关（r=-0.866），其SK随着Mz变小从极对称到极正偏；土壤Kg和Mz呈显著负相关（r=-0.922），其Kg随着Mz越小而越尖锐。

2.3 泗洲头湿地土壤粒度频率

泗洲头不同植被类型下的土壤粒度自然频率曲线表现为不一致的规律（图1）。其中，芦苇、荻、狗牙根植被下表层（0～20 cm）和下层（20～40 cm）的土壤粒度频率曲线均为单峰分布，峰值均在2～3Φ，细尾长短接近，表明其沉积物细颗粒性质接近；南荻植被下不同深度的土壤粒度频率曲线均为不对称双峰分布，主次峰较明显，双峰分布的主峰和次峰均位于粉粒级；苔草植被下表层（0～20 cm）的土壤粒度频率曲线同样为双峰分布，但次峰很小且距离主峰较远，苔草植被下下层（20～40 cm）的土壤粒度频率曲线则表现为三峰分布，主峰在7.5Φ附近，第1个次峰在4Φ附近，第2个次峰很小，在1Φ附近。

图1 不同植被类型的表层（A）和下层（B）土壤粒度频率曲线Fig.1 Frequency curve of topsoil（A） and subsoil（B） grain size under different types of vegetation

土壤粒度概率累积曲线表明（图2），芦苇、荻和狗牙根植被下表层和下层的土壤粒度跃移组分均较高且呈现两段式分布，悬移组分较高，跃移组分和悬移组分之间的截点Φ值均出现在9附近，两段跃移组分之间的截点Φ值均出现在4附近，跃移组分和蠕移组分之间的截点Φ值出现在1附近；苔草和南荻植被下的土壤粒度跃移组分较低，表层和下层跃移组分和悬移组分之间的截点Φ值均出现在11附近，跃移组分和蠕移组分之间的截点Φ值均出现在4附近。苔草表层和下层土壤蠕移组分占比显著多于南荻，这是由于苔草的分布高程低于南荻，淹水时间长，受水动力影响更强烈。

图2 不同植被类型的表层（A）和下层（B）土壤粒度概率累积曲线Fig.2 Probability cumulative curves of topsoil（A） and subsoil（B） grain size under different types of vegetation

2.4 泗洲头湿地土壤有机碳分布

不同植被类型的表层（0～20 cm）与下层（20～40 cm）土壤有机碳含量分别为0.82～17.53 g/kg和0.43～8.30 g/kg，随着土层的下降呈现下降趋势（图3）。其中，苔草、南荻表层（0～20 cm）的土壤有机碳含量分别为13.25～17.53、10.49～15.49 g/kg，平均值分别为（15.20±2.16）、（12.26±2.80） g/kg，变异系数（CV）分别为0.14和0.23；下层（20～40 cm）土壤有机碳含量分别为7.46～8.30、6.58～6.88 g/kg，平均值分别为（15.20±2.16）、（12.26±2.80） g/kg，CV分别为0.05、0.02。芦苇、荻和狗牙根下表层（0～20 cm）土壤有机碳含量分别为0.96～8.30、0.85～3.83和0.82～1.23 g/kg，平 均 值 分 别 为（3.26±3.42）、（2.31±1.23）和（1.05±0.17） g/kg，变异系数（CV）分别为1.05、0.53和0.16；下层（20～40 cm）土壤有机碳含量分别为0.86～1.71、0.43～1.26和0.83～1.20 g/kg，平 均 值 分 别 为（1.22±0.44）、（0.89±0.42）、（0.99±0.21） g/kg，CV分 别 为0.36、0.47、0.21；除芦苇在表层（0～20 cm）为强变异、苔草和南荻在下层（20～40 cm）为弱变异外，其余植被在2种土层的土壤有机碳含量均属于中等变异。

图3 泗洲头不同植被类型下土壤有机碳分布Fig.3 Distribution of soil organic carbon content under different types of vegetation in Sizhoutou

方差分析显示，苔草和南荻2种植被表层（0～20 cm）土壤有机碳含量无显著性差异（P>0.05），下层（20～40 cm）土壤有机碳含量表现为苔草显著高于南荻（P<0.05），芦苇、荻和狗牙根3种植被下土壤有机碳含量在2种土层中均无显著性差异（P>0.05）。苔草和南荻下的粉黏土2种土层土壤有机碳含量平均值为（10.52±3.86） g/kg，显著高于芦苇、荻和狗牙根下的砂壤土土壤有机碳含量（P<0.05），砂壤土平均为（1.67±1.66） g/kg。

2.5 土壤粒度组成对土壤有机碳的影响

Pearson相关性分析显示，土壤有机碳含量与黏粒和粉粒呈极显著正相关，相关系数分别为0.833**、0.866**；土壤有机碳含量与砂粒呈极显著负相关，相关系数为-0.862**。土壤有机碳含量与TN、TP、CEC、盐分、EC均呈显著正相关（P<0.05），与pH呈显著负相关（P<0.05），表明土壤有机碳含量与黏粒、粉粒及其他相关土壤因子具有密切联系。

结构方程模型（SEM）显示土壤质地、土层深度、TN、植被类型、pH、CEC、土壤有机碳之间拟合良好（图4），表明土壤质地和土层深度对土壤有机碳含量具有直接影响，pH和植被类型对土壤有机碳含量具有间接影响。研究也发现，土壤质地和土壤有机碳含量对TN、CEC具有直接影响；pH除了对土壤有机碳含量具有间接影响外，自身也受到植被类型的直接影响和土壤质地、土层深度的间接影响。

图4 土壤质地、植被类型及其他土壤性质对土壤有机碳影响的结构方程模型Fig.4 Structural equation model（SEM） on how soil texture， vegetation types and other soil properties affect the soil organic carbon

3 讨论

土壤粒度分布特征与其沉积环境有关。本研究中，苔草和南荻下的土壤质地为粉黏土，质地较细，沉积物分选性较差，土壤粒度分布曲线显示为双峰或三峰分布。生长苔草和南荻的土壤粒度累积曲线存在明显差异，苔草表层（0～20 cm）和下层（20～40 cm）土壤蠕移组高于南荻，表明其受水动力影响更显著；粉黏土粒度分布曲线存在多个峰尖则可能是由于粉黏土母质风化程度较高，黏粒和粉粒的粒径小、质量轻，在鄱阳湖枯水季洲滩出露后会被风力吹蚀搬运［12］。此外，生长芦苇、荻和狗牙根的土壤质地为砂壤土，质地较粗，沉积物分选性较差，不同植被下的砂壤土粒度自然频率曲线单峰分布的趋势基本一致，表层（0～20 cm）砂壤土峰值基本重合，下层（20～40 cm）峰值存在一定错位，但相距不远，表明这些植被的土壤沉积物在分选过程中的动力相似。与本研究结果相同，石唯康等［13］研究也表明植被覆盖类型对砂壤土沉积过程影响较小。通过萨胡判别公式对砂壤土的成因进行判别［14］，生长芦苇、荻和狗牙根下的土壤的临界值范围分别为-1.35～2.93、-2.18～1.55和-1.92～-0.21，均大于萨胡判别公式的临界值-2.741 1，证明泗洲头砂壤土成因主要为水成。研究区土壤分选性均较差，表明水动力在泗洲头土壤沉积过程中占主导因素。相关研究也表明鄱阳湖4 500 a以来河湖相交替发展使湖滨到湖心沉积物粒度呈由砾石→粗砂→细砂→粉砂→黏土逐渐变细的土壤粒度分布特征［15］。

结构方程模型表明，土层深度和土壤质地对土壤有机碳含量具有直接影响，植被类型和pH具有间接影响。在同一粒径下，随着土层深度增加，土壤有机碳含量呈下降趋势，有机碳含量垂直分布特征主要受植被净初级生产力以及枯落物分解速率的影响。土壤质地对土壤有机碳具有直接影响是因为更细的土壤粒度组分能结合更多有机碳，土壤有机碳的稳定性指数随着土壤颗粒增大而降低［16］。砂粒颗粒大，相对比表面积小，透水性强，砂粒中的有机碳很容易被微生物分解或流失；与砂粒相比，粉粒和黏粒具有较大的比表面积，其晶格更容易吸附有机碳［17］，这在结构方程模型中表现为土壤阳离子交换量（CEC）增加。有机碳与黏粒和粉粒结合形成有机-无机复合体后更难降解或流失，因此，粉粒和黏粒对土壤有机碳具有固持和保护作用［18］。曹昀等［19］研究表明，在鄱阳湖湖滨地区土壤层重度、中度和轻度砂化区碳蓄积量分别为 0.59、0.90、1.30 t/hm2，砂化越严重则土壤有机碳含量越低，与本研究结果一致。此外，泗洲头粉黏土分布高程低于砂壤土，较高的淹水频率也更有利于土壤有机碳的固存［20］。近年来，鄱阳湖湿地干旱化加剧，湖滨地区砂壤土分布面积扩大，水位下降使湿地部分地区的土壤由厌氧环境转化为好氧环境，狗牙根等固碳能力弱的中性植被分布面积扩大，这些因素的综合作用将使湿地土壤碳库储量下降［21］。相关性分析表明，土壤有机碳含量与TN、TP、盐分、EC呈显著正相关（P<0.05），与pH值呈显著负相关（P<0.05）。其中氮和磷是湿地生态系统重要的营养元素，对芦苇、南荻等植被的生长具有促进作用，通过根系作用和枯落物分解等方式影响土壤有机碳含量；pH值越小，土壤有机碳含量就越高，可能是酸性环境抑制了微生物的活性，从而减少了有机碳的分解［22］。

综上，粉黏土和砂壤土是鄱阳湖泗洲头湿地主要土壤质地类型，土壤粒度组成分别以粉粒（67.76%～79.28%）和 细 砂（32.90%～56.55%）为主，土壤有机碳含量分别为（10.52±3.86）、（1.67±1.66） g/kg，受水动力影响沉积物分选性较差。增加黏粒和粉粒2种粒级的含量有利于土壤有机碳固存，未来泗洲头湿地保护的过程中应注重改善土壤质地。本研究对土壤粒度及其对土壤有机碳的影响进行了分析，对湿地生态保护和修复具有一定的指导意义，但季节变化、人为因素对泗洲头湿地土壤有机碳的影响仍需进一步探讨。