鄱陽湖泗洲頭濕地土壤粒度組成及其對(duì)有機(jī)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(xué)地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013； 2.江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，南昌 330200；3.江西科技師范大學(xué)旅游學(xué)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(jī)碳變化的重要因素，細(xì)小的礦物顆粒與有機(jī)質(zhì)相結(jié)合能減緩有機(jī)質(zhì)的分解，其吸附能力強(qiáng)弱直接對(duì)土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生影響［1］。研究土壤粒度與土壤有機(jī)碳的關(guān)系對(duì)于評(píng)估土壤固碳能力具有重要意義。

鄱陽湖是中國(guó)最大淡水湖泊，受到流域內(nèi)五河來水與長(zhǎng)江頂托的共同作用，年內(nèi)水位變化幅度約8～22 m，其獨(dú)特的水文節(jié)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(zhǎng)，水位降低導(dǎo)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(shì)明顯，可能會(huì)導(dǎo)致土壤粒度組成發(fā)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(yǎng)分含量［4］密切相關(guān)，砂粒含量會(huì)影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)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(jī)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(guān)：豐水期為水域，枯水期水位下降形成裸露洲灘。但是關(guān)于泗洲頭濕地的研究相對(duì)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(zhì)地，探討土壤粒度組成對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，有助于理解土壤成因和對(duì)區(qū)域環(huán)境變化的響應(yīng)和反饋。

因此，本研究以鄱陽湖泗洲頭濕地為研究對(duì)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(duì)土壤有機(jī)碳的影響，以期為泗洲頭濕地固碳能力提升和濕地生態(tài)保護(hù)和修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)泗洲頭濕地位于以吳城為中心的鄱陽湖國(guó)家自然保護(hù)區(qū)，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)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(qū)域，對(duì)水位變化的影響最為敏感，年內(nèi)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(guī)律的環(huán)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(zhì)主要為第四紀(jì)沉積物母質(zhì)。根據(jù)2021年1月的高分1號(hào)遙感影像，利用ArcMAP軟件進(jìn)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(cè)定

選取鄱陽湖泗洲頭濕地的5種典型優(yōu)勢(shì)植被：苔草、南荻、蘆葦、荻和狗牙根。每種植被設(shè)置4個(gè)樣方，每個(gè)樣方范圍約200 m2，使用五點(diǎn)采樣法采集表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）土壤樣本，共計(jì)40份。同時(shí)記錄采樣點(diǎn)高程，采樣時(shí)間為2021年1月。

土壤樣本預(yù)處理：根據(jù)土質(zhì)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(jī)質(zhì)，直至反應(yīng)至不產(chǎn)生氣泡為止；隨后加入10 mL 10%的鹽酸，反應(yīng)至不產(chǎn)生氣泡以去除無機(jī)鹽；反應(yīng)結(jié)束后放入由純水機(jī)制得的純水對(duì)樣品進(jìn)行洗滌（清洗過程重復(fù)3次），并靜置12 h；最后向每個(gè)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(jìn)行粒徑測(cè)試。

土壤粒度測(cè)定和分級(jí)：土樣預(yù)處理后，采用Mas?tersizer 2000激光粒度分析儀進(jìn)行粒度分析，測(cè)量范圍0.02～2 000 μm。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)試3次，取其平均值作為結(jié)果，土壤粒徑分級(jí)采用美國(guó)制土壤粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［8］，將土壤顆粒組分劃分為黏粒（0.02～2 μm）、粉粒（2～50 μm）、極細(xì)砂（50～100 μm）、細(xì)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(zhì)的分析測(cè)試參考文獻(xiàn)［9］，測(cè)定土壤有機(jī)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(dǎo)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(shù)計(jì)算

將粒度測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為等比制粒級(jí)Ф，Ф值計(jì)算公式為：

式中：D為各土壤粒度累積體積分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的顆粒直徑。

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

式中：Φχ為粒度累積到χ%所對(duì)應(yīng)的粒徑。

Mz是反映土壤粒度平均狀況的參數(shù)，Mz越大則細(xì)物質(zhì)越多；Sd反映土壤粒徑分布的分散程度，分為7個(gè)分選級(jí)別，分選極好（Sd≤0.35）、分選好（0.35

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019、SPSS 26軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較不同土壤質(zhì)地之間土壤有機(jī)碳含量的差異，利用Pearson相關(guān)系數(shù)分析土壤有機(jī)碳和土壤粒度之間的相關(guān)性。采用Amos 26軟件建立結(jié)構(gòu)方程模型（structural equation model，SEM）以明確土壤質(zhì)地對(duì)土壤有機(jī)碳的影響。

2 結(jié)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(zhǎng)（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(dá)土壤顆粒的67.76%～79.28%，其次為黏粒和極細(xì)砂，含量分別為12.10%～16.91%和1.18%～15.97%，細(xì)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(xì)砂含量所占比例最大，可達(dá)32.90%～56.55%，極細(xì)砂含量達(dá)12.46%～34.61%，中砂含量達(dá)3.04%～24.41%，最低的是黏粒、粗砂和極粗砂（<4%）。

方差分析結(jié)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(xì)砂、細(xì)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(jié)果表明不同植被類型對(duì)土壤質(zhì)地具有選擇性和適應(yīng)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(shù)

土壤粒度參數(shù)表明（表3、表4），泗洲頭粉黏土Mz為6.91Φ，質(zhì)地較細(xì)；分選系數(shù)（Sd）平均為1.90，分選較差；偏度（SK）平均為-0.05，表現(xiàn)為近于對(duì)稱；峰度（Kg）平均為0.98，表現(xiàn)為中等。砂壤土Mz為3.00Φ，質(zhì)地較粗；Sd平均為1.19，分選較差；SK平均為0.26，表現(xiàn)為正偏；Kg為1.62，表現(xiàn)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(dòng)力為主導(dǎo)因素。

表3 不同類型植被下表層（0～20 cm）土壤粒度參數(shù)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(shù)Table 4 Subsoil（20-40 cm） grain size parameters under different types of vegetation in Sizhoutou

Pearson相關(guān)性分析顯示，泗洲頭土壤Sd和Mz呈顯著正相關(guān)（r=0.924），其分選性隨著Mz增大而變差；土壤SK和Mz呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.866），其SK隨著Mz變小從極對(duì)稱到極正偏；土壤Kg和Mz呈顯著負(fù)相關(guān)（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(xiàn)為不一致的規(guī)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(xì)尾長(zhǎng)短接近，表明其沉積物細(xì)顆粒性質(zhì)接近；南荻植被下不同深度的土壤粒度頻率曲線均為不對(duì)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(jí)；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(yuǎn)，苔草植被下下層（20～40 cm）的土壤粒度頻率曲線則表現(xiàn)為三峰分布，主峰在7.5Φ附近，第1個(gè)次峰在4Φ附近，第2個(gè)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(xiàn)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(diǎn)Φ值均出現(xiàn)在9附近，兩段躍移組分之間的截點(diǎn)Φ值均出現(xiàn)在4附近，躍移組分和蠕移組分之間的截點(diǎn)Φ值出現(xiàn)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(diǎn)Φ值均出現(xiàn)在11附近，躍移組分和蠕移組分之間的截點(diǎn)Φ值均出現(xiàn)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(shí)間長(zhǎng)，受水動(dòng)力影響更強(qiáng)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(jī)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(jī)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(xiàn)下降趨勢(shì)（圖3）。其中，苔草、南荻表層（0～20 cm）的土壤有機(jī)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(shù)（CV）分別為0.14和0.23；下層（20～40 cm）土壤有機(jī)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(jī)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(shù)（CV）分別為1.05、0.53和0.16；下層（20～40 cm）土壤有機(jī)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)碳含量無顯著性差異（P>0.05），下層（20～40 cm）土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)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(jī)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(jī)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(jī)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(duì)土壤有機(jī)碳的影響

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

結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）顯示土壤質(zhì)地、土層深度、TN、植被類型、pH、CEC、土壤有機(jī)碳之間擬合良好（圖4），表明土壤質(zhì)地和土層深度對(duì)土壤有機(jī)碳含量具有直接影響，pH和植被類型對(duì)土壤有機(jī)碳含量具有間接影響。研究也發(fā)現(xiàn)，土壤質(zhì)地和土壤有機(jī)碳含量對(duì)TN、CEC具有直接影響；pH除了對(duì)土壤有機(jī)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(zhì)地、土層深度的間接影響。

圖4 土壤質(zhì)地、植被類型及其他土壤性質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)碳影響的結(jié)構(gòu)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(huán)境有關(guān)。本研究中，苔草和南荻下的土壤質(zhì)地為粉黏土，質(zhì)地較細(xì)，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(zhǎng)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(dòng)力影響更顯著；粉黏土粒度分布曲線存在多個(gè)峰尖則可能是由于粉黏土母質(zhì)風(fēng)化程度較高，黏粒和粉粒的粒徑小、質(zhì)量輕，在鄱陽湖枯水季洲灘出露后會(huì)被風(fēng)力吹蝕搬運(yùn)［12］。此外，生長(zhǎng)蘆葦、荻和狗牙根的土壤質(zhì)地為砂壤土，質(zhì)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(shì)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(cuò)位，但相距不遠(yuǎn)，表明這些植被的土壤沉積物在分選過程中的動(dòng)力相似。與本研究結(jié)果相同，石唯康等［13］研究也表明植被覆蓋類型對(duì)砂壤土沉積過程影響較小。通過薩胡判別公式對(duì)砂壤土的成因進(jìn)行判別［14］，生長(zhǎng)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(qū)土壤分選性均較差，表明水動(dòng)力在泗洲頭土壤沉積過程中占主導(dǎo)因素。相關(guān)研究也表明鄱陽湖4 500 a以來河湖相交替發(fā)展使湖濱到湖心沉積物粒度呈由礫石→粗砂→細(xì)砂→粉砂→黏土逐漸變細(xì)的土壤粒度分布特征［15］。

結(jié)構(gòu)方程模型表明，土層深度和土壤質(zhì)地對(duì)土壤有機(jī)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(jī)碳含量呈下降趨勢(shì)，有機(jī)碳含量垂直分布特征主要受植被凈初級(jí)生產(chǎn)力以及枯落物分解速率的影響。土壤質(zhì)地對(duì)土壤有機(jī)碳具有直接影響是因?yàn)楦?xì)的土壤粒度組分能結(jié)合更多有機(jī)碳，土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性指數(shù)隨著土壤顆粒增大而降低［16］。砂粒顆粒大，相對(duì)比表面積小，透水性強(qiáng)，砂粒中的有機(jī)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(jī)碳［17］，這在結(jié)構(gòu)方程模型中表現(xiàn)為土壤陽離子交換量（CEC）增加。有機(jī)碳與黏粒和粉粒結(jié)合形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體后更難降解或流失，因此，粉粒和黏粒對(duì)土壤有機(jī)碳具有固持和保護(hù)作用［18］。曹昀等［19］研究表明，在鄱陽湖湖濱地區(qū)土壤層重度、中度和輕度砂化區(qū)碳蓄積量分別為 0.59、0.90、1.30 t/hm2，砂化越嚴(yán)重則土壤有機(jī)碳含量越低，與本研究結(jié)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(jī)碳的固存［20］。近年來，鄱陽湖濕地干旱化加劇，湖濱地區(qū)砂壤土分布面積擴(kuò)大，水位下降使?jié)竦夭糠值貐^(qū)的土壤由厭氧環(huán)境轉(zhuǎn)化為好氧環(huán)境，狗牙根等固碳能力弱的中性植被分布面積擴(kuò)大，這些因素的綜合作用將使?jié)竦赝寥捞紟?kù)儲(chǔ)量下降［21］。相關(guān)性分析表明，土壤有機(jī)碳含量與TN、TP、鹽分、EC呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。其中氮和磷是濕地生態(tài)系統(tǒng)重要的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)蘆葦、南荻等植被的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用，通過根系作用和枯落物分解等方式影響土壤有機(jī)碳含量；pH值越小，土壤有機(jī)碳含量就越高，可能是酸性環(huán)境抑制了微生物的活性，從而減少了有機(jī)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(zhì)地類型，土壤粒度組成分別以粉粒（67.76%～79.28%）和 細(xì) 砂（32.90%～56.55%）為主，土壤有機(jī)碳含量分別為（10.52±3.86）、（1.67±1.66） g/kg，受水動(dòng)力影響沉積物分選性較差。增加黏粒和粉粒2種粒級(jí)的含量有利于土壤有機(jī)碳固存，未來泗洲頭濕地保護(hù)的過程中應(yīng)注重改善土壤質(zhì)地。本研究對(duì)土壤粒度及其對(duì)土壤有機(jī)碳的影響進(jìn)行了分析，對(duì)濕地生態(tài)保護(hù)和修復(fù)具有一定的指導(dǎo)意義，但季節(jié)變化、人為因素對(duì)泗洲頭濕地土壤有機(jī)碳的影響仍需進(jìn)一步探討。