不同土地利用方式土下岩溶溶蚀速率及影响因素

2013-12-16蓝家程傅瓦利彭景涛周小萍肖时珍

生态学报 2013年10期

蓝家程，傅瓦利，* ，彭景涛，周小萍，肖时珍，2，袁波

(1.西南大学地理科学学院，重庆 400715;2.贵州师范大学中国南方喀斯特研究院，贵阳 550000)

西南岩溶区特殊的地质背景形成的相对脆弱的生态环境，敏感度高［1］。容易引起岩溶区地面塌陷、干旱洪涝、地下水污染、土壤贫瘠、水土流失、岩溶石漠化等一系列地质灾害问题。

前人研究岩溶作用主要从宏观角度进行对比，如不同地质背景、气候与水文条件下岩溶作用强度及其差异［2-3］;或从碳循环角度研究岩溶作用对CO2汇的贡献［4-5］;或探讨岩溶作用对环境变化的敏感性［6-8］。已有的研究表明，土壤在岩溶作用与岩溶生态系统中扮演着极其重要的角色［9-10］。气温和降雨控制溶蚀速率［8，11］。不同季节，气候因子差异，土地利用方式的变化会对土壤理化性质产生影响，进而影响到岩溶作用的强度和方向［12-15］，而土壤各个因子又是相互联系，相互作用，共同影响岩溶作用过程［16］。本文以土地利用为切入点，从土壤溶解性有机碳(DOC)含量、土壤CO2浓度、土壤含水量和优先流分布、土壤pH值和孔隙度等性质入手，分析其对旱季土下溶蚀速率的影响，有助于把握土地利用对岩溶作用的影响程度。

1 研究区概况

研究区位于重庆市中梁山，东经 106°18′14″—106°56′53″，北纬 29°39′10″—30°3′53″之间，属于中亚热带季风性湿润气候，海拔400—700 m，年均气温18℃，多年平均降水量1000 mm左右，全年降雨量集中分布在3—9月，占全年降雨量的75.8%。研究区土壤由三叠纪嘉陵江组的岩溶角粒状白云质灰岩发育而成，土层厚0.15—1 m。该区地带性植被为中亚热带常绿阔叶林，受岩性、土壤和人类活动影响，岩溶槽谷已经没有典型的常绿阔叶林地，现有植被为人工次生林。目前该研究区的主要土地利用方式是林地、草地、耕地和菜地，其中耕地以坡耕地为主，草地由耕地撂荒而成。本文选取了林地、草地和菜地作为研究对象，其样地基本情况见表1。

2 材料与方法

2.1 采样方法

2010年11月23日至2011年2月25日在中梁山岩溶槽谷中每月选取了林地、草地和菜地，3种土地利用方式分别开挖2个土壤剖面，按0—20 cm和20—50 cm从下往上采取土壤样品，每个层次取1 kg左右样品装入自封袋中密封保存。将所取的土样马上带回实验室分成2份，一份作为新鲜样品用于测定土壤溶解性有机碳，如不能立即实验，贮藏于4℃冰箱内尽快测定;另一份风干后用于测定土壤基本理化性质。

表1 样地基本情况Table 1 Basic information of sample plot

2.2 试验和研究方法

土壤含水量、孔隙度和土壤pH值采用常规法［17］;土壤溶解性有机碳(DOC)的测定［18］采用硫酸钾侵提法;土壤CO2浓度测定参照何师意等［6］人设计，分别在土下20 cm处和土下50 cm处埋放土壤CO2收集装置(结构如图1)，每月测量各层CO2浓度1—2次。

图1 CO2收集装置示意图Fig.1 Sketch of CO2collector

标准溶蚀试片法［11］:由袁道先在20世纪80年代末引进国内，并在IGCP299项目(1990—1994)中得到广泛应用，主要目的是对比不同地质、气候与水文条件下岩溶作用的强度及其差异。取当地地层中的嘉陵江组白云质灰岩岩块磨制成统一直径为40 mm，厚为3 mm的圆形标准溶蚀试片。于2010年11月22日至2011年3月23日，将试片按土下5 cm、土下20 cm、土下50 cm埋放于3种土地利用方式下，每种土地利用方式每个土壤剖面埋放2块，共18块，用于测定旱季土下溶蚀速率。试片取出后小心洗净并风干，经过两次烘箱烘干后称重取平均值，按照公式(1)计算测试时间内各个试片的单位面积溶蚀量。计算公式如下:

式中，ER为单位面积溶蚀量，即溶蚀速率(m g·m-2·d-1);W1为试片初质量(g);W2为试片取回后烘干质量(g);(W1-W2)为埋放时间内试片绝对溶蚀量(g);T为埋放天数(d);S为试片表面积(约28.91 cm2)。

亮蓝染色示踪优先流:分别在3种土地利用方式上随机选取试验点，首先除去表层的枯枝落叶层，平整出0.5 m×0.5 m的小区。根据当地降雨量，配置浓度为10 g/L的亮蓝溶液6 000 mL。在小区上均匀的喷灌，过24 h开挖。开挖深度直到基本上没看到染色部分为止，然后用分辨率统一的数码相机对土壤剖面进行拍照。根据已有的试验，为了降低或消除试验误差，每次拍照时应调节相机镜头与土体表面一致，同时利用卷尺测量每一剖面的宽度和深度作为比例尺［19］。

图像处理:将野外所拍的图像直接输入计算机，利用CorelDraw软件对照片的染色部分进行矢量化处理，将染色部分填充为黑色，未染色部分呈白色，制成染色示意图。最后将处理过的图像以.jpg格式输出。

数据处理在Spss17.0和Excel2007软件上实现。统计分析采用单因素方差分析(ANOVA)和多重比较LSD法判断不同土地利用方式土壤DOC含量变化是否有差异。方差分析前，对各组数据值进行检验，检验其是否满足正态分布和方差是否是齐性，若不满足，则需要通过数据转换使其满足方差分析的要求。

3 结果与分析

3.1 不同土地利用方式土壤溶解性有机碳差异

由表2可知，不同土地利用方式下0—50 cm土壤DOC含量平均值大小顺序为:林地＞草地＞菜地;就不同土层来看也是林地最大，菜地最小，草地居中。经过单因素方差分析和多重比较发现，0—20 cm层林地和菜地DOC含量差异显著(P＜0.05)，林地和草地以及草地和菜地有一定的差异，但不显著;20—50 cm层林地和草地、菜地差异显著(P＜0.05)，草地和菜地差异不显著。土壤DOC剖面分布除了林地下层大于上层外，草地和菜地均表现为上层大于下层，方差分析表明同一种土地利用方式不同土层土壤DOC含量差异不显著。

表2 不同土地利用方式不同土层深度土壤环境因子Table 2 Soil Environmental factors in different soil depth under different land use patterns

一般来说，土壤DOC主要来源于植被凋落物、根系分泌物、微生物活动和土壤有机质以及外来施入的有机肥料等，其含量很大程度上取决于土壤有机碳含量。赵劲松等［20］人认为土壤DOC来源于腐殖化的有机质、植物凋落物、根系分泌物和微生物生物量。同时，土壤溶解性有机碳含量还受到温度、降雨量、土壤含水量、土壤质地、pH值等因素的影响。林地枯枝落叶多，根系深且分泌物多，有机碳含量高，微生物活性强，粘粒含量最高，可吸附的土壤溶解性有机碳增加，下层DOC含量高可能是随水迁移的结果;菜地由于长期人为耕作和施用氮肥，土壤溶解性有机碳含量明显下降［21］;草地相对林地凋落物少，根系分布浅，土壤DOC含量居中。

3.2 不同土地利用方式土壤水分

3.2.1 不同土地利用方式土壤含水量和孔隙度变化

不同土地利用方式土壤含水量存在较大差异(表2)，其0—50 cm平均值大小顺序为林地＞草地＞菜地;土壤孔隙度表现为菜地＞草地＞林地，上层大于下层，说明林地、草地保水能力较强，这与林草地植被覆盖度较高，根系及枯枝落叶层的作用有关。随着土壤深度的增加，林地、草地土壤含水量有增加的趋势，而菜地有减小的趋势。土壤的通透性能是林草地土壤水源涵养的重要指标之一，林地、草地表面凋落物层较厚，有很强的吸水性能，蓄水能力强，并且表层孔隙度较大有利于水分下渗，下层孔隙度小，保存水分;菜地虽然孔隙状况也有利于水分下渗，但蓄水能力弱。李阳兵［21］等人研究表明，不同土地利用方式土壤含水量变化差异明显，林草地土壤持水供水性能好于人为影响因素较大的农用地;贾红杰［22］等人发现竹林地、草地等自然利用地被开垦为农用地后土地的蓄水能力和抗溅蚀性大大降低。

3.2.2 不同土地利用方式土壤优先流分布

染色试验表明，经24 h渗透后，亮蓝在研究区不同土地利用方式土下土壤层内迁移路径分布明显。根据垂直方向的染色剖面图像(图2)，可以清晰地观测到土壤水分基质流和优先流的发生。林地和草地土壤垂直剖面上亮蓝迁移具有明显的不均匀性，在染色区域内有未染色的小斑块，有的区域仅在表层被染色，而有的区域亮蓝的迁移相对较深，说明水分在快速的下渗中绕过了部分土壤，从而形成了不规则的染色区域。不同土地利用方式不同深度土层染色面积有所差异，染色面积比例随深度的增加显著降低。受基质流的影响，林地和草地0—10 cm土壤大部分被亮蓝染色，亮蓝在该水平剖面中分布较为均匀，优先流现象不明显，土壤中基质流态的水分能够运移到达的深度在10 cm左右;10 cm以下土壤受土壤优先路径的影响，染色区域呈一定的集中分布趋势(图2)，经优先路径运移的优先流部分水分能达到的深度为30 cm以上，优先流发生区域的土壤水分运移速度较未发生优先流的区域提高了很多。菜地没有明显的优先流现象，染色面积呈均匀分布，土壤中基质流态的水分能够运移到达的深度在0—25 cm范围，25 cm以下染色部分几乎没有，水分能够到达深度浅且速度慢，不能供给深层的足够的水分。

图2 不同土地利用方式土壤剖面染色图［15］Fig.2 Dyed vertical Patterns of Profiles in different land use patterns［15］

土壤优先流主要受植物根系、微生物活动、土壤结构和质地、土壤含水量、降雨和气温等因素的影响［23］。Kim等在对不同质地和结构的土壤进行染色示踪发现根系明显产生优势流，孔隙结构良好的土壤，示踪剂运移最深［24］。王伟等人认为阔叶森林土壤优先流的发生区域主要位于较大的孔穴和裂隙周围，呈聚集状分布，土壤大孔隙的联通状况和分布特征影响优先流的发生［25］。本研究在野外观察土壤剖面发现，林草地土壤质地和结构较好，根系分布的地方集中蓝色染色剂，产生明显的优先流。

3.3 不同土地利用方式土壤pH值和土壤CO2浓度变化

表2可知，研究区不同土地利用方式土下0—50 cm范围土壤pH值平均值大小顺序为草地＞林地＞菜地，林地产生的枯枝落叶多，有机质输入要多于草地，因而其土壤pH值小于草地;菜地土壤pH值最小，可能的原因是受人为施用有机肥、氮肥等肥料的影响，土壤产生的酸性物质多。旱季土壤CO2浓度变化与土壤pH值变化一致，不同土地利用方式土壤CO2浓度依次为:草地＞林地＞菜地，土壤CO2不仅来源于有机碳的分解作用，还主要来自植物、土壤动物和微生物的呼吸作用。一般来说，土下50 cm处土壤CO2浓度大于土下20 cm处，本研究符合这一规律。从土壤孔隙度来看，林地、草地小于菜地，下层小于上层，有利于土壤CO2的保存。

3.4 不同土地利用方式旱季土下溶蚀速率分析

表3的数据表明，不同土地利用方式不同土层土下溶蚀速率都有差异，旱季最大绝对溶蚀量出现在草地土下50 cm，其值为105.11 mg，最小的发生于林地土下20 cm，其值为49.60 mg。土下0—50 cm范围内旱季溶蚀速率平均值大小顺序为:草地＞菜地＞林地。同层土壤不同土地利用方式旱季溶蚀速率比较(表3)，土下5 cm处:菜地＞林地＞草地;土下20 cm处:草地＞菜地＞林地;土下50 cm处:草地＞林地＞菜地。旱季溶蚀速率随土壤剖面的变化，林地先减小后增加，草地逐渐增加，菜地差异不大，略微减小后略微增加。对比之前的研究结果［15，26］发现:研究区不同土地利用方式雨季溶蚀速率和全年溶蚀速率平均值依次为林地＞草地＞菜地;不同土壤剖面同一土层深度雨季、旱季及全年溶蚀速率变化规律均各不相同，说明不同季节土下溶蚀速率主要影响因素不同，由此造成不同土下溶蚀速率变化差异。但不论怎样，研究区土下溶蚀速率的影响因素最终归结为气候及土地利用产生的土壤性质及土壤环境因子的变化。

表3 不同土地利用方式不同埋放位置试片溶蚀速率Table 3 Tablet dissolution rates in soil at different land use patterns

已有的研究揭示了土壤CO2对岩溶作用的驱动作用［7］，通气良好的土壤中，有利于有机碳分解产生CO2;土壤CO2溶于水生成碳酸，可使水的溶蚀能力提高几十倍［27］，具有侵蚀性的土壤CO2才构成对碳酸盐岩的溶蚀［16］。由土壤含水量变化数据及土壤优先流分布可知，林地和草地土壤含水量大，土壤优先流明显，且分布深，保水、供水能力强，但土壤CO2浓度草地大于林地，因此草地能形成较多的侵蚀性土壤CO2，土下溶蚀速率高于林地。说明，林地和草地旱季土下溶蚀速率受土壤CO2浓度的驱动，但是无论是林地还是草地，土壤含水量表现为下层高于上层，孔隙度下层低于上层，有利于下层保水保气，优先流能通过土壤孔隙向下层提供充足的水分，相应的下层的溶蚀速率要高于上层;相反菜地土壤含水量有减小的趋势，没有明显的优先流现象，水分运移的深度浅，难以供给土壤深层足够的水分，下层溶蚀速率低于上层;另外土下50 cm处的溶蚀速率林草地高于菜地，因此土壤水分及其供给能力是制约土下溶蚀速率的关键因素。菜地土壤CO2浓度最低，但土下平均溶蚀速率相对林地较高，这可能与菜地土壤pH值最低有关，土壤pH值越低，形成的氢离子浓度越高，促进碳酸盐岩的溶蚀。土壤有机碳越多，可以产生越多的CO2和有机酸，降低pH值，会对溶蚀速率有明显地促进作用［14，28］;李恩香等［10］研究表明植物输入的土壤有机质越多，产生的CO2和酸性物质越多，土壤的pH值也会越低;长期施用氮肥等无机肥会降低土壤pH值［29］，由于菜地受人为施加氮肥等无机肥影响，可能会产生更多的酸性物质，降低土壤pH值，溶蚀速率高于林地和草地。

土壤DOC是土壤有机碳中活性部分，对土地利用和气候变化最为敏感，又是岩溶过程碳转移主要形式，其动态变化与溶蚀速率有很大的关系［30］。在土壤溶解有机碳组分中，小分子酸性物质(≤5个碳原子的脂肪酸、多官能团酸)占有30%—50%的比例［31］。土壤溶解有机碳是岩溶作用的驱动力，这在岩溶生态系统中具有重要的理论意义，初步的研究结果显示，5 mmol/L的柠檬酸与50000×10-6CO2对碳酸盐岩有几乎相同的侵蚀能力［31］。土壤DOC迁移性强，雨水淋溶作用使土壤DOC容易迁移到土壤下层，这可能是林地土下50 cm土壤DOC含量大于土下20 cm的原因之一，进而出现土下50 cm溶蚀速率高于土下20 cm，另外下层土壤CO2浓度高于上层可能是更主要的原因。从不同土地利用方式来看，林地土壤DOC含量最高，菜地最低，草地居中，但岩溶溶蚀速率却是草地最高，菜地次之，林地最低，进一步说明影响岩溶溶蚀速率的因素不能由某个因素来决定的，而是由各个因素相互联系，相互作用共同决定的。

4 结论

不同土地利用方式对土壤DOC含量、土壤含水量、土壤孔隙度、土壤pH值和土壤CO2浓度产生影响，进而影响到岩溶作用。不同的影响因素相互联系，相互作用，共同决定土下岩溶溶蚀速率。土壤CO2浓度是影响林地和草地旱季土下溶蚀速率的重要驱动因素;土壤含水量和供水能力是影响旱季不同土地利用方式溶蚀速率的关键因素;菜地由于受到人为活动影响，产生的酸性物质较多，土壤pH值最低，其平均溶蚀速率高于林地;土壤DOC随水下渗迁移性强，同土壤CO2浓度成为林地土下50 cm处溶蚀速率高于土下20 cm处的主要原因。

致谢:西南大学地理科学学院文志林老师，张治伟老师对实验给予指导，谢芳对写作给予帮助，特此致谢。

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