气象要素及土壤理化性质对不同土地利用方式下冬夏岩溶作用的影响

刘 文，张 强，贾亚男

(1.西南大学地理科学学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715;2.国土资源部岩溶生态环境-重庆南川野外基地，重庆 408435;3.中国地质科学院岩溶地质研究所，联合国教科文组织国际岩溶研究中心，国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室，桂林 541004)

已有研究表明，岩溶作用所形成的碳汇是快速［1］、稳定的［2-3］，对碳增汇意义重大［4］。土壤圈处于大气圈、水圈、岩石圈、生物圈界面地带，与其余几圈层联系紧密，物质能量信息交流转换频繁。土地利用方式变化使几圈层环境因子发生相应改变，通常情况下，在岩溶区随土地利用方式从林地向耕地转换，土壤养分含量降低［5］，土壤结构稳定性降低［6］，持水性能变差［7］，土壤微生物含量降低［8-9］等都会对岩溶作用产生影响。

近些年来土地利用对岩溶作用影响的研究已在不同地区展开并取得了有意义的成果［10-14］，但未见在相同地质背景、受人类活动影响程度差异显著的土地利用方式下，不同季节、不同深度同时研究的先例。本文以川东平行岭谷区重庆青木关典型岩溶槽谷区为例，利用溶蚀试片法结合对应点土壤容重、含水量、CO2含量、有机质、pH等指标，探讨不同土地利用方式对冬夏两季岩溶作用的影响，为更准确地评估岩溶碳汇效应提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

青木关岩溶流域位于重庆市北碚区、沙坪坝区和璧山县的交界处，处于川东平行岭谷区华蓥山帚状褶皱束温塘峡背斜南延段，为“一山二岭一槽”式的典型岩溶槽谷流域。地势总体表现为北高南低，南北高差约300m。区内地质背景为隔挡式地质构造，背斜轴部出露地层为三叠系下统嘉陵江组(T1j)碳酸盐岩;两翼为三叠系中统雷口坡组(T2l)碳酸盐岩和三叠系上统须家河组(T3xj)砂页岩(图1)。

本区属于亚热带湿润季风型气候，冬暖夏热，夏季较长，常出现高温、湿热及暴雨天气。多年平均气温为18℃，多年平均降水量为1000mm，主要集中在4—10月，特别是6—8月。区内植被主要有亚热带常绿针叶林和阔叶林等，土壤类型主要有地带性土壤黄壤和非地带性土壤石灰土，石灰土土层较薄，多小于1m，洼地中分布水稻土且土层较厚，约1—2m。

图1 研究区水文地质及土地利用简图Fig.1 Schematic map of hydrogeology andlanduse in Qingmuguan karst valley

1.2 研究方法

1.2.1 试片埋放

图2 试片放置示意图Fig.2 Location of the testing limestone tablets

采用标准溶蚀试片法［15］，在流域内灰岩区竹林地、旱地、水田、荒地、退耕林地及杉竹混交林地6种不同土地利用方式区各选择了一个代表性点挖掘剖面埋置试片，试片分别埋置在地表、土下20cm、土下50cm、土下80cm(图2)，共埋放纯灰岩试片 46片(因竹林土层浅薄，至土下50cm已达基岩，因而缺失80cm层位试片)，取回45片(冬季杉竹混交林地表试片丢失)。试片埋放时间分别为冬季:2009年11月13日——2010年3月24日，夏季:2010年6月15日——2010年9月15日。同时，在夏季埋放试片时取对应于试片埋放层位土样进行土壤容重、孔隙度、含水量、有机质含量、pH等的分析，各取样点概况见表1。

试片取出后用下式计算试验时间内试片单位面积溶蚀量［12］:

式中，ER为单位面积溶蚀量(mg·m-2·d-1);W1为试片初重(g);W2为试片取回后烘干重量(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28.91cm2)。

1.2.2 测试方法

土壤CO2浓度用GASTEC-CO2测试仪测定;土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法;土壤含水量采用酒精燃烧法;容重、孔隙度采用环刀法;土壤pH测定使用酸度计法［16］。

表1 土壤取样点概况Table 1 General situation of soil sample sites

2 结果与分析

2.1 不同季节溶蚀速率

表2列出了各土地利用方式下冬夏两季平均溶蚀量及其比值，从中可以很明显地看出:总体上，冬夏两季溶蚀量差异显著，夏季各点平均溶蚀量为冬季的约3.87倍;就不同土地利用方式而言，也均是夏季的大于冬季的，只是不同点的变化幅度不同，平均溶蚀量比值(夏季/冬季)从小到大依次为荒草地、水田、杉竹混交林、旱地、竹林、退耕林。造成季节变化的主要原因可能跟研究区处于亚热带季风气候区，夏季降水量大气温高，冬季降水量少气温低及受其影响的土壤层生物活性强弱有关。除共同影响因素降水量和热量外，造成不同点变化幅度差异的原因可能不同，退耕林、杉竹混交林、竹林虽局地坡度较小，但都处于山坡地带，从取样点到坡脚(即洼地边缘)坡度较大，分别约为 35°、40°、30°，三者与相距最近洼地底部海拔差值分别约为70m、60m、50m。高差大可能会使土壤水更容易流失向洼地汇集，而使其含水量降低，从而影响岩溶作用的进行。在降水多的夏季土壤水流失后很快补给，对岩溶作用的影响不明显，溶蚀量较大;而在相对干旱的冬季坡地土壤水流失后则很难补给，溶蚀量大大降低。而同处坡地的荒草地冬夏溶蚀速率变幅相对较小，这可能与其距洼地底部垂直高差较小(约10m)，土壤水流失相对较少，冬季地表仍有草被覆盖，蒸发减少使土壤水易于保存有关。处于洼地最底部的水田即便是在冬季也保持着较高的土壤湿度［17］。而旱地靠近两洼地间较为平缓垭口北侧，东侧为道路，南侧为居民点，西侧为小道，集水区域较小，且所集水多通过道路旁水沟集中排至洼地底部，使冬季土壤含水量较少，这可能是造成其冬夏溶蚀速率差别较大的原因。

表2 青木关流域不同土地利用方式下冬夏平均溶蚀量及其比值Table 2 Mean corrosion rate of different land-use types in Summer(S)and Winter(W)and its ratio(S/W)，Qingmuguan

2.2 不同人类活动影响强度下的溶蚀速率

本文中人类活动影响强度的界定以定性为主，将水田、旱地两种受人类活动直接影响，有耕作、施肥、喷洒农药等措施，且利用强度较大的土地利用方式定义为强;将退耕林、荒草地两种因退耕还林还草计划而从农用地转换出来，人类活动影响逐渐变弱的土地利用方式定义为中;将杉竹混交林、竹林两种常年为林地，受人类活动影响较少的土地利用方式定义为弱。

表3所列左侧数值均为属于该强度的两种土地利用方式溶蚀量的平均值。从表中可以看出在夏季3种不同强度土地利用方式溶蚀速率均较快，但强强度和中强度的平均溶蚀量较为接近，而比弱强度的大得多。这可能与夏季雨热配套，作物生长活跃，农事活动频繁，特别是有机肥及化肥中硝酸盐、硫酸盐成分随水分进入土壤，从而增强了对试片的溶蚀。而对中强度土地利用方式而言，退耕前所施肥料已消耗殆尽，对其溶蚀的影响也极大降低。而弱强度土地利用则基本无此影响。而在冬季温度较低，降水也少，农田中农作物相较夏季少地多而基本处于闲置状态，且并无施肥，这可能是造成各强度土地利用方式溶蚀量均较小且差别不大的原因之一。

表3 青木关流域不同人类活动影响强度下溶蚀速率差异Table 3 The corrosion rate range under different human influence intensity，Qingmuguan

2.3 不同深度条件下的溶蚀速率

图3 青木关冬夏两季不同土地利用方式不同层位单位面积平均日溶蚀量Fig.3 Daily average dissolution rate per unit area of the limestone tablets at different depth under different land use patterns in summer＆winter in Qingmuguan

表4是各点各层位总平均溶蚀量占全年溶蚀量的比例，结果是:夏季各值均介于21.77%—34.15%之间，地表至-20cm处微减，然后逐渐增加，最大值出现在-80cm处，最小值出现在-20cm处(与地表差别不大);冬季各值介于19.20%— 28.31%之间，地表至-20cm处增至最大，然后逐渐减小，最大值出现在-20cm处(与-50cm处差别不大)，最小值则在地表.两相对比，发现最大溶蚀量由夏季的-80cm处上移至冬季的-20cm和-50cm处(图3)。

这可能跟夏季太阳辐射强烈，气温高，可以将热量传递到到较深的土壤层，土壤温度总体较高。另外，深部土壤孔隙度较低，容重较大，利于水分的保持，从而使水分和CO2作用的时间加长，最终使深部溶蚀量增大。而冬季太阳辐射相对较弱，气温低，热量传递深度有限，可能至-80cm处已衰减，土壤温度较低可能是影响岩溶作用进行的限制因子。

表4 青木关冬夏两季不同土地利用方式不同层位石灰岩试片单位面积日溶蚀量比例及对应极值及其比值Table 4 The ratio of different depth，extreme value and its ratio of daily average per unit area dissolution rate of the limestone tablets under different land use patterns in summer＆winter in Qingmuguan

3 讨论

3.1 温度

温度是环境要素的重要组成部分，对地球表层系统的物理、化学、生物过程都有很大影响，岩溶作用作为重要的地表过程，同样深受温度因子影响。

相关研究发现:温度可直接影响溶蚀的化学反应过程，40—90℃以下含CO2水溶液对碳酸盐岩的溶蚀强度随温度的升高而增加［18-19］。温度同样可以影响土壤呼吸，包括根系呼吸作用、土壤微生物活动，表现为夏季呼吸作用最强，冬季最弱［20-21］。

图4为青木关流域在研究时段内的气温变化情况，11月至次年2月温度最低，6月至9月气温最高。而土壤温度与气温往往会保持较好的对应关系［20］，即气温高的时候土壤温度也高，反之亦然。

图4 青木关流域逐月平均气温分布图Fig.4 The monthly mean temperature，Qingmuguan

试片埋设的夏季几个月份平均气温是冬季的2.94倍，而夏季平均溶蚀速率是冬季的3.87倍，具有较好的对应关系，这可能说明温度在试片溶蚀过程中起到了较为重要的作用。

3.2 水分

土壤水分是土壤的重要组成成分，也是影响土壤物质能量转换的重要因素［18］，其主要来源为大气降水。其不仅能为植物和微生物活动提供水分，且因其能够溶解和运送土壤养分，而成为土壤生态系统中物质循环和能量流动的媒介，在土壤矿物质迁移转化过程中具有重要作用。在岩溶系统，土壤水则可以通过影响土壤微生物、土壤CO2、土壤有机质及其它物质的溶解影响溶蚀作用。

从图5可以看出，研究区夏季降水远大于冬季，埋放试片的6—9月降水量约为12—3月的5.76倍，也与夏冬溶蚀速率比率3.87较为接近。另外，各点夏季平均土壤含水量随深度增加而增加(图6)，与各点夏季除表层外其余层位平均溶蚀速率变化趋势一致。而表层溶蚀量较大则可能与有机质含量远高于其它层位，有更多有机酸参与溶蚀有关。此外，研究区前人研究成果表明在冬季水田、荒草地、旱地平均土壤含水量分别为 44.27%、36.86%、17.65%［17］，与对应土地利用方式平均壤中溶蚀量的变化趋势相同(图3)。说明降水量也可能同样是决定溶蚀速率的较为重要的因素之一。

图5 青木关流域一水文年内分月降水量Fig.5 The monthly total precipitation of a water year in Qingmuguan

图6 青木关夏季不同土地利用方式不同层位土壤含水量Fig.6 Soil moisture contents at different depth under different land use patterns in summer in Qingmuguan

3.3 土壤CO2

土壤CO2来源于植物根系呼吸作用、土壤生物(含微生物)活动、有机质分解及与近地表大气交换等途径，其含量受土壤理化性质影响下的通气性、土壤生物化学过程的强度、气象条件及上覆植被等因素控制。所以，不同土地利用方式、相同类型土地利用方式不同深度条件下，土壤CO2含量差异显著。

土壤 CO2是岩溶作用重要的驱动力［4，15］，很多学者［22-25］做过相关研究，认为含量［23-25］或不同深度处的浓度差［22］与溶蚀速率成正相关，但一直没定论。为研究青木关岩溶槽谷区土壤CO2含量与溶蚀作用的关系，在埋置及取出试片时分别测定了剖面附近土壤中-20cm、-50cm处CO2的含量(表5)。

表5 青木关冬夏两季-20cm和-50cm日单位面积溶蚀量及其对应的CO2含量Table 5 Daily average per unit area dissolution rate of the limestone tablets and the corresponding CO2content at-20 cm and-50 cm depth under different land use patterns in summer＆winter in Qingmuguan

从表5中可以看出不同土地利用方式下CO2含量不同，且除冬季水田外其它点CO2含量都随深度的增加而提高，只是增加的幅度不同，水田-50cm处变小可能是与其较高的土壤含水量致土壤空隙多被水占据而使气体较难进入有关。与相应层位的溶蚀数据对比可以发现，夏季除退耕林、荒草地外，其它点二者变化趋势一致，即-50cm＞-20cm;冬季却出现了与传统认识不同的地方，除荒草地外，其它点-50cm处的溶蚀量并未随CO2含量的增加而增加，而是减少。说明CO2并不是控制夏季退耕林、荒草地及冬季各点溶蚀的主要因素。

对比表5和图5可以发现在土壤水含量较大的夏季，溶蚀速率与土壤CO2含量呈正相关，二者变化趋势相近;而在冬季，土壤含水量相较夏季少得多，使得溶蚀速率与土壤CO2的关系没那么紧密。这可能与土壤CO2有效利用程度有关，即在CO2浓度一定的情况下，适当多的土壤含水量利于二者相互作用形成对碳酸盐岩具有侵蚀性的碳酸，进而提高岩溶作用强度。如果含水量过低则会造成CO2过剩，而使二者不能充分反应，不利于溶蚀作用的进行。

3.4 土壤有机质和pH

土壤有机质是指土壤中的各种含碳的有机化合物，是土壤的重要组成部分，是表征土壤肥力的重要指标，含量虽少，但对土壤的理化生性质影响很大［26-27］。除竹林地表层外，土壤pH值与土壤有机质含量成反相关关系，即土壤有机质含量越高，土壤pH值就越低(图7)。

图7 青木关不同土地利用方式土壤有机质与土壤pHFig.7 Soil organic matter and pH under different land use patterns in Qingmuguan

对于有机质含量和pH值对碳酸盐岩溶蚀速率的影响，不同研究者得出的结论不同。有的认为溶蚀速率与有机质含量成正比、与pH值成反比［28］，有的认为在有机质含量高的情况下这一关系才存在［29］，还有的认为二者之间并不存在明显的相关关系，而是各种环境因子综合作用的结果［30］。

对比图3、图7可以看出在夏季有机质含量最高、pH值最低的表层其溶蚀速率并不最高，低于-50cm、-80cm处的;但其也不是最低的，高于-20cm处。但地表CO2含量(约300μL/L)与大气的相似，仅为-20cm、-50cm等较深处的1/6—1/67，说明在地表溶蚀中发挥主要作用的可能不是CO2，而是有机质和pH。而从-20cm、-50cm到-80cm处溶蚀量逐渐增加，而有机质含量逐渐减少，pH值逐渐增大说明除表层外，其它层次的溶蚀速率受此二者的影响变小。

3.5 土壤孔隙

土壤孔隙是土壤颗粒间存在的空间，是液态、气态物质在土壤中运移的通道，是土壤重要的物理性质，影响着土壤的水热状况。评价指标一般为土壤孔隙度和土壤容重，而二者为反相关关系。

如图8所示，各土地利用方式地表孔隙度、容重较为接近，从地表到-20cm土壤孔隙度下降幅度较大，土壤容重大幅增加，而各点-20cm与-50cm、-80cm处的土壤孔隙度和容重变化较小。可能与有机质含量在表层至-20cm处大幅减少，-20—-80cm范围有机质含量较少且变幅不大有关。

各点平均土壤孔隙度从大到小依次为荒草地(49.75%)、竹林(48.41%)、杉竹混交林(46.27%)、退耕林(46.03%)、旱地(33.51%)，土壤质地分别为轻黏土、轻黏土、中壤土、中壤土、砂土［31］，基本上与夏季各点溶蚀速率(图3)呈反相关关系。在降水量大的夏季，如土壤过于黏重，粘滞力强循环慢［32］，不利于pH值较低侵蚀性较强雨水的快速下渗，减弱了溶蚀作用。而砂土相对松散，土壤水可快速通过［32］，从而使单位时间内通过的侵蚀性较强的水量多于壤土，从而增强了溶蚀。而在冬季，轻黏土和中壤土较好的持水作用使土壤含水量较高，促进了溶蚀作用的进行，荒草地、杉竹混交林、退耕林溶蚀速率依次减小。旱地CO2含量不高却保持较高溶蚀速率，可能与其表层土壤孔隙度较大属轻黏土，向下层迅速转换为砂土，水分、空气易于向下运动却不易向上散发，可使土壤CO2与土壤水充分作用有关。

图8 青木关不同土地利用方式土壤孔隙度与土壤容重Fig.8 Soil porosity and soil bulk density under different land use patterns in Qingmuguan

4 结论

实验结果表明，研究区冬夏两季岩溶作用强度存在较大差别:夏季各点壤中平均溶蚀量为冬季的3.87倍，但不同点冬夏差异不同。且最大溶蚀量从夏季-80cm处上移至冬季的-20—-50cm处。

人类活动强度对岩溶作用影响显著，夏季农事活动较多人类活动影响强度大的水田、旱地平均溶蚀速率高于人类活动影响逐渐减弱退耕的退耕林、荒草地的，而受人类活动影响最少的竹林、山竹混交林则最小。冬季农事活动少，各点差值变小。

分析发现，热量和水分仍是影响土壤中溶蚀速率的最基础因素，二者呈较好的正相关关系，部分其它因素通过对其调节而影响岩溶作用。

土壤CO2在土壤水分较为充足的夏季对岩溶作用影响明显，二者均随深度增加。但在冬季CO2两者关系并不明显，可能受降水量较少限制。由于地表CO2含量低，其对表层溶蚀作用影响有限。

土壤有机质与土壤pH呈反相关关系，二者对溶蚀速率的影响具有协同性。在有机质含量高，pH值低的表层对溶蚀作用影响较大，在深层由于有机质含量迅速减小、pH升高而影响不明显。

土壤孔隙对溶蚀作用的影响是双向的，对于孔隙度大偏黏土壤而言，利于土壤水分的保持，但不利于其渗透，在冬季降水量少的情况下，有助于增强溶蚀;夏季降水虽多但受渗透率限制，影响了溶蚀的进行。而沙质土则相反，渗透率较高，降水可迅速穿透，促进了溶蚀，但持水性能相对较差，降水少的冬季可能限制溶蚀作用。

致谢:西南大学地理科学学院张治伟老师，张兴波，王开然，张德怀，李静文，薛倩倩，颜赫等在野外取样，室内实验中给予帮助;国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室章程研究员、蒲俊兵博士在论文写作上给予帮助，特此致谢。

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