喀斯特典型生态系统土壤有机碳积累特征与稳定机制

陈香碧，何寻阳，胡亚军，苏以荣

（中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125）

中国西南地区的喀斯特地貌以其连续分布面积大、发育类型齐全、景观秀丽和生态环境脆弱而著称于世。其中，峰丛洼地是面积最大的喀斯特地貌类型，也是一类特殊的地表干旱缺水区，其物质能量循环相对封闭[1]。由石灰岩、白云岩和含有其他杂质的碳酸盐岩类岩石发育的喀斯特峰丛洼地区土壤呈中性至微碱性，土层浅薄，土壤的剖面形态、理化性质等都区别于同纬度地带性土壤[2-3]。喀斯特生境复杂，主要体现在地表出露岩石的非均匀性与地下岩石裂隙结构的多样性形成的多层生态空间结构，是造成喀斯特土壤空间异质性的重要原因[4]。喀斯特峰丛洼地土壤空间分布高度异质性表现为：由于岩石出露和裂隙极度发育，使得土壤在水平和垂直方向上分布不连续，土被极度破碎、土壤厚薄分布不均匀、土壤分布面积与土壤厚度之间没有关联。土壤空间异质性和土被不连续性不仅改变土壤养分和水分的空间分布[5]，同时造成传统的关于连续性土壤的研究方法在喀斯特区并不适用。因此，亟待研发反映喀斯特特殊立地环境的土壤研究方法和手段。

亚热带喀斯特森林系统的正向演替序列为草丛—草灌丛—灌丛—乔灌丛—常绿落叶阔叶林—常绿落叶阔叶混交林[6]。常绿落叶阔叶混交林为喀斯特森林顶级群落，其生态系统的组成和结构复杂，生态系统的物种多样性和结构多样性较高[7]。20世纪40年代至80年代，人口的急剧膨胀导致了尖锐的人地矛盾，人类为了生存，通过砍伐、垦殖、樵采、采矿、放牧、旅游开发和工程建设等方式对脆弱的喀斯特生态环境进行干扰与破坏，使其小气候环境及土壤发生了剧烈变化，生态服务功能失调，气温和地表温度增高，湿度降低，生境干旱化问题突出，造成绝大部分森林退化成草灌丛或草丛，部分地带甚至完全石漠化[8]。土壤是岩石、大气、水、生物等圈层的敏感交汇地带，土壤环境与植被演替和地下水运动之间存在明显的互动响应，其性质变化可以反映喀斯特生态环境变迁与演化。土壤微生物对生态系统演变响应灵敏，因此，探究土壤微生物属性对生态系统退化的响应规律，是对退化喀斯特生态系统进行恢复和重建的重要前提。

由于时间和空间分布的异质性，生源要素常常成为陆地生物多样性和生态系统功能的限制性因素[9]，只有在重要生源要素（如C、N、P等）的循环过程被充分认知以后，才可能对有关生态环境问题做出及时的、正确的决策[10]。土壤有机碳对于环境变化响应灵敏，其储量、组成、稳定性可作为衡量生态系统稳定性的重要指标，同时也是土壤健康与肥力水平的重要判断依据之一。喀斯特顶级植被群落的土壤有机碳含量均值高达66.21 g/kg[11]，远高于同纬度其他生态系统，但由于其土层浅薄且分布不连续，导致有机碳储量相对较低。此外，喀斯特自然生态系统一旦受到人为干扰而退化或开垦为农田（施肥）后，土壤有机碳快速丢失[12-14]。喀斯特生态系统具有高钙（碳酸钙）、微碱性、养分不均衡和水文过程迅速等特点，其土壤有机碳的组成、结构、稳定性及其微生物转化过程可能区别于其它生态系统。

基于此，中国科学院亚热带农业生态研究所苏以荣研究员带领团队依托中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站，在过去10年（2009—2018年）以典型喀斯特地区不同退化/恢复阶段生态系统土壤有机碳循环为核心研究内容，利用野外观测结合室内培养试验，采用碳同位素示踪结合微生物分子生态技术，从研究方法—基础理论—技术与应用层面围绕喀斯特非连续性土壤及其有机碳分布的研究方法、土壤微生物对生态系统退化的响应、土壤丛枝菌根真菌群落分布特征及其影响因子、土壤有机碳转化特征与稳定性机制、喀斯特土壤改良的关键技术等主题开展了深入研究。为庆祝建所40周年，本文对近10年的工作进行梳理，以期探讨喀斯特土壤生态系统对植被恢复或退化的响应规律，为喀斯特退化生态系统的重建提供科学依据，并在此基础上提出了下一步研究重点。

1 喀斯特非连续性土壤有机碳密度的研究方法

喀斯特峰丛洼地生态系统异质性极高，区别于同纬度地带性红壤，具体表现为地形破碎、岩石裸露、土层浅薄、土壤分布不连续。估算喀斯特地区土壤有机碳储量时，如何获得土壤的实际分布特征是亟待解决的难题。寻求一种快速有效的方法探测喀斯特土壤的分布特征，是准确估算该地区土壤有机碳密度及储量的前提。

传统连续性土壤的研究方法不能反映喀斯特土壤分布的实际情况。采用“插扦法”获得土壤平均分布数据，但由于喀斯特土壤生态系统异质性极高，依然不能获得较为准确的土壤分布数据，从而可能高估或低估喀斯特土壤有机碳库[15-16]。基于此，通过室内模拟试验，首先选择喀斯特地区3种典型质地土壤（砂质黏壤土、黏壤土、粉（砂）质黏土），建立探地雷达电磁波波速和土壤含水量的定量关系[17]。其次，在典型喀斯特峰丛洼地不同坡位选择典型样方（16个），根据模拟试验建立的电磁波波速和土壤含水量关系式探测土壤实地分布的三维图，并通过开挖验证和采样分析土壤有机碳，结果表明探地雷达技术可准确探测喀斯特土壤深度与分布[18-19]。将建立的探地雷达技术应用于估算面积为393.6 hm2的典型喀斯特峰丛洼地土壤有机碳密度，结果发现：该面积内0～20 cm和 0～100 cm土层土壤有机碳总储量分别为5 664.6 t和8 920.0 t，平均土壤有机碳密度分别为1.49 kg/m2和2.26 kg/m2；基于探地雷达技术获得的0～100 cm土壤有机碳平均密度是平均深度法和传统连续性土壤方法获得数值的89.8%和31.7%[20]。这表明平均深度方法和传统方法均会高估喀斯特地区土壤有机碳，而采用探地雷达技术探测土壤垂直分布，可以提高喀斯特地区土壤有机碳库的估算精度。以上研究首次将探地雷达技术应用于探测高异质性喀斯特土壤的分布。

2 喀斯特生态系统土壤微生物特征与土壤有机碳转化机理

2.1 喀斯特土壤微生物对生态系统退化的响应

喀斯特地区独特的地质背景和水文条件决定了其生态环境的脆弱性。在喀斯特峰丛洼地区，当地群众相对落后的生活习惯和重用轻养的粗放耕作管理方式，使得喀斯特生态系统遭受严重人为干扰，常常造成生态系统退化、直至石漠化，制约了当地社会经济的可持续发展。土壤微生物是对生态系统退化响应灵敏的重要指标之一。因此，探索土壤微生物对喀斯特生态系统退化的响应规律是喀斯特生态系统恢复与重建的重要前提。

基于桂西北喀斯特峰丛洼地区不同演替阶段生态系统的研究表明：随生态系统退化进程或干扰强度增加，土壤有机碳、微生物生物量碳逐渐降低，土壤水稳定性团聚体破坏严重[13,21-22]。变形菌是不同演替阶段土壤中的优势细菌，这与我国大部分陆地生态系统的研究结果一致[23-24]。与原生林土壤相比，退化生态系统土壤细菌优势类群显著改变，Proteobacteria明显减少（自然恢复地、农耕地和放牧+冬季火烧草地减少了30.2%～47.4%），Acidobacteria类群明显增加[25-26]。自然恢复地、放牧+冬季火烧草地与原生林地土壤中优势菌群（变形菌）的4个亚群丰度分布关系一致，均为α-＞δ-＞β-＞γ-变形菌，而农耕地则为 δ-＞α-＞β-＞γ-变形菌，说明自然恢复和放牧+冬季火烧草地对喀斯特土壤变形菌的恢复作用有限，而对变形菌4个亚群之间的分布关系有明显的正效应，尤其是自然恢复地中α-变形菌得到了很好的恢复，较农耕地增加了130%[27]。

在喀斯特生态系统植被恢复（草丛、灌木林、次生林、原生林）过程中，土壤铵态氮浓度降低、硝态氮浓度增加、氨氧化细菌多样性指数和均匀度指数增加，且氨氧化细菌群落结构与土壤氮素状态密切相关[28]。土壤微生物量碳和氮、土壤基础呼吸由草丛到灌丛到原生林依次上升，且土壤微生物恢复的效果因坡位而不同，尤其表现在表层土壤中[29]。与氨氧化古菌（AOA）相比，氨氧化细菌（AOB）对喀斯特植被恢复的响应更为灵敏，Nitrosospira仅出现在原生林和次生林阶段[30]。

基于喀斯特区原生林和人工林（马尾松）的研究表明，两种生态系统土壤中降解凋落物主要成分木质素的担子菌漆酶基因多样性和丰富度在cDNA和DNA水平上具有极高的一致性，但其群落结构差异极大，且两种生态系统中有机质的质量（木质素的单体组成）而非数量是决定活性担子菌漆酶基因多样性和群落结构的关键因子[31-32]。颗粒态有机质（POM）的相对活性组分（脂肪酸和烯烃类化合物）显著影响喀斯特土壤微生物群落，革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、放线菌和真菌等也显著影响POM组分（如脂肪酸），微生物群落（革兰氏阴性菌和放线菌）显著影响土壤有机碳的矿化，且微生物对SOC矿化的影响依赖于POM化学组成的变化[33]。以上研究结果说明，喀斯特生态系统退化伴随着土壤团聚体破坏、有机碳丢失、有机碳组分变化、微生物群落结构演替等，而微生物多样性和群落结构的恢复是一个漫长的过程。

2.2 喀斯特土壤丛枝菌根真菌群落分布特征及其影响因子

80%以上的陆地植物通过与真菌形成菌根，促进生态系统地上和地下部的碳与养分交流。据估计，植物固定的含碳化合物近20%为丛枝菌根真菌（AMF）所利用，后者对土壤有机碳库有重要贡献。同时，土壤AMF向植物提供氮、磷养分，提高宿主植物在贫瘠环境中的竞争力，从而提高宿主幼苗的定殖率，进而影响生态系统的结构与恢复进程；AMF分泌的球囊霉素是土壤有机碳、氮的重要来源。因此，AMF在植物群落的结构组成、演替和稳定性等方面具有重要生态学意义，在喀斯特退化生态系统的恢复与重建中具有巨大潜力。

采用分子生物学技术研究了喀斯特峰丛洼地典型生态系统及其代表性树种的根际与非根际土壤AMF多样性、分布格局与关键影响因素。结果表明：喀斯特生态系统灌丛、次生林和原生林AMF多样性无显著差异，且灌丛阶段AMF群落结构组成与原生林相似[34]，这与以往研究从细菌真菌多样性角度强调的灌丛阶段在喀斯特生态系统恢复过程中具有重要意义的结果相一致[35]。灌丛阶段典型植物的根均受AMF侵染，且豆科与非豆科植物的根内与根际AMF群落差异明显，土壤中Olsen-P、pH 和全氮是影响AMF群落结构组成的主要因子[36]，这与其他陆地生态系统基本一致[37-38]。

此外，AMF的多样性和群落结构因喀斯特土壤母质岩性（白云岩与石灰岩）而不同，其丰度表现为石灰岩＞石灰岩—白云岩夹层＞白云岩，且岩性主要是通过影响植物与土壤养分进而影响AMF群落组成结构[39]。AMF群落结构和丰度还受坡位影响，其丰度变化趋势为上坡位≈中坡位＜下坡位，这与喀斯特生态系统特有的“养分倒置”现象（上坡位≈中坡位＞下坡位）密切相关[40-41]。研究分离鉴定了2 属14 种AMF，其中幼套球囊霉是石灰土和黄壤共有的优势种，石灰土特有的AMF包括地球囊霉、白色球囊霉、双型球囊霉、象牙白球囊霉和细凹无梗囊霉，且土壤类型对AMF孢子密度，Shannon多样性指数以及侵染率具有显著影响[42]。以上结果说明，利用AMF等土壤有益共生微生物促进灌丛植被重建可能是喀斯特石漠化土地生态恢复的关键，且在此过程中需考虑岩性、坡位等植被立地条件，选择优势植物接种优势AMF种群是促进喀斯特退化生态系统恢复的重要措施。

2.3 喀斯特自然与农田土壤有机碳转化特征与稳定性机制

喀斯特土壤有机碳含量普遍高于同纬度的红壤丘陵区和红壤低山区[43]，这除了与喀斯特地区土层浅薄、裸岩率高、土壤量少有关外[44-45]，可能与喀斯特土壤特有的高钙特征和相对偏高的pH性质等密切相关。基于此，研究喀斯特自然与农田土壤有机碳积累特征、转化过程及其与钙的关系有助于揭示喀斯特土壤有机碳的稳定机制。

基于自然生态系统的调查发现，喀斯特峰丛洼地土壤团聚体的机械稳定性和水稳性以黑色石灰土＞棕色石灰土＞红壤，其中红壤有机碳主要分布在0.5～2.0 mm团聚体中，棕色石灰土和黑色石灰土有机碳主要分布在小团聚体中（≤2.0 mm），且有机结合态钙是棕色石灰土和黑色石灰土中有机碳的主要结合形式之一[46-47]。进一步基于14C同位素示踪技术结合室内模拟培养试验的结果表明：添加外源14C-秸秆对棕色石灰土和黑色石灰土中原有有机碳的矿化有负激发效应，而对红壤有正激发效应[48]；添加碳酸钙对土壤原有有机碳矿化的激发效应以红壤＞棕色石灰土＞黑色石灰土，且碳酸钙增加有机结合态钙，其增量在红壤、棕色石灰土和黑色石灰土中分别为2.14%、4.66%和10.23%[49]；黑色石灰土、棕色石灰土和红壤中微生物生物量在实验室条件和田间条件下的表观周转时间分别为254、243、71 d和380、365、106 d[48-50]，与我国其他旱地生态系统的研究结果处于同一数量级[51]；黑色石灰土总微生物生物量碳（MBC）含量显著大于棕色石灰土和红壤，而红壤总可溶性有机碳（DOC）含量显著大于石灰土[52]。同时，典型棕色石灰土和红壤在同样条件下培养100 d，棕色石灰土的CO2释放速率、累积释放量、累积释放率、土壤呼吸熵和DOC/SOC均显著低于红壤，说明棕色石灰土有机碳较红壤稳定[53-55]。以上研究结果均说明，土壤有机碳的稳定性以黑色石灰土＞棕色石灰土＞红壤，即黑色石灰土最有利于土壤有机碳的积累，且碳酸钙对喀斯特土壤有机碳的分解具有保护作用。因此，研究富含碳酸盐土壤的有机碳矿化，尤其是喀斯特地质背景发育的石灰土，应考虑无机碳酸盐分解对有机碳矿化的作用，并将这种作用纳入碳循环模型中，才能准确评估土壤无机碳对有机碳库的影响。

基于典型农田生态系统（牧草、玉米、大豆）的长期定位施肥试验结果表明：平衡施肥可提高牧草地土壤酶活性和活性有机碳组分[56]；增施钾肥可提高牧草的产量和品质（粗纤维含量）[57]；与秸秆替代部分化肥相比，牛粪或甘蔗灰替代30%～60%化肥对玉米—大豆系统作物产量、土壤活性有机碳组分和碳库管理指数的提升效果较好[58-59]。长期施肥（化肥或秸秆还田配施化肥）显著增加红壤中木质素组分C类单体的比例，其中水旱轮作地中C类单体含量及其占木质素总量的比例均显著低于旱地，石灰土则表现为V类单体比例的增加，表明农田土壤中木质素的积累具有单体特异性，且由于木质素三类单体的稳定性为V＞S＞C，因此石灰土木质素稳定性最高[60-62]。亚热带喀斯特区红壤和石灰土农田生态系统中的木质素含量远高于东北黑土[63]，这可能是因为东北黑土区土壤腐殖化系数较高，以木质素单体形式存在的有机质较少。另外，喀斯特区玉米—大豆轮作系统中有机物料（秸秆和有机肥）的施用可提高微生物生物量和土壤碱性磷酸酶，从而促进土壤有机磷矿化（有效磷大幅增加），且有机物料的施用改变了土壤中含碱性磷酸酶基因（phoD）的微生物群落结构，尤其促进了假单胞菌的相对丰度，达到“以碳促磷”的效果[64]。

3 喀斯特土壤改良技术与应用

3.1 土壤垂直漏失阻控技术

西南喀斯特峰丛洼地区雨季集中且降雨量大，水土流失极其严重。通过落水洞、漏斗等使土壤流失于地下系统是该区特有的水土流失方式，并且是导致喀斯特区农田土层浅薄、制约农田土壤肥力提升的一个重要原因。由于喀斯特地区落水洞大小不一、形状各异、分布零散，目前国内外尚无针对喀斯特地区土壤落水洞漏失阻控的有效方法。

基于此，研发了一种喀斯特峰丛洼地土壤垂直漏失的阻控方法[65-66]。其基本步骤为：将落水洞周围宽102 cm、深59～62 cm内土壤和岩石铲除；通过工程措施，以石灰岩或砖和混凝土为原料，在洞口周围砌两层间距48～52 cm的围墙，在内墙上预留圆形孔，每个孔内侧加不锈钢过滤网片；在孔中过滤网片外侧填充滤料后固定一层不锈钢过滤网片；在内墙顶部安置不锈钢骨架，骨架上铺放不锈钢过滤网片，沿墙体外沿安置不锈钢围栏，在围栏上方填充滤料（秸秆、生物质炭等），在滤料上方再加一层不锈钢过滤网片，并固定。该方法操作简便，适用于各种大小的落水洞，对土壤漏失的阻控效率达60%～80%，可在喀斯特地区广泛使用。

3.2 桑枝原位快速腐熟技术

蚕桑业是喀斯特贫困区农业新兴优势产业，为促进该区农业增效、农民增收和区域经济发展做出了重要贡献。桑叶生产过程中，为增加桑叶产量，促进桑枝萌发，每年需修剪桑枝2次。因此，桑叶生产区每年产生大量的桑枝。由于桑树具有高度木质化的特点，造成桑枝在自然条件下腐熟缓慢，严重妨碍了后续桑叶采集工作，降低了蚕桑业生产效率。当前，农村青壮年劳动力缺乏，采用科学技术降低劳动强度，提高劳动效率，改善劳动环境，对提高农民生产积极性，减少农村劳动力流失有重要意义。因此，探寻快速、高效、原位腐熟桑枝的方法，是提高喀斯特区蚕桑业生产效率的重要途径。

基于此，研发了桑枝原位快速腐熟的方法[67]。其基本步骤为：收集桑枝并粉碎，将桑枝碎屑与锯木屑、桑园表层土壤和尿素按一定比例混合，并调节含水量后置于室内富集培养7～8 d，获得含有大量桑园土著腐解桑枝微生物的制剂；于桑枝修剪后，在桑园土壤和桑枝表面撒施尿素用于调节腐熟环境的碳氮比，并撒施微生物制剂，可促进桑枝的原位快速分解，使桑枝基本腐解时间比自然条件下提前1个月以上。该方法也适用于大部分农作物秸秆的原位快速腐熟，在对腐熟条件针对性优化后，研发了南方农作物秸秆原位快速腐熟的通用方法[68]。该技术在喀斯特地区的应用，一方面有利于增加土壤有机质、提高土壤肥力，另一方面降低了农作物秸秆在原位土壤表面的腐熟时间，尤其是加快了桑枝腐熟，大大降低了劳动强度、提高了蚕桑产业的规模化发展，可大力推广。

4 研究展望

喀斯特峰丛洼地生态系统因其土被不连续，阻碍了喀斯特土壤研究的开展，也造成研究结果的代表性存在不确定性。基于探地雷达的方法虽能较为精确地估算喀斯特土壤实际分布情况，但使用探地雷达仪器成本高昂、操作复杂，不适宜开展大面积样地探测。因此，未来可在考虑坡位、土地利用、植被等立地环境因素的前提下，采用探地雷达技术探究喀斯特土壤分布的规律性特征，构建喀斯特土壤分布模型，从而提高喀斯特生态系统研究成果的代表性、并降低其研究过程的难度。

近年来，通过实施石漠化综合治理、生态移民、退耕还林还草、水土流失治理等一系列生态工程，喀斯特区域生态治理已初见成效，植被恢复进程较快，石漠化扩展的趋势得到有效遏制。然而，土壤物理、化学、生物学性质及其生态功能的恢复进程远远慢于植被恢复。土壤是植被生长与演替的重要基础，为巩固植被恢复效果，亟需加强喀斯特土壤生态过程的研究，并采取合理措施促进土壤性质的正向演替进程。

土壤有机碳作为生态系统演变和土壤质量的重要评价指标，其含量、组成、结构和稳定性直接驱动生态系统的演替方向。过去研究已明确喀斯特土壤中碳酸钙对有机碳的保护作用，但其内在的物理、化学和生物学机理尚不清楚。微生物是土壤生态系统中极其重要和最为活跃的组分，在土壤养分循环、生态系统稳定性中占据主导地位，并控制着土壤有机碳转化的关键过程。在特殊地质背景下形成的喀斯特土壤，其有机碳转化以及与养分循环的耦合过程区别于同纬度地带性土壤，但目前喀斯特土壤关于微生物机理的研究非常薄弱，有待进一步加强。