岩溶生态系统退化与土壤有机碳贮量

李小永,田小琴

1.贵州省林业调查规划院 贵州 贵阳 550005；2.贵州省核桃研究所 贵州 贵阳 550005

岩溶生态系统是一开放系统，它与碳循环相耦联，成为岩溶地学、岩溶环境学、岩溶生态学的研究热点[1-19]。中国南方活跃岩溶区以贵州为中心，贵州岩溶面积占贵州总土地面积的73%[7]。由于岩溶区地质地貌特性的影响，加上人口数量剧增，岩溶植被产生逆向演替过程，即由顶极群落常绿落叶阔叶混交林演变为岩溶灌丛——>岩溶草坡——>岩溶石漠化[8]。土壤有机碳是土壤肥力中极为重要的一个指标，土壤有机碳的多少与植被状况、土壤生物特性等紧密地联系在一起，岩溶作用及其过去环境变化研究等方面均与岩溶土壤有机碳密切相关[9]。同时，土壤有机碳的变化与土壤作为大气CO2源、汇库而表现出对温室效应的贡献[10]。Houghton 等研究指出，1850 年以来，全球大气CO2浓度由285μL·L-1升高到90 年代末的365μL·L-1，其相当比例来自强烈的湿地演变和土地利用变化[4-5]。Eswaran 等的研究表明，全球森林土壤有机碳库约600Pg，占全球SOC 库的40%左右[3]。全球土壤在最近历史时期损失的有机碳碳库约50Pg。而土壤有机碳森林破坏和随后的土地利用方式实际上对土壤有机碳影响最大，而森林土壤碳蓄积量的微小变化将导致大量CO2释放到大气中，加剧温室效应，导致气候变化，危及人类生存发展[7]。土壤溶解性有机碳DOC(dissolved organic carbon)是土壤中另一类活动性的重要的有机组分，它既影响环境的酸碱特性，也影响营养物质的有效性、污染物质的毒性及其迁移特性，在土壤形成过程中能促进矿物的风化，它还是微生物生长和生物分解过程中的重要能量来源[30]。Blair 等[1]认为，对于农林可持续发展系统来说，土壤碳库容量是很重要的因子，其变化主要发生在溶解易氧化碳库存量。Biederbeck 等[2]人通过动力学研究指出，土壤有机质的短暂波动主要发生在易氧化易分解部分，并选择易氧化碳、可矿化碳及微生物量碳作为土壤溶解性有机碳的指示因子。土壤DOC 的淋失是土壤有机碳损失的重要途径，它作为一项环境指标，对研究碳循环与环境有重要意义。因此，研究岩溶生态系统退化过程下的土壤有机碳的变化有助于进一步深入研究土壤有机碳与环境间的相互关系。

1 研究点概况及材料与方法

1.1 研究点概况

贵州省荔波县茂兰岩溶区，东经108°，北纬25°，年平均温度15.3℃，多年平均降水量1752 mm，年平均相对湿度83%，属典型的亚热带温湿气候区；母岩主要为古生代石炭纪摆佐组（C1b）的浅灰、灰色厚层至块状细-中粒白云岩等较为纯质的碳酸盐岩石类型。研究点选择在荔波岩溶原生性常绿落叶阔叶混交林保存较好的荔波必佐。并在其附近受到破坏的地点选择灌丛、草地各一个点作为不同岩溶生态系统条件下的土壤定位取样点。土壤基本性状见表1。

表1 研究点土壤的基本性状Tab.1 Basic properties of soil at the research site

1.2 样品及分析

1.2.1 采样

考虑到不同时期植物生长过程中存在着不同量的有机物质归还，土壤有机碳含量相应会改变，为综合评价不同生态条件下土壤有机碳的真实含量，为此设计按季节和土壤的发生层次进行样品的采集工作，每3 个月采一次，计4 次。每次采集森林、灌丛、草地剖面各层次土壤样品1kg。鲜土样采集好后送到实验室，约1/3 量样品风干处理，作为全量有机碳的测定样品，其余鲜样过2 mm 筛，以去除根系和石砾，4℃冰箱保存，作为土壤DOC(溶解性有机碳)、微生物量碳测定之用。并在7 月份植物生长最旺盛时分别在三种岩溶生态系统中土壤剖面附近5 m2范围内按照植物多少采集各种植物鲜叶混合样作为鲜叶稳定碳同位素分析样。

1.2.2 样品分析

1）DOC 测定方法：采用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提，K2CrO7容量法，重复三次。

2）土壤微生物量C 测定：采用Vance[14]的CHCl3熏蒸24 小时，与不熏蒸的比较，采用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提，K2CrO7容量法，三次重复。

3）土壤全C 采用外加热法，K2CrO7消化，标准FeSO4滴定，三次重复。

4）稳定碳同位素样品分析：

①植株样品用蒸馏水洗净，低温烘干，粉碎。

②土壤风干后，磨过100 目，按1/10 液：土的比例加入0.5N HCl，恒温摇床摇1 小时后，静置24 小时以去除土壤中的无机碳，之后用去离子水洗到无Cl-为止，低温烘干，磨细。

③有机碳δ13C值的测量：先通过熔封石英管高温燃烧法获取CO2，经酒精液氮法纯化处理后，用MAT252 型质谱仪测定CO2气体的δ13C值，采用PDB 标准，测定误差±0 1‰。δ13C值由国际通用标准形式给出:δ13C=(R样-R标)/R标×1 000‰(R=13C/12C).

2 结果分析

2.1 生态系统退化过程中土壤全量有机碳

岩溶森林土壤具有较高的碳贮量，表层土壤含有高达87.12±35.10 g·kg-1的有机碳，整个剖面的有机碳含量均高，而且下部土壤层次的碳含量较之其他植被类型的下部土壤层次高（见表2），生态系统从森林-灌丛-草地的退化过程来看，土壤总有机碳贮量的变化也发生与这一过程相关的锐减现象。这一方面表明了森林条件下岩溶土壤具有的高有机碳贮量，且这一高贮量与整个土壤层次有关，说明森林能够提供大量有机碳并贮存在土壤中。另一方面也说明岩溶森林植被的破坏，土壤有机碳贮量将显著减少，这一减少，绝大多数的碳均释放到大气，意味着岩溶森林生态系统的退化过程中岩溶土壤成为了大气CO2的源。这是最直接的对环境的影响。而土壤有机碳的减少，相应地减弱了对岩溶作用的驱动力[10]，作为大气效应的岩溶作用的减弱[12]，也从另一个角度说明了岩溶生态系统退化过程中岩溶系统对大气CO2浓度增加的效用。虽然也存在大气CO2浓度增加导致的施肥效应[13]，但岩溶生态系统退化过程中土壤有机碳的显著减少的确也是一个不争的事实。

表2 岩溶生态系统退化下土壤总有机碳的变化Tab.2 Changes of soil total organic carbon under karst ecosystem degradation

2.2 岩溶生态系统退化过程中土壤微生物量碳

土壤微生物量(SMB)是指土壤中体积小于50 μm3的生物总量，它是活的土壤有机质部分，但不是活的植物体如植物根系等。土壤微生物量是土壤有机质和土壤养分C、N、P、S 等转化和循环的动力，并参与土壤中有机质的分解、腐殖质的形成、土壤养分的转化循环等各个生化过程。土壤微生物量又是土壤养分的储库，作为土壤肥力水平的活指标。一般是先测定土壤微生物量碳，然后根据微生物体干物质的含碳量(47%)换算为微生物量，有时直接用微生物量碳来表示。环境的改变会导致微生物量碳的改变[6]，微生物在其生命活动过程中不断同化环境中的碳，同时又向外界释放碳素(代谢产物)。其完成自身生命活动的更新所需时间为0.14～2.5 年，常作为土壤碳素循环的重要指标之一[29]。

表3 中显示出：岩溶森林条件下，土壤微生物量碳的含量极高。在森林-灌丛-草地下岩溶土壤中，土壤微生物量碳含量的多少的顺序也与植被的排序一致，且无论是表层还是下层土壤均以森林土壤具有较高的土壤微生物量碳，而尤其在亚表层，森林土壤微生物量碳含量极显著地高于灌丛和草地，而灌丛地的又极显著地高于草地，根据朴河春等对贵州岩溶地区农业土壤中微生物量碳的季节性动态变化的研究，结果表明微生物量碳与气温间有明显关系，而土壤微生物量碳被消耗时，土壤表层CO2的释放量也增加[31]，表明微生物量碳具有指示岩溶土壤作为调节大气CO2源的作用。表明森林土壤碳的活跃程度，土壤营养循环强度，同时也表明森林土壤中微生物的生物多样性好于受破坏岩溶植被系统。因此，岩溶森林生态系统的破坏，意味着岩溶土壤微生物多样性的破坏，土壤供肥能力的快速转化能力下降，导致破坏后的岩溶土壤生产力下降。也使得岩溶土壤成为大气CO2的源，从而对全球环境产生一定程度的影响。

表3 岩溶生态系统退化下土壤微生物量碳的变化Tab.3 Changes of soil microbial biomass carbon under karst ecosystem degradation

表4 岩溶生态系统退化下土壤溶解性有机碳的变化Tab.4 Changes of soil dissolved organic carbon under the degradation of karst ecosystem

2.3 岩溶生态系统退化过程中土壤溶解性有机碳

从岩溶各系统中可知，尽管三种植被条件下土壤DOC 含量无显著差异，表明岩溶生态系统的退化，并未显著影响到岩溶土壤DOC 的量，但从三种植被条件下的含量大小来看，以森林植被最高，而以灌丛地最低，草地的DOC 含量高于灌丛地，从这一结果可以看出，退化岩溶系统-草地，其DOC 含量较之灌丛地高，指示了土壤有机碳加速损失的一个方面。而岩溶森林土壤中DOC 高与大量森林有机物质的供应有关。

2.4 岩溶生态系统退化过程中土壤有机碳稳定同位素变化

由于植物光合过程中最初产物的不同，植物可分成C3、C4 和CAM 植物三种类型。这三类植物利用大气中的12CO2、13CO2的量存在着巨大的差异，从而导致植物体具有不同的δ13C 值。C3 植物的δ13C值范围为-24‰～-40‰，平均值为-27‰；C4 植物的δ13C值在-9‰～-19‰之间，平均为-12‰；CAM植物δ13C值在-10‰～-23‰，平均值为-17‰。CAM植物很少，仅分布在仙人掌科和凤梨科中，因此，自然界中以C3 和C4 植物为主。

从图1 可知，岩溶系统中的森林、灌丛植被植物叶混合样的稳定碳同位素δ13C值较轻，为-29.308‰和 -29.118‰，系比较典型的C3 植物类型，但灌丛植被的碳稳定同位素值略高于森林植被，表明植被产生了一定的变化。而草地植被的稳定碳同位素δ13C值则较重，达到-15.043‰，表现出明显向C4植被变化的特点，表明岩溶生态系统在从森林到灌丛再到草地的退化过程中，植被的光合途径发生变化，植物由C3 植物变为C4 植物类型。而从岩溶土壤有机碳的稳定同位素δ13C值森林下为-26.15‰，变为灌丛下的-25.44‰，变化较小，表现出与植物叶的稳定碳同位素变化较为一致的现象，而变为草地系统后，土壤的稳定碳同位素δ13C值则显著增重，达到-20.83‰，也同样表现出与植被的碳同位素值相同的变化。表明土壤有机碳在生态系统退化过程中，随着加入有机碳的类型而改变，在植被由C3 类型变为C4 类型时，土壤有机碳也同时在变重。

图1 岩溶生态系统退化过程中植被-土壤有机碳稳定同位素变化Fig.1 Stable isotope changes of vegetation-soil organic carbon in the process of karst ecosystem degradation

3 小结

综上所述，岩溶生态系统退化过程中，土壤有机碳贮量发生显著变化，呈现出岩溶生态系统由森林-灌丛-草被的变化过程中，总有机碳贮量显著下降，这一过程使岩溶土壤由大气CO2碳汇变成碳源，对大气环境产生不利影响。而植被类型也由C3 植被向C4 植被变化，使土壤有机碳呈现变重的趋势。在土壤碳贮库发生改变的同时，土壤活动性有机碳组分中的微生物量碳也发生变化，在B层土壤微生物量碳显著下降，但土壤中溶解性有机碳含量并未产生显著差异，这可能是退化岩溶生态系统土壤有机碳下降的一个原因之一。因此，有效-防止岩溶生态系统的退化，将显著促进岩溶生态系统在全球变化中作为大气CO2汇的作用，同时，对于岩溶生态系统生物多样性的保护等方面具有重要作用。