李光超，曹建華，張 會(huì)，劉 姝，郭 芳

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，國(guó)土資源部/廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；2.濱州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究所，濱州市環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濱州 256600)

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典型巖溶區(qū)板栗樹下土壤CO2遷移動(dòng)態(tài)研究
——以廣西隆安縣巖溶區(qū)為例

李光超1,2，曹建華1，張 會(huì)2，劉 姝2，郭 芳2

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，國(guó)土資源部/廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；2.濱州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究所，濱州市環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濱州 256600)

為了研究巖溶區(qū)板栗樹下土壤CO2遷移動(dòng)態(tài)，以廣西隆安縣典型巖溶區(qū)為例，測(cè)定了板栗樹下土壤CO2濃度、CO2釋放量、巖溶溶蝕量以及在季節(jié)上的變化。結(jié)果表明，土壤CO2濃度在土壤剖面上為先增大后減小，最大值出現(xiàn)在40或60 cm深處，土壤CO2濃度冬季<秋季<春季<夏季，土壤CO2濃度與土壤含水率、空氣溫度有密切的正相關(guān)關(guān)系；除夏季外，土壤CO2釋放日動(dòng)態(tài)變化為下午>上午>晚上，夏季為上午>下午>晚上，在季節(jié)上土壤CO2釋放量由大到小為夏季>春季>秋季>冬季，這與土壤CO2濃度變化規(guī)律一致，土壤CO2釋放量與土壤含水率和空氣溫度呈極顯著性正相關(guān)；土壤剖面上溶蝕量由小到大為-5 cm<-30 cm<-50 cm，在季節(jié)上溶蝕量由小到大為冬季<秋季<春季<夏季，夏季溶蝕量平均值約是冬季的1.33～2.00倍。

巖溶區(qū)；板栗；土壤CO2；遷移 ；季節(jié)

大氣CO2是最重要的溫室氣體之一。據(jù)IPCC報(bào)告，CO2濃度的升高對(duì)全球變暖起到重要作用。根據(jù)目前的濃度，全球增溫一半由CO2含量不斷增加引起。大氣中CO2濃度主要受大氣、海洋、陸地生物之間的碳交換過程所控制[1-4]。土壤作為陸地生物主要的棲息地，在CO2動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化過程中扮演著重要角色。在巖溶生態(tài)系統(tǒng)中，由“植物—土壤圈—巖石圈”可知土壤的存在對(duì)巖溶作用過程有很大的影響，因此對(duì)土壤CO2遷移動(dòng)態(tài)的研究有重要生態(tài)環(huán)境意義。這是認(rèn)識(shí)土壤碳動(dòng)態(tài)變化的途徑之一，也是進(jìn)一步研究巖溶作用對(duì)大氣CO2源匯效應(yīng)的重要環(huán)節(jié)。在巖溶生態(tài)系統(tǒng)中，“植物—土壤—巖石圈”是重要的一部分。植物可以影響土壤，從而間接地影響著巖石圈層。作為重要的碳匯的巖石圈受到種植在土壤上的植被影響。

土壤中CO2遷移動(dòng)態(tài)與植被覆蓋類型、土壤水分、溫度等有很大的關(guān)系[5]。擁有“板栗之鄉(xiāng)”之稱的隆安縣在巖溶區(qū)種植大量的板栗樹。通過測(cè)定板栗樹下土壤的pH，發(fā)現(xiàn)板栗樹下土壤pH變低。這與板栗樹種植有關(guān)系。為了研究巖溶區(qū)種植板栗樹后土壤CO2的遷移動(dòng)態(tài)變化，筆者對(duì)廣西隆安縣巖溶區(qū)板栗樹下土壤CO2濃度、土壤CO2的釋放、巖溶溶蝕變化及其基本影響因素進(jìn)行了研究，以期更好地了解板栗樹種植條件下土壤CO2遷移動(dòng)態(tài)的變化過程及影響因素，為不同植被利用類型下土壤CO2的遷移變化研究提供理論基礎(chǔ)，為巖石圈層的碳匯與源的問題提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)試驗(yàn)在桂西南巖溶區(qū)的隆安縣進(jìn)行。隆安縣位于22°51′～23°21′N，107°21′～108°8′E，地形為東北部、西南部高，中部和東南部較低。全縣地貌以丘陵為主，洼地、谷地次之。年平均氣溫21.7 ℃，年均降水量1 282.7 mm。該區(qū)地層出露較齊全，從古生代寒武系、泥盆系至中生界三疊系、新生代第三系和第四系。其中，以石炭系、泥盆系分布最廣。各地層的上覆土壤呈酸性至微堿性，以酸性至中性居多[6]。

隆安是廣西板栗主產(chǎn)區(qū)，全縣現(xiàn)有板栗園10 000 hm2，最高年產(chǎn)9 000 t。研究區(qū)在離隆安縣城約5 km的古潭鄉(xiāng)九甲村，為5年樹齡板栗樹林。板栗樹高度平均2.1～2.4 m，板栗樹冠幅直徑為1.5～1.8 m，板栗樹種植距離較近，郁閉度較高。

采樣地點(diǎn)的土壤較貧瘠，厚度一般在1.5 m，以棕色石灰土、黑色石灰土為主。巖石元素變異系數(shù)較大,土壤元素分布相對(duì)集中；土壤元素含量與其母巖之間多數(shù)相關(guān)不顯著；多數(shù)元素在成土過程中富集土壤。在成土過程中，絕大多數(shù)元素表現(xiàn)富集，尤以Ge、Fe、Al富集程度高，僅有Ca、Cl表現(xiàn)淋失，Sr、Mg、Co相對(duì)穩(wěn)定。

1.2 試驗(yàn)方法先用鐵釬在土壤上插入土壤一定的深度，然后用皮管和土壤CO2采集器(日本Gestec公司生產(chǎn))監(jiān)測(cè)。土壤CO2釋放量的測(cè)定采用密閉式堿液吸收法。碳酸鹽巖溶蝕量的測(cè)定采用溶蝕標(biāo)準(zhǔn)試片法。土壤的溫度和含水率的測(cè)定用TZS-IW土壤水分溫度測(cè)量?jī)x。試驗(yàn)過程的測(cè)定結(jié)果均在儀器量程和試驗(yàn)含量范圍內(nèi)，測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確無誤。選樣點(diǎn)，隨機(jī)選擇3組數(shù)據(jù)，取平均值。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)單位處理，用Excel2003軟件進(jìn)行Pearson系數(shù)相關(guān)性分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 板栗樹下土壤剖面CO2濃度土壤碳是陸地碳庫的重要組成部分，包括土壤有機(jī)碳與無機(jī)碳。土壤有機(jī)碳主要分布在上層1 m深度范圍內(nèi)。在表層巖溶生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳的存在使得系統(tǒng)中CO2同化量與有機(jī)碳分解、呼吸排放量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[7-8]。

從圖1可以看出，在土壤剖面上，總體上土壤CO2的濃度隨著土壤深度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大值在40 cm或60 cm深度處。其中，夏季的土壤CO2濃度最大值出現(xiàn)在60 cm處，而冬季、春季、秋季最大值出現(xiàn)在40 cm處。在相同季節(jié)土壤剖面最大值約是最小值的1.8～4.0倍。這可能是因?yàn)榘謇鯓涓抵饕L(zhǎng)在40～60 cm處[9]，土壤CO2濃度主要是由植物根系的呼吸作用和微生物的活動(dòng)等產(chǎn)生的[10-11]。板栗樹根系在40～60 cm處分布密集，有利于土壤CO2濃度的升高。另外，土壤CO2濃度在表層濃度偏低，除板栗樹根系對(duì)其影響小外，與土壤淺部CO2向大氣擴(kuò)散速率快也有關(guān)。其原因是0～20 cm處的土壤孔隙度大，水分易揮發(fā)，易干燥，對(duì)土壤微生物活性的影響大[12]。

從圖1還可以得出，總體來看，土壤CO2濃度由小到大的順序?yàn)槎?秋季<春季<夏季。夏季高溫多雨，板栗樹在夏季生長(zhǎng)旺盛，根的活動(dòng)量大，對(duì)土壤的影響較大。除夏季以外，春季土壤CO2濃度比秋季和冬季高。而最低的土壤CO2濃度出現(xiàn)在冬季，冬季氣溫低，雨量少，不利于板栗樹的生長(zhǎng)，使得土壤CO2濃度偏低[13-16]。

以10 cm處土壤CO2濃度為例，做出土壤含水率和空氣的溫度與土壤CO2濃度的關(guān)系圖。從圖2、3可以看出，土壤CO2濃度與含水率、空氣溫度呈密切正相關(guān)關(guān)系。在土壤中，隨著含水率和空氣溫度的升高，土壤CO2濃度逐漸升高。

2.2 板栗樹下土壤呼吸從圖4可以看出，除夏季上午的土壤CO2釋放量比下午高以外，土壤CO2的釋放量在日動(dòng)態(tài)變化上為下午>上午>晚上。這是因?yàn)闊o論是空氣溫度還是土壤溫度下午要比上午的溫度高。這個(gè)過程中有太陽照射溫度升高的過程，而上午又要比晚上的溫度高。但是，在夏季，溫度較高，大部分的水分易蒸發(fā)，土壤CO2釋放量主要由微生物活動(dòng)強(qiáng)弱決定[17-18]。溫度高、濕度大有利于微生物的活動(dòng)。雖然溫度升高，但是濕度減弱，也不利于微生物活動(dòng)。所以，土壤CO2釋放量減少。另外，溫度過高也不利于植物的正?；睿参锷踔?xí)憩F(xiàn)出停止活動(dòng)的狀態(tài)。

從圖4還可以得出，土壤釋放量由大到小為夏季>春季>秋季>冬季。這與土壤CO2濃度變化規(guī)律一致。這也說明土壤CO2釋放量與土壤CO2濃度一樣與不同季節(jié)中溫度和降水量有關(guān)，與板栗樹生長(zhǎng)的是否旺盛有關(guān)[19-21]。

對(duì)土壤CO2釋放量與土壤含水率和空氣溫度做相關(guān)性分析。從圖5、6可以看出，與土壤含水率的分析，P<0.01，R2=0.800 3，R=0.895，說明土壤CO2的釋放量與土壤的含水率呈0.01水平顯著性正相關(guān)；與空氣溫度的分析，P<0.01,R2=0.554 1,R=0.744，說明土壤CO2的釋放與空氣溫度也呈0.01水平顯著性正相關(guān)。這也說明土壤CO2釋放量在高溫多雨的夏季比較高，在溫度較低、雨水較少的冬季比較低的原因。

2.3 板栗樹下溶蝕量從圖7可以看出，無論是哪個(gè)季節(jié)的溶蝕量，50 cm深度處溶蝕量最大，其次為30 cm深度和5 cm深度。夏季土壤不同深度相差最大，50 cm深度處溶蝕量約是5 cm處的2倍。而冬季在土壤不同深度上變化范圍很小。這可能與板栗樹的根系對(duì)土壤的影響有關(guān)。另外，夏季要比冬季溫度高，雨水量充裕，有利于板栗樹的生長(zhǎng)，從而對(duì)土壤的影響較大[21]。在時(shí)間上，夏季溶蝕量最大，其次為秋季，最小為冬季。夏季溶蝕量平均值約是冬季的1.33～2.00倍。這與土壤CO2濃度和土壤CO2釋放量變化趨勢(shì)稍有不同，秋季的溶蝕量比春季的溶蝕量大，但是總體來看變化規(guī)律一致。

從圖8可以看出，土壤CO2濃度與巖溶石灰?guī)r試片的溶蝕量呈密切正相關(guān)關(guān)系。在深度表現(xiàn)上，50 cm處的數(shù)值>30 cm處的數(shù)值，并且在不同的月份上有相似的規(guī)律性。

3 結(jié)論

(1)總體來看，板栗樹下土壤CO2濃度在土壤剖面上的變化為先增加后減小，最大值出現(xiàn)在40 cm或60 cm深處。這可能是因?yàn)榘謇鯓涞母抵饕L(zhǎng)在40～60 cm深處，土壤CO2的濃度主要取決于根系的呼吸作用和微生物活動(dòng)等。土壤CO2濃度在時(shí)間上由小到大的變化順序?yàn)槎?秋季<春季<夏季，并且土壤CO2濃度與土壤含水率、空氣溫度有密切的正相關(guān)關(guān)系。

(2)除夏季外，板栗樹下土壤CO2釋放日動(dòng)態(tài)變化為下午>上午>晚上。而夏季的土壤CO2釋放量大小順序?yàn)樯衔?下午>晚上。在季節(jié)上，土壤CO2釋放量由大到小為夏季>春季>秋季>冬季。這與土壤CO2濃度變化規(guī)律一致。對(duì)土壤CO2釋放量與土壤含水率和空氣溫度做相關(guān)性分析，結(jié)果顯示土壤CO2釋放量與土壤含水率和空氣溫度呈0.01水平顯著性正相關(guān)。

(3)板栗樹土壤剖面上溶蝕量由小到大為-5 cm<-30 cm<-50 cm。夏季土壤不同深度相差最大，50 cm深度處溶蝕量約是5 cm處的2倍，而冬季在土壤不同深度上變化范圍很小。這可能與板栗樹的根系對(duì)土壤的影響有關(guān)系。在季節(jié)上溶蝕量由小到大為冬季<秋季<春季<夏季。夏季溶蝕量平均值是冬季的1.33～2.00倍。

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Migration of Soil CO2in Typical Karst Region underCastaneamollissimaTrees—Taking Karst Area of Longan in Guangxi as an Example

LI Guang-chao1,2, CAO Jian-hua1, ZHANG Hui2et al

(1. Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Science/Key Laboratory of Karst Dynamics, Ministry of land and Resources/GZAR, Guilin, Guangxi 541004; 2. Institute of Environmental Protection Science and Technology of Binzhou, Binzhou, Shandong 256600)

In order to research the soil CO2migration dynamics ofCastaneamollissimatrees in the karst area. This paper takes the karst area of Long’an County of Guangxi as an example, measuring the soil CO2concentration, CO2efflux, karst corrosion quantity in different seasons. The results show that: The soil CO2concentration that increase at first then decrease in the profile of soil, maximum appeared in 40 cm or 60 cm. The soil CO2concentration: winter< autumnmorning>night. In summer, the soil CO2emission on as:morning>afternoon> evening. The soil CO2emission in the season: summer>spring>autumn> winter, this is consistent with the soil CO2concentration.soil CO2emission, soil moisture content and air temperature is a significant positive correlation. The corrosion quantity of soil profile: -5 cm<-30 cm<-50 cm, corrosion quantity on the season: winter< autumn

Karst region;Castaneamollissima; Soil CO2; Migration; Season

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局工作項(xiàng)目“中國(guó)巖溶碳匯過程與效應(yīng)”(水[2011]礦評(píng)01-15-02)。

李光超(1987-)，男，山東濟(jì)陽人，助理工程師，從事巖溶生態(tài)學(xué)和環(huán)境生態(tài)學(xué)方面的研究。

2015-02-03

S 155.5+7

A

0517-6611(2015)09-318-03