中國南方喀斯特地區(qū)SOC空間異質(zhì)性及其對碳儲量估算的指示意義

李穎　劉秀明　周德全

摘要：土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，簡稱SOC）作為土壤碳庫的重要組成部分，在地球表層碳循環(huán)中起著不可忽視的作用。SOC儲量的正確評估對研究全球環(huán)境變化和碳循環(huán)具有重要意義?？λ固氐貐^(qū)由于其特殊的地質(zhì)背景和人類活動等因素，導(dǎo)致其土壤有機(jī)碳易于積累，有機(jī)碳含量較高，在全球碳循環(huán)中具有重要影響。通過文獻(xiàn)檢索收集近10年來已經(jīng)公開發(fā)表的關(guān)于南方喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳密度和儲量估算研究中的數(shù)據(jù)，總結(jié)分析南方喀斯特分布區(qū)的SOC空間分布特征，認(rèn)為喀斯特地區(qū)SOC空間分布具有高度的空間異質(zhì)性，并由此導(dǎo)致喀斯特地區(qū)的SOC儲量估算存在很大的不確定性。研究分析不同因素制約下的SOC的空間異質(zhì)性特征，認(rèn)為地質(zhì)背景、土壤自身因素、人類活動等是影響土壤SOC空間異質(zhì)性分布的主要原因?；诳λ固豐OC空間異質(zhì)性的特征及影響因素，提出適合喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳儲量估算的研究思路和方法，旨在為今后喀斯特地區(qū)SOC研究工作提供科學(xué)的支撐。

關(guān)鍵詞：喀斯特;土壤有機(jī)碳（SOC）空間異質(zhì)性;影響因素;碳儲量

中圖分類號： S153.6;X144文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）08-0256-09

隨著近十幾年來經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國同時(shí)成為全球能源消費(fèi)和碳排放大國，不可避免地受到國際社會的廣泛關(guān)注，在國際碳減排外交談判工作中，我國面臨著前所未有的外交壓力和碳減排的任務(wù)。因此，進(jìn)一步摸清我國的碳庫、碳排放和碳收支的情況，估算我國生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力，揭示碳生物地球化學(xué)循環(huán)及對氣候的響應(yīng)機(jī)制，成為目前國家應(yīng)對氣候變化和溫室氣體減排的長久之策。學(xué)術(shù)界認(rèn)為，在全球生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程中，土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，簡稱SOC）庫是其中重要組成部分，全球土壤碳儲量（約2 500 Pg）比大氣碳庫（約750 Pg）和陸地植被碳庫（約500～600 Pg）的總和還要高出很多[1-3]。其中，SOC儲量在1 395～2 200 Pg 之間[4-7]，占據(jù)了土壤總碳庫的1/2以上。SOC的損失對全球大氣CO2含量升高的貢獻(xiàn)率為30%～50%[8]，同時(shí)土壤有機(jī)碳含量及其動態(tài)平衡是反映土壤質(zhì)量和土壤肥力的1個重要指數(shù)[9]。

我國幾乎各省份都有不同面積的石灰?guī)r分布，出露地表的總面積約有130萬km2，約占全國總面積的13.5%，其中南方地區(qū)的石灰?guī)r成片分布，面積達(dá)到90.7萬km2[10]，以滇、黔、桂為主要分布省份，形成全球三大典型喀斯特分布區(qū)域之一（圖1）?？λ固貐^(qū)域是1個復(fù)雜的二元空間異質(zhì)體結(jié)構(gòu)[12-13]，它的土壤空間變異性很大。同時(shí)，喀斯特地區(qū)的地形地貌條件、水熱條件、植被立地條件、土壤發(fā)育條件以及強(qiáng)烈的巖溶作用等都不同于非喀斯特地區(qū)，因此喀斯特地區(qū)的SOC循環(huán)和空間分布具有獨(dú)特的特征[14-16]。加上研究方法的不同，使得南方喀斯特地區(qū)SOC密度和碳儲量的研究存在很大的不確定性。鑒于上述情況，本研究通過文獻(xiàn)檢索收集近10年來公開發(fā)表的關(guān)于南方喀斯特分布區(qū)土壤有機(jī)碳密度和碳儲量估算研究數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)分析南方喀斯特地區(qū)的SOC空間分布特征，研究總結(jié)其影響機(jī)制及對土壤有機(jī)碳儲量估算的指示意義，最后對未來工作進(jìn)行展望，旨在提出更加適合我國南方喀斯特地區(qū)土壤SOC儲量估算的方法和思路，為今后喀斯特地區(qū)土壤碳庫和碳平衡研究工作的開展提供科學(xué)支撐，為評估喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的碳截留能力提供參考。

1南方喀斯特地區(qū)SOC空間分布特征

由有喀斯特分布的南方8省份SOC密度和碳儲量的空間分布情況（圖2）可知，不同省份的SOC密度和儲量都存在較大差異;同一省份，不同研究者的結(jié)果也存在很大出入。分析認(rèn)為，不同地區(qū)間SOC空間分布差異是因?yàn)榈匦?、氣候、植被、成土母質(zhì)、土壤本身性質(zhì)及人類活動等諸多因子都會對SOC密度及空間分布產(chǎn)生影響;而同一地區(qū)不同研究結(jié)果的不確定性主要是由不同研究者采用的數(shù)據(jù)源和研究方法不同導(dǎo)致的?？λ固氐貐^(qū)復(fù)雜的土壤環(huán)境和理化性質(zhì)進(jìn)一步加劇了土壤碳庫研究的不確定性，因此探清喀斯特地區(qū)影響SOC空間分布的主要因素，確立適合喀斯特地區(qū)的土壤有機(jī)碳儲量估算方法是目前準(zhǔn)確預(yù)測喀斯特碳庫的首要任務(wù)。

2喀斯特地區(qū)SOC空間異質(zhì)性的影響機(jī)制分析

2.1地質(zhì)背景對SOC空間異質(zhì)性的制約

在構(gòu)造運(yùn)動上，我國南方喀斯特地區(qū)主要受加里東運(yùn)動和喜馬拉雅運(yùn)動的影響，形成了西部地槽區(qū)、中部揚(yáng)子準(zhǔn)地臺區(qū)和東南部華南加里東地槽區(qū)[22]。在巖性上，以廣泛分布的深厚、古老的碳酸鹽巖（主要包括石灰?guī)r和白云巖）為特色。在地質(zhì)、氣候、水文、植被等的綜合影響下，以地層巖性為基礎(chǔ)，地質(zhì)構(gòu)造為主導(dǎo)，水動力為決定條件，形成了喀斯特地區(qū)復(fù)雜的組合地貌類型[23-24]。主要的喀斯特地貌類型有中高山、斷陷盆地、峰叢洼地、巖溶槽谷、巖溶峽谷、巖溶高原、峰林平原和溶丘洼地等[25]。由于強(qiáng)烈的巖溶作用，使得原本就破碎的地表更加破碎，在小尺度范圍內(nèi)就形成了以出露整體基巖為主體構(gòu)成的石面、石臺，以土體不連續(xù)構(gòu)成的土面、石土面，以巖石溶蝕溝為主體的石槽、石溝，以巖石裂隙為主體的石縫，以巖層或巖石水平突出構(gòu)成的石洞，以及以巖石溶蝕凹地為主體的石坑等小生境類型[26-27]。

2.1.1不同地貌單元下SOC的空間異質(zhì)性

地貌單元的分布受控于構(gòu)造運(yùn)動、氣候、水文等因素，同時(shí)不同地貌單元所表現(xiàn)出來的區(qū)別之處也在于地質(zhì)構(gòu)造、水文水動力、氣候、植被以及土被覆蓋等方面。不同的地貌單元在各自水文水動力、氣候、植被和土壤類型等的長期共同作用下，形成了不同厚度、不同養(yǎng)分和不同質(zhì)地的土被覆蓋，這就導(dǎo)致了不同地貌單元下SOC的空間分異。以SOC密度為例，不同地貌單元表層土壤（0～20 cm深）SOC密度存在很大的空間異質(zhì)性。由圖3可知，不同地貌單元表層土壤SOC密度表現(xiàn)為喀斯特高原盆地>喀斯特?cái)嘞菖璧?喀斯特高原>喀斯特槽谷>峰叢洼地>喀斯特峽谷。喀斯特盆地SOC密度明顯高于其他地貌類型，這可能與盆地地貌單元內(nèi)更有利于有機(jī)物質(zhì)的沉積與集聚有關(guān)。

2.1.2巖性制約下SOC的空間異質(zhì)性

喀斯特地區(qū)典型的特征之一就是廣布的碳酸鹽巖，喀斯特地區(qū)的成土速率與喀斯特發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，即碳酸鹽巖沉積建造中的酸不溶物含量密切相關(guān)[31]。我國南方地區(qū)的土壤與基巖之間具有繼承性的關(guān)系[32]，所以巖石巖性不僅影響土壤的成土速率，對于土壤中的元素及物質(zhì)的含量也有很大的影響。不同巖性下的成土母質(zhì)是影響土壤類型的重要因素，成土母質(zhì)的差異往往是土壤分異的主要原因[33]。

通過對貴州省普定縣后寨河流域SOC含量和密度的空間分布特征（圖4）分析認(rèn)為，發(fā)育土壤的母巖巖性差異對土壤SOC的空間分布存在明顯的制約作用。不同巖性發(fā)育的土壤表層和剖面的SOC含量變化趨勢一致：石灰?guī)r>白云 巖> 泥灰?guī)r>第四紀(jì)黃黏土>砂頁巖，且差異明顯;不同巖性發(fā)育的土壤表層和剖面的SOC密度則存在不同變化趨勢，表層SOC密度表現(xiàn)為石灰?guī)r>白云巖>泥灰?guī)r>第四紀(jì)黃黏土>砂頁巖，且石灰?guī)r和白云巖發(fā)育的土壤SOC密度相差不大;剖面SOC密度表現(xiàn)為第四紀(jì)黃黏土>砂頁巖>泥灰?guī)r>白云巖>石灰?guī)r，出現(xiàn)表層SOC密度和剖面密度差異的原因可能與不同巖性發(fā)育的土壤土層厚度有關(guān)，第四紀(jì)黃黏土發(fā)育的土壤土層厚度最大，而石灰?guī)r發(fā)育的土壤土層厚度最薄。

2.1.3地形因素制約下SOC的空間異質(zhì)性

地形因素主要包含海拔高度、坡位、坡向、坡度等因子。地形因素主要通過影響水熱分布及過程、植被及微生物的生長、土地管理利用方式等來影響土壤碳含量和空間分布。邱虎森等以貴州省清鎮(zhèn)市王家寨為試驗(yàn)場，通過協(xié)方差分析證明，海拔高度對SOC的方差貢獻(xiàn)率為53.946*，達(dá)到了顯著影響水平（P<0.05）[35]。對貴州省普定縣、云南省和湖南省的土壤SOC研究結(jié)果（圖5）表明，海拔越高，土壤表層的SOC密度總體上越大，土壤SOC含量也越高;但普定縣的剖面土SOC密度隨海拔高度的增加呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，分析認(rèn)為，出現(xiàn)這種情況的原因是隨著海拔高度的增加，土壤厚度變薄，導(dǎo)致剖面SOC密度減小。

有研究結(jié)果證明，不同坡位SOC含量大小表現(xiàn)為上坡>坡 頂> 中坡>下坡>坡腳>洼地[34]，分析認(rèn)為，上坡、中坡和坡頂處多為林地，植被覆蓋度高，有機(jī)物質(zhì)輸入豐富，且人為干擾度小，有利于有機(jī)質(zhì)的貯存，而坡腳和洼地等處多為農(nóng)用地，植被覆蓋度小，人為干擾多，不利于有機(jī)物質(zhì)的貯存。不同坡向的SOC含量表現(xiàn)為南坡>北坡>西坡>東坡>無坡向;不同坡度的SOC含量及SOC密度大致隨坡度增大而增加[34，37]。分析認(rèn)為，坡向和坡度對于SOC含量的制約機(jī)制和坡位相似，都是通過土壤厚度、植被覆蓋度、有機(jī)物質(zhì)輸入量以及人為干擾程度來制約和影響SOC的貯存?？λ固胤鍏餐莸貐^(qū)域存在典型的“養(yǎng)分倒置”規(guī)律，所以，在研究喀斯特峰叢洼地景觀單元的土壤有機(jī)碳分布特征時(shí)，須考慮不同坡位土壤有機(jī)碳的異質(zhì)性[38]。受研究區(qū)特殊地形以及在此基礎(chǔ)上土地利用結(jié)構(gòu)的影響，SOC在洼地短軸方向的變異程度大于長軸方向，表現(xiàn)出明顯的帶狀各向異性特征[39]。

2.2土壤本身因素對SOC空間異質(zhì)性的制約

我國南方喀斯特地區(qū)的土壤類型分布既有地帶性的紅壤、黃壤和黃棕壤，也有非地帶性的石灰土、粗骨土、紫色土、山地草甸土、水稻土等。土壤類型對SOC的影響一方面體現(xiàn)在成土母質(zhì)背景有機(jī)質(zhì)含量有所不同，另一方面體現(xiàn)在土壤自身的理化性質(zhì)影響有機(jī)碳的含量[40]。

2.2.1南方喀斯特地區(qū)不同土壤類型SOC空間分布特征

以云南、廣西、貴州和重慶等省份的不同土壤類型表層SOC密度（圖6）為例，從趨勢線走勢可知，不同土壤類型間SOC密度分布具有很大的異質(zhì)性，大小順序整體表現(xiàn)為暗棕壤>山地草甸土>棕壤>黃棕壤>石灰土>黃壤>水稻土>紅壤>赤紅壤>磚紅壤>紫色土>粗骨土。分析認(rèn)為，其原因可能與不同土壤發(fā)育的環(huán)境條件和土壤自身的理化性質(zhì)有關(guān)，暗棕壤主要發(fā)育在溫暖濕潤的混交林下，大量的有機(jī)物質(zhì)歸還土壤，微酸性環(huán)境又可以抑制微生物的活動，凋落物分解緩慢，因此它的表層土壤SOC含量高于其他土類。紫色土區(qū)域由于農(nóng)業(yè)開發(fā)較早，加上植被稀疏，水土流失嚴(yán)重，使得SOC含量較低。而粗骨土由于發(fā)育地形的原因，水土侵蝕嚴(yán)重，土壤有機(jī)質(zhì)流失嚴(yán)重，導(dǎo)致SOC含量較少[43]。對柱狀圖（圖6）分析可知，同一種土壤類型的SOC密度也存在很大的地區(qū)差異性。在SOC儲量估算過程中，既要考慮土壤類型的異質(zhì)性也要考慮區(qū)域空間異質(zhì)性。

[FK（W12][TPLY6.tif]

2.2.2土壤理化性質(zhì)對SOC空間分布的影響

土壤理化性質(zhì)主要包括土壤容重、礫石含量、厚度、結(jié)構(gòu)和質(zhì)地等。土壤理化性質(zhì)在局部范圍內(nèi)影響SOC的含量[44]。通過土壤理化性質(zhì)與SOC含量的相關(guān)性分析可知，全氮含量、水解氮含量、速效鉀含量、總孔隙度、自然含水量、毛管持水量、田間持水量、上層滲透性等在α=0.01水平上與SOC含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系;而容重與SOC含量在α=0.01水平上呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;全磷含量、下層滲透性與SOC含量在α=0.05水平上呈顯著正相關(guān)關(guān)系（表1）。有研究認(rèn)為，土壤SOC的穩(wěn)定性受到土壤金屬氧化物、黏粒含量以及黏土礦物種類等的影響[45-46]。土壤交換性Ca2+是喀斯特地區(qū)SOC的主要控制因素[47]，有機(jī)質(zhì)腐殖化后的胡敏酸易與Ca2+形成能穩(wěn)定土壤有機(jī)質(zhì)的胡敏酸鈣，從而有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累[48-49]。土壤的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地可以通過影響土壤的容重和土壤的干濕度、松緊度等來影響SOC的含量及碳密度?？λ固氐貐^(qū)不同粒徑顆粒的土壤中SOC含量差異明顯，表現(xiàn)為砂粒>粉砂粒>黏粒[37，50]。土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與SOC之間存在著密切的關(guān)系，不同粒級大小團(tuán)聚體的有機(jī)碳性質(zhì)存在差異[51]。Jastrow等研究認(rèn)為，微團(tuán)聚體中SOC比大團(tuán)聚體中SOC形成時(shí)間更早，大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量多[52]。

土壤的容重、厚度、礫石含量、有機(jī)質(zhì)含量等均是在估算SOC儲量中必不可少的屬性因子，因此，我國南方喀斯特地區(qū)SOC儲量估算研究離不開對土壤因素的考慮，只有在探清土壤類型和土壤理化性質(zhì)對喀斯特地區(qū)土壤SOC空間異質(zhì)性的影響關(guān)系時(shí)，才能準(zhǔn)確地估算出喀斯特地區(qū)的SOC儲量。

2.3人類活動對SOC空間異質(zhì)性的制約

人類活動對土壤SOC的影響主要表現(xiàn)在通過改變土地利用方式或者施用化肥農(nóng)藥以及過度開墾利用導(dǎo)致的石漠化，影響土壤SOC的排放和增匯效應(yīng)，進(jìn)而增加或者減少土壤SOC的含量，改變其空間分布。日益增強(qiáng)的土地利用加速土壤碳呼吸，導(dǎo)致動植物殘?bào)w和有機(jī)碳分解增強(qiáng)，土壤儲存碳大量減少，通過水土、大氣輸出成為重要碳源[53]。在喀斯特地區(qū)，林地、灌木林地、草地不僅具有保持土壤有機(jī)碳的功能，而且可以提高土壤CO2濃度，降低pH值，加快碳酸巖鹽的溶蝕反應(yīng)，而當(dāng)這些土地利用類型發(fā)生變化后，土壤碳含量就會降低，pH值增高[22，54]。

2.3.1土地利用方式對SOC蓄積量的影響

人類活動對SOC蓄積量的影響遠(yuǎn)超過自然變化，其中，土地利用變化導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)碳元素的釋放是大氣CO2濃度不斷升高的主要原因之一[55]。土地利用方式的變化會直接影響SOC的含量和分布，同時(shí)通過影響與SOC形成和轉(zhuǎn)換有關(guān)的環(huán)節(jié)間接影響SOC分布[56]，此外，土地利用變化可通過改變土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率來影響SOC蓄積量。從南方喀斯特幾個代表區(qū)域的研究結(jié)果（圖7）可知，不同土地利用方式下土壤SOC含量差異很大，不同研究區(qū)之間也存在差異。廣西桂林不同土地利用方式下SOC含量依次為水田>棄耕地>旱地>園地>林地>易澇地>草地，重慶金佛山的研究結(jié)果為竹林>耕地>林地>草地>灌草，貴州普定的研究結(jié)果為水田>灌草>退耕15年草叢>旱地>退耕3年草叢，貴州晴隆地區(qū)為次生 林> 人工林>灌草>草地>水田>旱地。桂林和普定地區(qū)的水田SOC含量高于旱地及其他土地利用類型，原因可能是水田長期處于濕潤環(huán)境，減少了SOC的礦化分解，加上有機(jī)物輸入充足，從而有利于SOC的累積[61]。晴隆地區(qū)次生林、人工林的SOC含量較高，主要是由于林地凋落物較多，同時(shí)樹木有大量根系的脫落物和分泌物，有機(jī)質(zhì)易于積累。

2.3.2人類干擾對SOC空間分布的影響

在人為干擾對喀斯特地區(qū)植被多樣性和土壤養(yǎng)分的影響研究中，有人認(rèn)為，人為干擾會增加土壤容重、降低土壤含水量、增加PH值，使得土壤碳含量降低[62]。人類干擾一般包括土地利用方式的人為改變、農(nóng)業(yè)化肥施用、退耕還林以及其他形式的人為干擾等。不同的農(nóng)業(yè)管理措施對土壤固碳的影響主要通過對土壤微團(tuán)聚體更新與轉(zhuǎn)化的改變，使有機(jī)碳的保護(hù)機(jī)制發(fā)生變化實(shí)現(xiàn)[63]。

農(nóng)業(yè)化肥施用一方面可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，另一方面會影響土壤微生物和土壤酶的活性，進(jìn)而影響土壤中有機(jī)質(zhì)的礦化和土壤養(yǎng)分的有效性[64]，所以化肥施用必然會影響農(nóng)田土壤SOC的含量和空間分布。有學(xué)者認(rèn)為，施肥能夠使得土壤SOC含量增加4.71%～34.84%，其中施用有機(jī)肥可以使SOC含量增加6.24%～20.08%[65]。施用有機(jī)肥顯著提高了土壤剖面有機(jī)碳儲量，長期耕作及施用有機(jī)肥在增加土壤剖面SOC儲量方面具有突出效應(yīng)[66]。不同施肥方式影響喀斯特地區(qū)農(nóng)田SOC含量變化趨勢，且在施用有機(jī)肥后，第2季農(nóng)田土壤SOC含量顯著高于第1季，說明有機(jī)肥的連續(xù)施用能夠顯著增加土壤SOC含量[67]。農(nóng)業(yè)灌溉同樣會影響土壤SOC的含量和空間分布，有研究認(rèn)為，農(nóng)田水分變化對SOC含量存在增加、降低或不顯著影響等多種可能，不同氣候、土壤類型下灌溉對土壤SOC含量變化存在明顯不同[68]。

喀斯特地區(qū)原本脆弱的生態(tài)環(huán)境加上越來越頻繁的人類活動，導(dǎo)致了喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重退化和嚴(yán)重的人口貧困問題。因此在國家政策的推動下，近年來，我國南方喀斯特地區(qū)普遍實(shí)行了退耕還林的生態(tài)保護(hù)措施。與耕地相比，退耕還林明顯提高了SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和密度（P<0.05），SOC密度表現(xiàn)為退耕還林地大于耕地，同時(shí)退耕還林還提高了土壤碳庫管理水平[69]。廣西毛南縣典型喀斯特峰叢洼地區(qū)的研究結(jié)果為，退耕地SOC含量（75.5 g/kg）顯著高于坡耕地（15.1 g/kg）;半變異函數(shù)分析結(jié)果為，退耕地基臺值（521.7）是坡耕地（25.7）的20.3倍，證明退耕還林能顯著提高SOC累積量，且退耕地SOC空間異質(zhì)性遠(yuǎn)大于坡耕地[70]。

2.3.3石漠化對SOC空間分布的影響

石漠化是指在熱帶、亞熱帶濕潤、半濕潤氣候條件和巖溶極其發(fā)育的自然背景下，受人為活動干擾，使地表植被遭受破壞，導(dǎo)致土壤嚴(yán)重流失，基巖大面積裸露或礫石堆積的土地退化現(xiàn)象，是巖溶地區(qū)土地退化的極端形式[71]?？λ固爻浞职l(fā)育的南方地區(qū)也是石漠化發(fā)生的重災(zāi)區(qū)，而石漠化的程度和石漠化過程對喀斯特地區(qū)的SOC儲量和碳密度具有不可忽視的影響作用。貴州石漠化地區(qū)的研究結(jié)果（圖8）表明，隨著石漠化程度的加深，土壤有機(jī)碳含量和密度均有減少的趨勢，尤其是在石漠化初期，SOC含量和密度降幅較大。有研究認(rèn)為，SOC儲量隨石漠化程度加劇而急劇降低，且集中存儲在土壤表層，任何水土流失情況都會導(dǎo)致SOC儲量的減少[74]。另有研究發(fā)現(xiàn)，石漠化程度從輕度到中度的發(fā)展過程中，土壤厚度、土壤覆蓋度同樣呈現(xiàn)顯著下降趨勢，而且在石漠化發(fā)展后期的下降程度更為明顯[75]。喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳分組測試結(jié)果表明，隨著石漠化程度增加，輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳、可礦化碳、土壤微生物生物量碳和總有機(jī)碳含量均呈下降趨勢，且輕組有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例也有減少趨勢[72，76]。

石漠化直接導(dǎo)致喀斯特地區(qū)土層變薄，大面積的裸巖出露，土被覆蓋呈現(xiàn)不連續(xù)、碎片化，因此在小空間尺度上，巖石裸露率是影響SOC空間分布的重要因子[28]。巖石裸露率關(guān)系到實(shí)際的土壤分布面積，土壤厚度關(guān)系到土壤剖面SOC密度，因此，在喀斯特地區(qū)的SOC儲量估算中，巖石裸露率和土層實(shí)際厚度是不容忽視的2個因子。

2.4環(huán)境因素對SOC空間異質(zhì)性的制約

環(huán)境因素主要是指海拔、經(jīng)緯度等自然地理因素和降水量、氣溫等氣候因素，其中，海拔和經(jīng)緯度對SOC空間分布的制約也主要反映在通過控制降水和氣溫等因素上。滇黔桂地區(qū)的研究結(jié)果表明，環(huán)境因子對SOC密度的變異性解釋能力大于20%，是影響表層和剖面土壤SOC密度的主要因子，通過建立通徑模型（圖9）可以反映各環(huán)境因素對SOC密度的制約關(guān)系[41]。

氣候因素在SOC蓄積及消耗過程中起著非常重要的作用，其中降水量和氣溫是主要的影響因子[77]，云南省SOC密度與溫度、降水量的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.858 3、0.552 5，湖南省的SOC密度與溫度、降水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.618 8、0.689 5（圖10）。降水量對土壤微生物的活性和有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生影響，降水量在一定范圍內(nèi)時(shí)，土壤水分可促進(jìn)微生物的活性，但降水量過多，會導(dǎo)致土壤通氣不良，抑制微生物活性，有機(jī)質(zhì)分解速度緩慢，有利于有機(jī)碳的積累[36]。氣溫會對微生物和植物的初級凈生產(chǎn)力同時(shí)產(chǎn)生影響，氣溫的變化可導(dǎo)致SOC的釋放量發(fā)生變動[78]，氣溫升高，土壤微生物活動增加，有機(jī)質(zhì)分解速率加快，SOC含量降低，反之亦然[79]。但研究區(qū)域不同，不同環(huán)境因素對SOC的制約作用也不同，湖南省的研究結(jié)果表明，氣候因素不是影響SOC密度空間分布的主要因子[21]。而在云南省，降水量和氣溫都顯著影響SOC密度空間分布，并且不同降雨帶和不同溫度帶對于SOC密度空間分布的制約力不同[36]，廣西SOC密度與年均溫、經(jīng)緯度、海拔等環(huán)境因素均存在顯著的相關(guān)性（P<0.01）[80]。

3總結(jié)與展望

3.1喀斯特土壤SOC空間異質(zhì)性對碳儲量估算的指示意義

高度的空間異質(zhì)性是喀斯特地區(qū)土壤碳庫研究中的一大難題，喀斯特地區(qū)地形地貌復(fù)雜、巖溶作用強(qiáng)烈等，導(dǎo)致土壤的空間異質(zhì)性遠(yuǎn)比非喀斯特地區(qū)高。由石灰?guī)r、白云巖和含有其他雜質(zhì)的碳酸鹽巖發(fā)育而來的喀斯特土壤，其土體連續(xù)性差、土層淺薄，有大面積的裸巖分布，土壤的剖面形態(tài)、理化性質(zhì)等都不同于地帶性土壤[81-82]?？λ固氐貐^(qū)土壤高度的空間異質(zhì)性決定了非喀斯特地區(qū)碳儲量和碳密度的估算方法并不適用于喀斯特地區(qū)[83]。同時(shí)，由于喀斯特地區(qū)特殊的地質(zhì)和氣候環(huán)境，使得該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力弱、穩(wěn)定性差、自我調(diào)節(jié)能力低，加上土壤基巖出露、土壤存量少、分布不連續(xù)、地貌類型復(fù)雜等原因，導(dǎo)致喀斯特土壤有機(jī)碳儲量估算存在許多的不確定性因素[84-85]。目前，有些研究者根據(jù)喀斯特地區(qū)土壤的特點(diǎn)，對已有的土壤研究方法進(jìn)行了改進(jìn)，例如有研究者將裸巖的空間分布考慮在喀斯特地區(qū)土壤碳儲量的研究中[74，86]。也有學(xué)者對喀斯特地區(qū)的土樣采集方法進(jìn)行了改進(jìn)，如王世杰等認(rèn)為，喀斯特土壤有機(jī)碳的空間異質(zhì)性和代表性土樣采集方法應(yīng)以小生境面積為權(quán)重確定樣地土壤樣品組成[87]。

在對喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳儲量進(jìn)行估算時(shí)，雖然已經(jīng)有學(xué)者將巖石裸露率、土壤厚度等指標(biāo)考慮在內(nèi)[88-89]，但基本上均未考慮影響SOC儲量估算的礫石含量和估算中其他指標(biāo)的影響程度[84]。因此，目前確立1套適用于喀斯特地區(qū)SOC儲量估算的研究方法是準(zhǔn)確估算喀斯特土壤SOC儲量的前提條件。

3.2我國南方喀斯特地區(qū)SOC儲量研究展望

傳統(tǒng)的SOC儲量估算方法主要有土壤類型法、土地利用類型法、生命帶類型法、地理信息系統(tǒng)（GIS）估算法、模型法等[90-91]，各估算方法本質(zhì)上一致，但限于數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量和來源，傳統(tǒng)方法中有一些不適用于喀斯特地區(qū)。以應(yīng)用范圍最廣的土壤類型法為例，根據(jù)喀斯特地區(qū)土壤空間異質(zhì)性的特征，可對土壤類型法進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。

3.2.1基于地貌單元對土壤空間異質(zhì)性制約的土壤類型法的改進(jìn)

因地貌單元對SOC含量的空間分布有很大影響，所以在對南方喀斯特地區(qū)SOC估算時(shí)，首先按照中高山、巖溶斷陷盆地、巖溶高原、巖溶峽谷、峰叢洼地、巖溶槽谷、峰林平原和溶丘洼地等八大地貌類型[92]進(jìn)行區(qū)域劃分，再對不同地貌類型內(nèi)進(jìn)行土壤類型的劃分，即基于地貌類型劃分的土壤類型法。

3.2.2基于地形坡度因素對土壤類型法的再改進(jìn)

坡度大小對土地利用類型、水土分配、土壤養(yǎng)分分配、土壤理化性質(zhì)等都有很大影響，南方喀斯特中心地區(qū)貴州省坡度大于6°的面積占84%左右，因此，有必要根據(jù)坡度等級進(jìn)一步精確劃分SOC空間分布特征，以準(zhǔn)確估算SOC儲量。

3.2.3改進(jìn)SOC儲量估算基本公式

傳統(tǒng)的非喀斯特地區(qū)SOC密度計(jì)算公式為

SOCDi=Csoci ρiHi/10。（1）

式中：SOCDi表示第i類土壤的有機(jī)碳密度，kg/m2;CSOCi表示第i類土壤的有機(jī)碳含量，%;ρi表示第i類土壤的容重，g/cm3;Hi表示第i類土壤的厚度，一般表層取20 cm，剖面取100 cm;10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

傳統(tǒng)的非喀斯特地區(qū)SOC儲量計(jì)算公式為

SOCSi=SOCDi×Si×1 000。（2）

式中：SOCSi表示第i類土壤的有機(jī)碳儲量，t;Si表示第i類土壤的面積，km2;1 000為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

喀斯特地區(qū)土壤空間異質(zhì)性大，土壤有機(jī)碳含量、土層厚度、容重等指標(biāo)空間變異性很大。因此，喀斯特地區(qū)的土壤有機(jī)碳密度須要先分層計(jì)算，再求和。此外，由于大部分喀斯特地區(qū)土層薄，土壤厚度不足100 cm，甚至一些坡地上土壤平均厚度僅為4.28 cm[93]，嚴(yán)重低于100 cm，所以利用原公式計(jì)算的土壤剖面有機(jī)碳密度將遠(yuǎn)大于實(shí)際碳密度。因此，在對南方喀斯特地區(qū)SOC密度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，土壤剖面厚度（H）取實(shí)際土壤厚度值?？λ固氐貐^(qū)土壤中多含有粒徑大于2 mm的石礫，會使得單位體積內(nèi)土壤的含量減少，因此在計(jì)算碳密度時(shí)應(yīng)去除粒徑大于2 mm的石礫含量。改進(jìn)后的土壤有機(jī)碳密度計(jì)算公式如下：

SOCD′ij=CsocijρijHij（1-εij）/10;（3）

SOCD′i=∑mj=1CsocijρijHij（1-εij）/10。（4）

式中：SOCD′ij表示第i類土壤的第j層有機(jī)碳密度，kg/m2;Csocij表示第i類土壤的第j層有機(jī)碳含量，%;ρij表示第i類土壤的第j層土壤容重，g/cm3;Hij表示第i類土壤的第j層土壤厚度，取實(shí)際厚度值，cm;SOCD′i代表第i類土壤的有機(jī)碳密度，kg/m2;10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

喀斯特地區(qū)由于石漠化原因?qū)е碌膸r石裸露面積十分廣泛，土壤覆蓋度較低。因此在估算土壤有機(jī)碳儲量時(shí)，應(yīng)將巖石裸露率考慮在內(nèi)?；诖藢ν寥烙袡C(jī)碳儲量計(jì)算公式進(jìn)行改進(jìn)，計(jì)算公式如下：

SOCS′i=SOCD′i×Si×（1-δi）×1 000;（5）

SOCS′=∑ni=1SOCS′i。（6）

式中：SOCS′i表示第i類土壤有機(jī)碳儲量，t;Si表示第i類土壤分布面積，km2;δi表示第i類土壤分布區(qū)域的巖石裸露率，%;SOCS′表示總的土壤有機(jī)碳儲量，t。

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