岩溶石漠化区李树林土壤岩溶作用强度及碳汇效应

周孟霞，莫碧琴，杨 慧

岩溶石漠化区李树林土壤岩溶作用强度及碳汇效应

周孟霞，莫碧琴，杨 慧※

（1. 中国地质科学院岩溶地质研究所，桂林 541004；2. 自然资源部广西岩溶动力学重点实验室，桂林 541004；3. 联合国教科文组织国际岩溶研究中心，桂林 541004）

石漠化地区不同种植年限人工经济林下土壤岩溶作用强度研究不仅关系到岩溶碳汇估算，也关系到岩溶区陆地碳源/汇的准确评估。利用标准溶蚀试片法研究了典型石漠化治理区不同种植年限李树人工林土下石灰岩溶蚀速率。结果表明：不同种植年限李树人工林土下石灰岩溶蚀量在42～136.3 t/(km2·a)之间，折算成单位面积碳汇量则在5～16.4 t/(km2·a）之间，种植年限对土下石灰岩溶蚀速率具有显著影响，基本表现为植被生长初始和达到稳定阶段时的溶蚀速率较大，此时的碳汇潜力也较大。因此，在石漠化治理的过程中种植人工经济树种，在岩溶区地表森林系统的增汇过程发生的同时，地下也同步发生着类似的增汇过程。因此，在岩溶区碳循环潜力与评价研究中必须考虑岩溶作用。

土壤；溶蚀速率；种植年限；碳汇；岩溶区

0 引 言

岩溶作用是全球碳循环的一部分[1]，岩溶作用的碳汇效应被认为是碳酸盐岩在溶蚀过程中消耗大气中的CO2，是一种潜在的大气CO2汇[2-5]，其主要的化学反应是碳酸盐岩的2种主要物质碳酸钙和碳酸镁等在水的参与下，与CO2发生化学反应[4]。碳酸盐岩在全球的分布面积达到2.2×107km2，约占陆地面积的15%[6]，中国岩溶面积达3.44×106km2，约占全球岩溶总面积的15.6%[7]，以往的研究初步估算了全球岩溶作用碳汇量，为（1.1～6.08）´108t/a[3,8-10]，占“遗漏汇”的5.5%～30.4%[11-12]。因此，岩溶作用的碳汇效应研究引起国内外岩溶学界的广泛兴趣[13-16]。在岩溶动力系统中，具有高浓度的CO2土壤环境是岩溶发育最为活跃的部位，在湿热环境下，土壤CO2是岩溶系统中重要的驱动力[17-19]。研究表明，森林土壤的C、N特征因植物种类组成的变化[20]和植被类型[21]的转变而改变[22-23]，并且土壤呼吸过程碳的流失与林龄有关[24]。而土壤的C、N特征和环境条件的改变会进一步影响土壤微生物群落[25]，由于土壤CO2主要来源于植物根系呼吸和土壤微生物对有机质的分解等，因此，土壤C、N状态和植被的群落变化可能会改变土壤的温室气体排放。

李树是西南岩溶石山地区重要的经济林果品种，也是岩溶石漠化修复潜力树种之一[26]，但是目前很少有研究关注李树林土壤CO2浓度及其对岩溶作用的强度，尤其是种植年限是否对土壤CO2浓度和溶蚀速率（Corrosion Rate，CR）具有不同影响的研究较少。此外，岩溶区石灰土是一种发育在碳酸盐岩母质上的土壤，具有富钙偏碱的特性，这些特征可能使得岩溶区石灰土CO2浓度和溶蚀速率具有与其他土壤不同的特点。在岩溶石漠化治理过程中，由于缺乏对李树林土壤CO2浓度与岩溶作用关系的认识，限制了对岩溶地区石漠化治理过程中该生态系统在减缓土壤CO2排放的贡献。为此，本研究采用野外原位监测的方法，选取不同种植年限李树林（2，5和20 a），通过以月为周期测定不同土层深度土壤CO2浓度，并通过埋放标准溶蚀试片的方法对土下碳酸盐岩溶蚀速率开展观测研究，分析了不同种植年限李树林岩溶碳汇强度，为提高岩溶作用碳汇估算精度奠定良好基础，对改进岩溶区陆地生态系统碳循环模型具有积极意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西壮族自治区桂林市恭城县大岭山村（北纬24°54′29.90"，东经110°47′19.97"）。该研究区气候温和，属于亚热带季风气候区，年均气温20.5 ℃，年均降水量1438 mm（图1），年均无霜期达319 d。研究区地层岩性为下石炭统灰岩，石漠化现象较为严重，自20世纪80年代以来研究区开始通过种植李树、桃树等果树的方式进行石漠化治理，形成了具有当地特色的基于桃李生态种植的石漠化治理模式，取得了很好的生态和经济效益，并被科技部批准为国家可持续发展实验区。

1.2 试验设计

利用时空代换法，在处于相同坡位、坡向上的李树林地选择2、5和20 a共3个不同种植年限，组成植被恢复序列，并在每种种植年限的李树林中，间隔5 m以上，选择长势良好的树种随机设置3块样地。不同种植年限李树均为同一农户经营管理，管理方式一致，定期铲除杂草，李树林下仅有零星低矮的杂草，在每次监测之前，提前2 d铲除杂草。采样点基本理化性质如表1所示。

图1 研究区监测期内气温及降水月动态变化

表1 不同种植年限李树林土壤理化性质

在距离树干水平距离75、150和225 cm处，20和50 cm土层深度，分别埋放自制的CO2收集装置，CO2装置概述如下：由硬质PVC管组成的L型管内部套有用胶塞密封的硅胶管，硅胶管的直径与CO2检验试管的直径一致。在水平插入土壤内部的PVC管壁上均匀打有小孔以便透气，装置露出地面的部分用止水夹夹住硅胶管，以免土壤空气与大气进行气体交换。采用GESTEC真空泵及CO2检验试管测量土壤CO2浓度。本研究于2015年12月－2016年11月以月为周期测试土壤中CO2浓度。

土下石灰岩溶蚀速率采用标准岩溶溶蚀试片法[1]，具体为：于2015年11月在研究区分别在距离树干75、150和225 cm水平距离处，共分为5、20和50 cm 3个土层深度进行标准溶蚀试片的埋放，每处放置3块，放置1 a后于2016年11月取出称取质量，根据标准溶蚀试片质量变化计算试片单位面积年溶蚀量，得到土下石灰岩溶蚀速率。

本研究中碳酸盐岩主要是石灰岩，因而，研究中使用的溶蚀试片为较纯的石灰岩制作而成。土下石灰岩溶蚀参照岩溶土壤系统中碳酸与碳酸盐岩间的化学反应式（1）[27]：

Ca(Mg)CO3+H2O+CO2→Ca2++Mg2++2HCO3-（1）

土下石灰岩溶蚀速率计算如式（2）所示[28]：

式中CR表示试片溶蚀速率，mg/(cm2·a)；1为溶蚀试片的初始质量，g；2为埋放进土壤一段时间后溶蚀试片的质量，g；为埋放时间，d；为溶蚀试片的表面积（通过计算约为28.9 cm2）。

试验结果均以3次样品分析的平均值表示，利用SPSS 25，对所有试验结果进行统计分析。采用origin 2017作图。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限土壤CO2浓度特征

不同种植年限李树林土壤在20和50 cm土层深度的CO2浓度如表2所示。

表2 不同土层深度不同种植年限土壤CO2浓度

注：不同小写字母表示同一土层深度不同种植年限间差异显著（<0.05）；不同大写字母表示同一种植年限不同土层深度差异显著（<0.05）。CO2浓度单位为体积分数，下同。

Note: Different lowercase letters represent significantly different between different planting ages in the same soil depth (<0.05) , while different uppercase letters represent significantly difference between different soil depths in the same planting age (<0.05). The unit of CO2concentration is volume fraction, the same below.

同一种植年限的土壤不同土层深度CO2浓度均表现为50 cm土层深度处大于20 cm土层深度处的浓度。配对样本t检验的结果显示，同一种植年限的土壤中20与50 cm土层深度CO2浓度之间差异性均较为显著。从不同种植年限同一土层深度土壤CO2浓度来看，种植20 a的李树土壤CO2浓度在2个土层深度均最高，而种植5 a的李树土壤CO2浓度在2个土层深度均最低。并且种植2和5 a的土壤CO2浓度在2个深度之间差异性均不显著，但是种植5与20 a的土壤CO2浓度在2个深度之间差异性均较为显著（表2）。

不同种植年限下的李树林土壤CO2浓度的月动态变化结果如图2所示。从图2中可以看出，CO2浓度全年各月份间存在较大的波动。从不同种植年限同一土层深度来看，土壤CO2浓度在全年各月份均表现为20 a在2个土层深度均最大，2 a次之，5 a最小。不同种植年限李树土壤CO2浓度均在1月达到最低值，2和20 a的土壤CO2浓度在4月份最高，5 a的土壤CO2浓度在5月份最高。从季节上来看（图3），3种种植年限的土壤CO2浓度在冬季差异性不显著，但是随着春季气温的回升，3种种植年限土壤中CO2浓度差距增大，尤其是20 a土壤中的CO2浓度，在春、夏和秋3个季节中20和50 cm土层深度均最高，并显著高于其他2个种植年限土壤。

图2 土壤CO2浓度月动态变化

注：不同小写字母表示相同季节不同种植年限间差异显著（P<0.05），不同大写字母表示相同种植年限不同季节间差异显著（P<0.05）。

2.2 不同种植年限土下石灰岩溶蚀速率

如前所述，土下石灰岩的溶蚀作用是石灰岩的主要成分碳酸盐岩与土壤中的水及CO2发生化学反应并产生碳汇的反应，而沉积作用则形如石笋和钙华等形成，是溶蚀作用的逆反应，是生成CaCO3并释放CO2的过程[29]。不同种植年限下不同埋放深度的土下石灰岩溶蚀速率如表3所示。溶蚀速率的结果均为正值，说明不同种植年限李树土壤中均发生了石灰岩的溶蚀作用，而不是微沉积作用[30-31]。本研究中土下石灰岩溶蚀速率总体上基本表现为同一土层深度均为20 a最大，2 a次之，5 a的最小。并且不同种植年限李树的土下石灰岩溶蚀速率之间存在不同程度的差异性。从同一种植年限不同土层深度来看，总体上都表现为5、50 cm处溶蚀速率较高，而20 cm土层深度处最低（表3）。

表3 不同种植年限下土下石灰岩溶蚀速率

2.3 距树干水平距离对土壤CO2浓度和土下石灰岩溶蚀速率的影响

土壤CO2浓度和土下石灰岩溶蚀速率随着距离树干的距离的变化特征如图4所示。从距离树干的水平距离来看，除种植5 a李树的土壤CO2浓度在50 cm土层深度随着距离树干的距离的增大出现降低的趋势外，其余研究结果基本上均表现为距离树干水平距离越远，土壤CO2浓度越高。土下石灰岩溶蚀速率随距离树干水平距离的变化表现为：除在50 cm土层深度处，2 a的土下石灰岩溶蚀速率处在较高水平，其他土层及种植年限的溶蚀速率差别不大。

图4 距树干不同水平距离土壤CO2浓度和溶蚀速率

图5为土壤CO2浓度与土下石灰岩溶蚀速率之间的关系，从不同土层深度CO2浓度和土下石灰岩溶蚀速率关系来看，在20 cm土层深度，CO2浓度与土下石灰岩溶蚀速率呈现较好的正相关线性关系，而在50 cm土层深度，二者的相关性不显著。

2.4 不同种植年限李树土壤岩溶碳汇强度

本研究中不同种植年限的李树林土下石灰岩溶蚀速率最大值和最小值分别为136.3和4.2 mg/(cm2·a）。若换算成以单位t/(km2·a)计算，并根据CaCO3溶蚀量可换算成单位面积CO2消耗量（表4），则研究区不同种植年限李树林单位面积CO2消耗量最大值和最小值分别可达到60和18.5 t/(km2·a)。总体上，由于岩溶作用产生的种植年限为2、5和20 a的碳汇平均值大小依次为10.4、6.5和9 t/(km2·a)。种植2 a李树林土下溶蚀量在50 cm土层深度处最大，是相同土层深度其他2个种植年限的两倍。

图5 土壤CO2浓度与土下石灰岩溶蚀速率之间的关系

表4 不同种植年限土壤岩溶作用碳汇强度

3 讨 论

3.1 土壤CO2浓度及主要影响因素

在陆地生态系统中，土壤中的CO2具有多源性，主要来源是植物根系的呼吸作用、土壤中微生物活动及大气散入的组合[32]。已有研究表明岩溶地区林地的土壤CO2浓度随土壤深度的增加而变大[33-34]，本研究中，不同种植年限李树林的土壤CO2浓度均表现为20 cm土层深度处小于50 cm处的浓度，与上述研究结论一致。产生的原因主要有：首先，种植李树的土壤经过人为培植，表层的土壤与大气连通性较好，土壤孔隙度高，利于土壤中的CO2向大气中扩散；其次，李树新根系或生命力强的根系（吸收养分水分多的根系）主要在深层，代谢分泌的物质多，微生物活动旺盛，土壤呼吸释放的CO2更多。因此，50 cm土层深度处释放的CO2比20 cm处要多。

从3个李树林种植的年限上看，种植20 a的土壤CO2浓度在20和50 cm土层深度均最高，这主要是因为李树经过了20 a的生长，营养物质和周围的环境达到了一种动态平衡，无论施肥还是自身归还的根系分泌物都最多；种植2 a的李树林，由于种植初期主要进行营养生长，根系处于旺盛生长和代谢时期；种植5 a的李树林开始向生殖生长转变，以地上部分生长为主，因此，5 a的地下部分生长不如2 a的活跃，这可能是造成种植5 a的李树林土壤CO2浓度反而比种植2 a的李树林土壤CO2浓度低的原因之一。

此外，温度和降雨也是影响土壤CO2浓度的重要因素，在一定程度上可以提高土壤微生物的活性，促进其生命活动，并加速根系的物质循环[35-36]。本研究中，土壤CO2浓度月动态变化与研究区温度和降雨具有较好的关联，在4月份，研究区气候回暖，降雨量增加，有利于微生物的分解作用，土壤的CO2浓度剧增，在4—5月达到一年中的最高值，总体上土壤CO2浓度在季节上表现为春夏高，秋冬低的趋势。土壤湿度在一定程度上影响土壤中CO2的产生，前人研究岩溶区土壤体积含水率在7.5%~30.17%之间对土壤呼吸不会产生明显的影响[37]，只有低于或者超出这个阈值才会对土壤呼吸作用有明显的促进或抑制作用，这也有可能造成本研究中土壤CO2浓度在降雨量最大的5月份却比4月份低。以上结果表明土壤中的CO2浓度并不由某一个因素决定，而是各个因素相互作用的结果，但可以肯定的是土壤的CO2浓度受当地水热条件的影响[33]。

3.2 土下石灰岩溶蚀速率及影响因素

岩溶作用是在一个完全开放的系统中进行，是多种因素共同影响的综合复杂过程，土壤中的环境因子、地表植被、地区气候和人类活动造成的土壤理化性质的改变，都会进一步影响到溶蚀速率[38-40]。本研究中，种植年限为2 a的土壤CO2浓度和溶蚀速率均很高，随着李树林种植年限的增长，种植5 a的李树林土下石灰岩溶蚀速率呈现减小趋势，而种植20 a的李树林的土下石灰岩溶蚀速率增大，这说明植被生长发育期会对溶蚀作用产生影响。

不同深度土层中，在5 cm土层深度处的不同种植年限的李树林土下石灰岩溶蚀速率均处于较高水平。有研究表明土下溶蚀强度会受到土壤中的有机质的控制。表层土壤由于枯枝落叶多，且受到人为培肥的影响，土壤有机质含量高，表层岩溶调蓄能力及微生物活动强。由于生物岩溶在岩溶过程中扮演了十分重要的角色，因此，溶蚀量随有机质含量的增多而增加[31]。但随着土层深度的增加，土壤有机质含量会逐渐减少[41]。本研究中种植了2和5 a的李树林土下石灰岩溶蚀速率在50 cm土层深度增大，种植了20 a的李树林的年单位溶蚀量却随土壤有机物质的减少而降低。所以，这需要考虑到本研究中的碳酸盐岩主要是石灰岩，其主要成分为CaCO3，水和CO2也是影响岩溶作用的2个关键因素[42]，土壤深处较高的CO2浓度加上植被根系产生更多有机酸，促使土壤水的侵蚀能力变强，对碳酸盐岩的溶蚀作用增大，因此碳汇强度变大。同时植被长势也会影响碳汇强度[43-44]。由于20 a的李树林已处于较稳定的生长老龄期，根系微生物活动代谢的有机酸少，土壤水的侵蚀能力弱，故岩溶碳汇强度小。

距树干不同水平距离的土下石灰岩溶蚀速率的变化再次证明了植被的生长情况及所处环境因子均会对土下溶蚀作用产生不同影响。种植了2 a的李树在表层的土下石灰岩溶蚀速率随着距离树干的水平距离越远而增大，而种植5和20 a的李树下溶蚀速率则是随着水平距离的增大而减少，这可能与种植5和20 a的李树下枯枝落叶较多，而种植2 a的李树下枯枝落叶较少并且尚未完全分解有关。相关分析结果显示，在20 cm土层深度处，土下石灰岩溶蚀速率与土壤CO2浓度具有较好的正相关关系，可见CO2是土下溶蚀作用的重要驱动因子[45]。而在50 cm土层深度处，土下石灰岩溶蚀速率与土壤CO2浓度之间的相关关系不显著，这说明在50 cm土层深处，影响土下石灰岩溶蚀速率的因素相对较为复杂：土下石灰岩溶蚀速率也与土壤水分特征密切相关。此外，岩溶区土壤土层相对较薄，通常深度都不足1 m，50 cm土层深度处也靠近基岩，土壤CaCO3含量增加，由此产生的碱性屏障也是影响土下石灰岩溶蚀速率的重要原因[1]。以上研究结果也说明岩溶作用的不均一性。

3.3 不同种植年限李树土下岩溶碳汇强度

地表植被的生长状况会导致岩溶作用碳汇强度发生变化，前人的研究结果显示岩溶区石漠化治理的次生林及经济林地的岩溶碳汇在1.09～2.75 t/(km2·a)之间[35-36]，耕地、灌丛和林地等不同土地利用方式岩溶碳汇在0.061～7.62 t/(km2·a)之间[1,45]，相比之下，本研究中李树林的岩溶碳汇量十分可观，可达到6.5～10.4 t/(km2·a)。总体来说，不同种植年限的李树林的岩溶碳汇均处于较高水平，但当地上植被处在不同生长阶段时，溶蚀强度存在显著差异。种植2 a的李树林的地下碳汇强度可达到种植5 a的李树林的1.6倍，随着生长年份的增加，本研究与杨龙等[46]研究中植被的岩溶碳汇量随生长年限的增长呈现明显增加趋势的结果不一致，这可能与其研究中植被的立地条件（石漠化程度等）差异较大有关。

岩溶作用即土下石灰岩发生的溶蚀作用是消耗CO2的过程，这些CO2一部分来自大气，一部分来自土壤呼吸作用。而呼吸作用是陆地碳循环的重要组成部分，对其评价的准确性直接影响到陆地碳源/碳汇的准确评估[47]。在岩溶区土层通常较薄，并且在土壤剖面和基岩中有碳酸盐岩存在，因此，岩溶区土壤呼吸产生的CO2一部分可能被岩溶作用消耗掉。这表明在石漠化治理的过程中种植人工经济树种，除了普遍被接受的在地上部分产生森林碳汇外，地下部分的岩溶碳汇也不容忽视。并且，还需要考虑到植被在不同生长阶段中碳汇的差异，方可进一步评估岩溶区域碳循环潜力。

4 结 论

本研究以不同种植年限的李树林土壤为研究对象，原位监测了不同土层深度土壤CO2浓度，并采用标准溶蚀试片法监测了土下石灰岩溶蚀速率，根据监测结果对岩溶作用产生的碳汇强度进行了分析，具体结论如下：

1）李树林土壤CO2浓度受种植年限、土层深度、研究区的气候条件（温度、降雨）等的共同影响；

2）土下石灰岩溶蚀速率除与土壤CO2浓度有关外，与李树的生长状况和土壤环境等也有较大的关系；

3）不同种植年限李树林单位面积溶蚀量范围为42～136.3 t/(km2·a)，折算成碳汇量在5～16.4 t/(km2·a)之间。在西南岩溶石漠化地区人工林恢复过程中，该数据为准确预估岩溶地区地下岩溶碳汇潜力具有重要的参考价值。

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Soil karstification intensity and carbon sink effect of plum plantation in karst rocky desertification areas

Zhou Mengxia, Mo Biqin, Yang Hui※

(1.,541004,; 2.541004,; 3.,,541004,)

The study of soil karstification intensity under artificial economic forest in karst rocky desertification area is not only related to the estimation of karst carbon sink, but also to the accurate assessment of land carbon source/sink in karst area. In order to make clear the contribution of artificial economic forest to karst carbon sink in the process of rocky desertification control, the soil of different planting ages of plum forest in the National Sustainable Development Experimental Area of Ministry of science and technology in Gongcheng County, Guilin City was selected as the research object. The soil CO2concentration of different soil depths was monitored in situ with different planting ages of plum forest, and the limestone corrosion rate under the soil was monitored by standard corrosion test piece method, and the carbon sink intensity caused by karstification was analyzed according to the monitoring results. The results showed that at the same planting age, the soil CO2concentration in 50 cm depth was greater than that in 20 cm depth, and the order from large to small of soil CO2concentration between different planting ages in the same soil layer was 20, 2 and 5 years. In addition, the variation of soil CO2concentration was obvious with seasons change, especially the monthly dynamic change of soil CO2concentration had good correlation with the monthly average air temperature and precipitation in the study area. Therefore, planting ages, soil depth and climate conditions (temperature and precipitation etc.) of the study area had important effects on soil CO2concentration of plum forest. The research results of limestone corrosion rate under plum forest soil with different planting ages were consistent with the order of soil CO2concentration. Generally, limestone corrosion rate under plum forest soil in the same soil depth was the largest in 20 years, followed by 2 years, and the minimum in 5 years. This is mainly due to the nutrients and the surrounding environment have reached a dynamic balance, and there are a lot of root exudates returned by both fertilization and self-return after 20 years’ growth. For the plum plantation planted for 2 years, due to the main vegetative growth in the initial stage of planting, the root system is in the vigorous growth and metabolism period. The plum plantation planted for 5 years changed to reproductive growth, mainly the fruit growth of aboveground part. Therefore, in addition to the CO2concentration, the limestone corrosion rate under the soil of different planting ages is related to the growth status and soil environment of plum forests. The corrosion amount of plum plantation with different planting ages ranged from 42 to 136.3 t/(km2·a), and the carbon sink ranged from 5 to 16.4 t/(km2·a). The results showed that planting artificial economic trees in the process of rocky desertification control can not only produce forest carbon sink in the aboveground, but also the karst carbon sink in the underground. The results have important reference value for accurate prediction of underground karst carbon sink potential in karst area.

soil; corrosion rate; planting ages; carbon sink; karst area

周孟霞，莫碧琴，杨慧. 岩溶石漠化区李树林土壤岩溶作用强度及碳汇效应[J]. 农业工程学报，2020，36(13)：116-123.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.014 http://www.tcsae.org

Zhou Mengxia, Mo Biqin, Yang Hui. Soil karstification intensity and carbon sink effect of plum plantation in karst rocky desertification areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 116-123. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.014 http://www.tcsae.org

2020-03-23

2020-06-30

国家重点研发计划项目（2016YFC0502501）；广西自然科学基金项目（2017GXNSFAA198153）；广西科学研究与技术开发计划项目（桂科能1598023-1）；中国地质科学院岩溶地质研究所基本科研业务费项目（2020004）

周孟霞，主要从事岩溶区土壤固碳机制研究。Email：mengxia.zhou95@gmail.com

杨慧，博士，副研究员，主要从事岩溶区生物地球化学研究。Email：yanghui-kdl@karst.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.014

P593

A

1002-6819(2020)-13-0116-08