贵州茂兰喀斯特森林不同小生境类型对岩石溶蚀的影响*

龙 健，吴求生，李 娟，廖洪凯，刘灵飞，黄博聪，张菊梅

（1. 贵州师范大学贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵阳 550001；2. 贵州师范大学地理与环境科学学院，贵阳

550001）

碳酸盐岩溶蚀成土是我国南方岩溶地区土壤资源的一种重要成土机制，岩溶地区土壤侵蚀的严重程度在很大程度上取决于特定地质环境背景下的成土速率[1-3]，受到碳酸盐岩酸性不溶物含量低的影响，喀斯特地区土壤存有成土速率慢、土层浅薄、土壤环境脆弱等环境问题。因此，探明碳酸盐岩溶蚀与成土作用对喀斯特山区土壤保护和可持续利用具有重要意义。针对碳酸盐岩溶蚀成土的机制，目前从碳酸盐岩溶蚀及其与残余物的关系、生态环境因子对溶蚀和成土的影响等方面进行研究，研究基本认为，碳酸盐岩溶蚀残余物是成土的基本物质，受到环境条件的影响，成土过程和成土质量存在显著差异[4-13]。

碳酸盐岩溶蚀（风化）成土过程受到微观和宏观的物理、化学、生物等因素的影响。在碳酸盐岩溶蚀的研究中，目前主要是基于标准溶蚀试片法、结合野外实验和室内溶蚀模拟作对比，分析影响溶蚀速率的因素，得出碳酸盐岩结构、水物质、气温、动物、植物以及微生物等条件是溶蚀的主要影响因素[14-16]，甚至土壤理化性质也会影响碳酸盐岩的溶蚀速率[17-18]。碳酸盐岩溶蚀使得喀斯特地表形成多样式小生境，前人主要根据岩石面积裸露情况将生境分为石洞、石缝、石沟、石槽、石面以及一般土面等小生境[19]。喀斯特地区大多数土壤留存于地表发育的石缝、石洞、石沟等小生境中，生境多样性影响生境成土过程和土壤有机质含量[19-22]。然而，已有的研究未能充分说明生境生态因子在岩石溶蚀过程中的贡献大小，特别是对喀斯特小生境类型下岩石溶蚀与成土关系还未见相关报道。

茂兰喀斯特原始森林位于贵州省荔波县境内，是目前世界上同纬度地区喀斯特原生性森林分布面积最大的地区，该地区分布着复杂的小生境类型，对整个西南喀斯特地区具有较好的代表性。本研究选取茂兰喀斯特森林不同小生境类型为研究对象，进行碳酸盐岩溶蚀实验，探讨不同小生境类型下岩石溶蚀及其与成土的关系，以期丰富喀斯特地区成土机制，为喀斯特森林土壤生态保护及可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

贵州荔波茂兰国家级喀斯特自然保护区（25°09′～25°20′N，107°52′～108°05′E），年均温度18.3 ℃，≥10 ℃积温 5 768 ℃，全年降水量1 321 mm，集中分布于4—10 月；年均相对湿度80%；年均霜日7.3 d；全年日照时数1 273 h；属中亚热带季风湿润气候。出露地层主要为下石炭系的厚层石灰岩和白云岩组成，溶蚀作用导致石芽、溶沟、溶蚀裂隙发育完全，出露的岩石起伏多变，且有大块岩石崩塌和堆积，复杂的岩石形态组合的微地形组成了石面、石沟、石洞、石槽、土面等小生境[19]。区内土壤以黑色石灰土为主，土层浅薄不连续，富含有机质及其他营养物质（氮、磷、钾、钙等）。

1.2 试验设计

在茂兰喀斯特森林中采集灰岩样品，带回实验室并加工成直径约1 cm、厚度约2 mm 的岩石薄片，用1000 号砂纸打磨试片表面，将打磨后的试片洗净，烘至恒重，称量并记录，然后置于自制的尼龙网袋中（孔径5 mm），平整存放于野外小生境中，小生境类型具体为：石洞、石缝、石沟、石槽、土面及石面，试片放于小生境表面和小生境土壤内部，具体见表1、图1a 和图1b（注：石面几乎无土壤，因此试片仅放于石面表面），每层放5 块，共放置165 块岩石薄片；取回时间设定为0.5 年、1 年、1.5年、2 年，根据溶蚀速率和溶蚀形态决定每一批次所取回样片数量。计算每批岩样溶蚀速率。预先用无需镀碳的飞纳电镜观察溶蚀后的试片表面情况，挑选出具有溶蚀代表的试片进行镀碳，进一步用扫描电镜能谱仪（Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive Spectrometer，SEM-EDS）观察代表试片的表面形态和微区元素组成。

表1 小生境土层深度及试片放置深度Table 1 Thickness of the soil layer and depth of the placement of the rock sheet

试片于2016 年12 月放置野外小生境中，第一次取回样品时间为2017 年6 月底，每个生境（土壤表面、土壤以下）各取一片，共33 片。洗净、烘干、称重，扫描电镜观察溶蚀形态，发现试片表面有明显溶蚀痕迹。第二次取样时间为2017 年12 月，每类生境中的每个位置取2 片，共66 片；第三次取样为2018 年6 月，每类生境中的每个位置取一片，共33 片，计算溶蚀速率及观察溶蚀形态发现，溶蚀进行1.5 年后溶蚀速率与形态变化缓慢，因此，在第四次取样时（2018 年12 月），仅取6 片，主要为溶蚀明显的生境：石槽、石沟、土面、石面，其中前三类生境分为土壤表面和土壤以下各取1 片。4 次共取回138 片碳酸盐岩试片，剩余27 片取回时间和数量视后期分析结果而定。

1.3 数据处理

为便于分析，将溶蚀速率约定为响应变量，土壤理化指标、微生物（细菌、真菌、放线菌）、生境类型约定为解释变量。以R 语言psych包corr.test函数分析响应变量与解释变量的相关性，randomForest包randomForest 和varImpPlot 函数计算解释变量在影响响应变量过程中的排序情况。

以万分之一天平对溶蚀前后的试片进行称量，计算溶蚀速率：

式中，w0 代表试片初始质量，mg；w1 代表试片溶蚀后质量，mg；a代表溶蚀时间，a；r代表试片半径，cm；以上分析在R 语言3.6 版本中进行。以Origin2017 版本对能谱仪扫描所得谱图数据进行绘图。

2 结 果

2.1 喀斯特森林小生境土壤理化指标与微生物分布

石槽土壤全碳、全氮、全硫以及碳氮比、有机质显著高于其他生境（P<0.05）（表2）[23]；石洞、石缝土壤 pH 高于其他生境，但未达到显著水平（P>0.05）；石槽土壤含水率显著高于石洞、石缝、石沟及土面下层。5 类小生境中，土壤粒径从小到大占比逐渐增加，5 mm 以下占比约为30%，5 mm 以上占比高达70%（石槽中约为30%）（图2a）。石槽土壤真菌、放线菌、细菌含量高于其他生境（图2b）[23]。

表2 小生境土壤理化指标Table 2 Soil Physical and chemical properties of microhabitat

2.2 喀斯特不同小生境岩石溶蚀速率及其对土壤指标的响应

由图3a、图3b 可知，溶蚀时间从0.5～2 年，放置于土壤表面的试片在石洞、石缝、石沟中表现为未见明显溶蚀和低溶蚀，在石槽、石面以及土面中表现为显著溶蚀；此外，相同生境类型中，试片溶蚀速率未见随溶蚀时间增加而一直增大。放置于土壤以下的试片在石洞、石缝、石沟中溶蚀过低，石槽、土面的试片表现出高溶蚀，但石槽组内差异较大。总体上，置于土壤表面的试片溶蚀速率较土壤以下的试片溶蚀速率小，如置于土面表层的试片在溶蚀时间为1 年时，溶蚀速率最高为0.015 mg·cm-2·a，置于土面下层的试片在溶蚀时间为1 年时，溶蚀速率最高为0.024 mg·cm-2·a。

土面下层土壤有机质、碳、氮含量低于其他生境（表2），埋在土面下层的岩石试片溶蚀速率大于土面表层。因此，在分析试片溶蚀速率对土壤理化指标、微生物响应情况时，有必要将土面表层与土面下层区分开进行分析。结果表明，未剔除土面下层时，仅土壤pH 和含水率与溶蚀速率呈显著相关，剔除土面下层后，各因子均与溶蚀速率呈显著相关，并且均表明土壤pH、含水率在二种情况下分别抑制、促进试片的溶蚀（表3）。随机森林分析表明（图4a、图4b），无论剔除土面下层与否，生境类型、土壤含水率是影响试片溶蚀的主要因子，微生物对试片溶蚀影响较其他因子小。

表3 小生境土壤性质与试片溶蚀速率相关性Table 3 Correlation coefficients between soil properties and dissolution rate of carbonate rocks relative to type of microhabitat

2.3 喀斯特不同小生境岩石溶蚀形态

由2.2 节已知，土面、石槽、石沟以及石面这四类小生境中的试片质量在0.5 年时就已减少，而石缝和石洞生境中的试片直至2 年时质量仍未见明显减轻，因此，分析溶蚀形态时，主要关注试片质量在2 年内明显减轻的生境中的试片（注：在以扫描电镜观察溶蚀形态实验中，实验者从不同溶蚀阶段试片中主要选取溶蚀速率存在变化的试片进行观察，每片试样随机至少抽取4 个点进行观察）。直接观察从野外采回的对照组发现（图5a），溶蚀主要分为溶锥和溶孔两种形态，未经溶蚀的试片表面较溶蚀相对平整（图5b），说明试片在溶蚀过程中受到岩性及节理的影响，表现出选择性溶蚀。对比置于土面（图5c、图5d、图5e、图5f）和石槽（图5i、图5j、图5k、图5l）中的试片的溶蚀形态发现，土面中试片溶锥和溶孔随着溶蚀时间的增加而明显，石槽中试片溶蚀痕迹较同时期的土面表层试片溶蚀形态更加明显，特别是在0.5 年时就已经呈明显溶蚀。埋于土壤以下的试片（图5g、图5h、图5m）的溶蚀形态较同时期的土体表面中试片的形态更加明显，溶蚀区域更为宽广。

通过SEM 观察到试片表面存在不均匀溶蚀现象，通过EDS 分析溶蚀表面的溶锥和溶孔元素组成（图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f），可知两种溶蚀形态微区域元素组成总体上为Ca、Mg、Si、Al、C 以及O，推测主要的组成可能为CaCO3、Ca（Mg）（CO3）2、CaAl2Si2O8、SiO2等化合物，这些化合物为碳酸盐岩风化溶蚀后的产物。

3 讨 论

3.1 环境因子对岩石溶蚀速率的影响

目前，对于喀斯特碳酸盐岩成土速率与成土关系的研究，基本上认为形成1 m 厚的土层需要63～788 万年[15，24]。碳酸盐岩溶蚀受到组成结构和外界条件的综合影响，组成结构包括岩石元素组成差异、孔隙度大小、节理等特征，外在条件主要包括降雨量及持续时间、光照（温度、辐射）、植物根系的机械作用及其分泌物、微生物等因素。事实上，在野外溶蚀过程中，自然条件极为复杂，土地利用方式、植被类型均会对溶蚀产生影响[25-26]，研究发现溶蚀速率与土壤pH 呈负相关，与含水率、土壤有机碳呈正相关[17-18]，与本研究剔除土面下层后的结果一致（表3）。在未剔除土面下层的相关性分析中发现（表2），土壤有机质、碳、氮、硫、微生物与溶蚀速率相关性较小，土壤含水率是影响岩石溶蚀速率的主要因子（图4b），前已述及，土壤下层中有机质、碳、氮、硫、微生物含量以及含水率均低于土壤表面，（表2、图2b）。既有研究表明土壤有机碳含量与其产生二氧化碳、有机酸的能力呈正比关系，二氧化碳溶于水形成碳酸极大提升了水的溶蚀能力[27-28]，土壤含水率对岩石溶蚀的影响被包含在生境类型作用中，其亦是影响岩石溶蚀主要因子（图4a、图4b），说明了水及其他物质从土壤表面渗流至土壤下层，使得岩石溶蚀速率在土壤以下高于土壤表面。

3.2 小生境对试片溶蚀形态的影响

为理解岩石溶蚀过程及发生机制，许多科研工作者设计室内模拟实验，主要以淋溶实验为主（以定浓度的盐酸或碳酸溶液为淋液），结果表明碳酸盐岩溶蚀促使淋溶液体pH 升高、溶蚀初始有酸不溶物产生、溶蚀增大碳酸盐岩孔隙度[16，29-32]。溶蚀模拟结合扫描电子显微镜观察溶蚀形态发现，受到岩性的影响，溶蚀形态主要表现为选择性溶蚀、不均匀溶蚀[33]，微生物（细菌、真菌及放线菌）对溶蚀形态的影响有显著促进作用[34-35]。本研究中，与野外自然溶蚀（图5a）、未经溶蚀（图5b）的试片的表面形态相比，溶蚀时间为0.5 年时，置于土面的试片未见明显溶蚀（图5c），置于石槽的试片溶蚀形态明显被观察到（图5i）。基于相同溶蚀时间内，比较同一生境类型下的土壤表面、土壤以下岩石溶蚀形态发现，埋于土壤以下的岩石溶蚀较置于土壤表面明显（图5e、图5f、图5g、图5h、图5i、图5m），前已述及，水及其他物质从土壤表面渗流至土壤以下，可进一步与土壤中的物质综合作用于岩石，可见，土壤含水率在岩石溶蚀速率、形态的变化中发挥重要作用。对溶锥和溶孔进行能谱分析表明，二种微区的元素组成未见显著差异，这可能是野外作用时间不够长、溶蚀正在发生，今后可依托切片技术进一步分析。

3.3 岩石溶蚀在成土中的作用

喀斯特地区成土速率缓慢，与喀斯特成土方式存在重要联系[36]，在过去的研究中，对于岩石溶蚀与成土的关系，主要从物理、化学方面考虑，很少综合考虑生境类型、土壤理化指标以及微生物与岩石溶蚀在成土过程中的作用，如刘方等[19]认为小生境成土过程主要以岩石风化、腐殖化为主。岩石溶蚀直至变成土壤是一个复杂的过程，环境因子的综合作用极其重要。本研究表明，不同类型小生境土壤理化指标、碳酸盐岩溶蚀速率存在显著差异（表2，图3a、图 3b），研究发现，小生境土壤 PLFAs（Phospholipid Fatty Acids）总量存在显著差异，如石槽中土壤总PLFA 含量最高，石洞、石缝中较低[23]，土壤细菌Alpha 多样性未见显著差异，但Beta 多样性差异显著[37]。从小生境类型对土壤理化性质、碳酸盐岩溶蚀速率和形态以及微生物分布的影响可反映出喀斯特山区生态演替过程的环境变化规律，具体表现为：从石缝、石洞，到石沟、石槽，最后到土面，该方向为正向演替，从土面、石槽，最后到石洞、石缝，该方向为反向演替。无论是正向演替或反向演替，岩石溶蚀一直发生，正向演替岩石溶蚀速率逐渐增大，土壤微生物群落与功能向稳定方向发展，土壤由贫瘠到肥沃；反向演替可视为喀斯特山区土壤质量下降的根本规律。

综上，茂兰喀斯特森林生境类型对岩石溶蚀速率、形态存在显著影响，这种影响进一步使得不同生境类型在成土方式、质量上表现出差异。在贵州喀斯特地区，碳酸盐岩出露面积约为12.96 万km2，岩石裸露率高达73.6%，这种自然环境与本研究中石面类似，成土方式与本研究中石洞、石缝生境类似，成土速率慢、质量低，导致土壤环境极为脆弱。为解决喀斯特地区土壤贫瘠、质量低等问题，可加大植被恢复面积和管理力度，并且在可能的情况下，地区间的土壤可实施转移“借”用，加速构建植被、土壤微生物以及土壤动物之间的生态功能网络，促进喀斯特山区成土速率以确保土地资源的可持续利用。

4 结 论

研究喀斯特山区岩石溶蚀对土壤生态保护和可持续利用具有积极意义，经野外溶蚀实验和室内分析表明：（1）埋于石槽生境中土壤以下的试片在溶蚀时间为0.5 a 时，溶蚀速率达0.02 mg·cm-2·a-1，置于生境表面的试片在溶蚀至2a 时，溶蚀速率最高约0.015 mg·cm-2·a-1，总体表现出埋于生境土面以下的岩石试片溶蚀速率较置于生境表面高。（2）在溶蚀时间从0.5～2 a 中，随着溶蚀时间增加，试片溶蚀区域扩大，并且溶锥体积逐渐增大、溶孔加深。能谱分析发现试片溶蚀区域元素组成未见显著差异。（3）岩石溶蚀主要受到生境类型的影响，影响过程可通过土壤含水率、有机质以及微生物等因子体现。（4）碳酸盐岩溶蚀与环境因子的综合作用过程是茂兰喀斯特森林主要成土方式。