岩溶试片的岩性差异对估算岩溶速率和碳通量的影响

张小琴 ，罗维均 ，王彦伟 ，蔡先立 ,3，吕伊娜 ，王世杰

（1. 中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室, 贵州 贵阳 550081；2. 中国科学院大学,北京 100049；3. 中国科学院普定喀斯特生态系统观测研究站, 贵州 普定 562100；4. 贵州省高校乡村振兴研究中心, 贵州 安顺561000）

0 引 言

自工业革命以来，化石燃料燃烧及土地利用变化等人类活动使得大气中CO2浓度剧增，从1750 年的277 ×10-6上升到2021 年的416.87×10-6[1]。人类活动的碳排放40%直接增加了大气中的CO2浓度，30%被海洋所吸收，还有10%左右的剩余部分被称为遗失碳汇，可能分布在陆地生态系统中[2-3]。而陆地生态系统组成十分复杂，确定具体的碳汇分布难度较大，特别是在喀斯特地区，地表的二维三元结构使得碳循环路径更多、过程更为复杂，碳循环的研究需考虑水-岩-土-气-生5 个子系统[4]。近来的很多研究表明，碳酸盐岩的化学风化过程将在短期和长期产生碳汇[5-6]。20 世纪90 年代，科学家利用石灰岩溶蚀试片法、水化学法和扩散边界层理论估算出全球范围内岩溶作用每年的碳回收量为0.22～0.608 Pg C，约占未知碳汇的1/3[7]。随着研究的加深，发现碳酸盐岩溶解的无机碳可在水循环的参与下与水生生物光合作用产生联系[7-9]，并且得出该过程的碳汇强度为0.5 Pg C·a-1，约占陆地遗漏碳汇的50%[10]。这些研究为全球碳循环研究提供了理论补充，表明对岩溶碳通量的研究不容忽视[11-12]。在定量评估岩溶作用速率及其碳汇强度的研究中，标准溶蚀试片法是最简单且常用的。在中国，标准溶蚀试片为采自桂林泥盆系融县组纯的石灰岩，经加工制成标准尺寸的岩石试片（圆饼形，直径40 mm，厚3 mm），将其放置于空气中、土壤表面或地下不同深度（-5 cm、-20 cm、-50 cm），一定时间内取回称重计算其溶蚀量[13]，并采用以点带面的方式，直接计算区域内的溶蚀速率，从而简化了因碳酸盐岩种类太多带来的复杂计算[14]。自20 世纪90 年代，学者通过埋放标准溶蚀试片进行溶蚀实验，研究土壤水、CO2、有机质、微生物等环境因素对碳酸盐岩溶蚀速率的影响[15-19]，并估算区域内岩溶碳汇强度[20-23]。但是，由于喀斯特地区地质背景具有高度的异质性，如果均使用标准溶蚀试片（取自桂林泥盆系的石灰岩）来研究岩溶碳汇效应，会产生较大的误差[24-25]。基于此，本文以中国贵州省普定县为研究区，选择当地基岩（石灰岩与白云岩）制成与标准试片形状和大小相同的试片，并参考标准试片的野外试验方法进行埋设，经过四个水文年的试片收集和称重，对该区不同土地利用类型的岩溶作用速率及岩溶碳汇强度进行估算，通过与标准溶蚀试片的相关研究进行对比分析，并探讨差异形成原因，为准确估算喀斯特地区的碳汇量提供科学依据。

1 研究区概况

普 定 县 位 于 贵 州 省 中 偏 西 部（105°27'49″E～105°58'51″E，26° 26' 36″ N～26° 31' 42″ N），海拔1 100～1 600 m。属于亚热带季风湿润气候。试验期间年均气温16.1 ℃，日最高温度29 ℃，最低温度-0.4 ℃，年平均降水量在1 079.3 到1 457.7 mm。普定县为高原丘陵、山地地形，县域地势为中间低南北高，主要为峰丛、溶洞、暗河、洼地等喀斯特地貌。县域碳酸盐岩地层出露面积约占总面积的84.27%，主要为石炭系、二叠系、三叠系，其中以三叠系出露面积最大，约占60.7%。全县土壤种类较多，主要为石灰土、黄壤、水稻土、山地黄棕壤、山地灌丛草甸土等，其中，石灰土占比最大，约为63.7%。普定县境内代表性植被为常绿栎林、常绿落叶混交林和马尾松林，灌丛和草地主要为藤刺灌丛、火棘、白茅、青蒿等植物[26]。

研究区位于普定县马官镇北部的天龙山（26°14'40″N，105°45'45″E）和白岩镇东部的讲义村（26°15′57″N，105°50′26″E）（图1）。天龙山区域为喀斯特峰丛洼地地貌，基岩为三叠系关岭组中段（T2g2），岩性主要是薄层至中厚灰岩、泥灰岩[27]，土壤类型为黑色石灰土，土层较薄，地面平均岩石裸露率为44.7%，土被不连续[28]，山体陡峭，森林植被保存较好，主要以圆果化香树、云南鼠刺、窄叶石栎为优势种的常绿落叶阔叶混交林[29]；农田以水田和旱地为主，主要种植水稻、玉米和油菜。讲义村区域的基岩为三叠系关岭组上段（T2g3），岩性主要为紫红色微晶白云岩[27]，土壤类型为黑色石灰土，土被不连续，土层厚度在10～50 cm。次生林地以椤木石楠为优势种的常绿落叶混交林，山体草甸主要的植物为白茅，水田交替种植水稻和油菜，旱地种植玉米和蔬菜。

2 研究方法

将研究区的基岩加工制成标准尺寸的溶蚀试片，选取典型的土地利用类型（次生林地、灌丛、草地、旱地、水田），每个土地利用类型设置一个埋放点，埋放深度为地下5 cm、20 cm、50 cm，每层埋放4 组试片，每组为一片白云岩（讲义村基岩）和一片石灰岩（天龙山基岩）。试片于2016 年12 月进行埋放，后期每年取出一组测定其溶蚀量。埋放点概况如表1，土壤剖面如图2 和图3。

表1 不同土地利用类型埋放点概况Table 1 Overview of buried sites of different land use types

每片试片埋放前用纯净水洗净并烘干，称重两次取平均值，记录下初始重量W1；埋放后取出时再用纯净水洗净，放入105 ℃的烘箱烘干24 h，再次称重两次取平均值W2。称重精度为0.01 mg。计算试片日均溶蚀速率[13,30]：

式中：ER为日均单位面积溶蚀量，即溶蚀速率(mg·m-2·d-1)；W1为试片初始重量(mg)；W2为试片埋放后重量(mg)；T为埋放天数(d)；S为试片表面积(约28. 91 cm2)。采用以下公式计算两地不同土地利用下的岩溶碳汇强度：

公式（2）为天龙山（石灰岩区）岩溶碳汇强度计算公式，公式（3）为讲义（白云岩区）岩溶碳汇强度计算公式。式中，F为碳汇强度，单位是tCO2·km-2·a-1；ER为岩石试片的日单位面积溶蚀量，单位是mg·m-2·d-1；R为 岩 石 试 片 的 碳 酸 盐 岩 纯 度；M1为CO2的分子量44；M2为石灰岩试片岩石成分CaCO3的分子量100 或白云岩试片岩石成分CaMg (CO3)2的分子量184。

3 结 果

3.1 不同土地利用类型及不同层位的溶蚀速率

将天龙山和讲义村两埋放地4 年内回收的全部试片计算日均溶蚀速率，并取平均值得到表2。

从表2 可以得出不同土地利用类型不同层位试片的溶蚀速率特征如下：

表2 不同土地利用下不同深度的试片日均溶蚀速率Table 2 Daily average dissolution rate of rock tablets at different soil depths under different land uses

（1）不同土地利用类型地下0～50 cm 范围内，天龙山石灰岩试片的平均溶蚀速率为水田(138.85 mg·m-2·d-1)＞旱 地(136.60 mg·m-2·d-1)＞次 生 林(49.19 mg·m-2·d-1)，白云岩试片的溶蚀速率为旱地(110.79 mg·m-2·d-1)＞水 田(102.70 mg·m-2·d-1)＞灌 丛(66.83 mg·m-2·d-1)＞次生林(25.36 mg·m-2·d-1)。总体来看，天龙山两种岩性试片的溶蚀速率都表现为水田和旱地的溶蚀速率最大，次生林的溶蚀速率最小。讲义村两种岩性试片的溶蚀速率表现为水田＞旱地＞草地＞次生林＞灌丛，但不同土地利用类型的溶蚀速率差异较明显。

（2）相同土地利用类型、不同层位二种试片的溶蚀速率差异较大，规律不一。具体表现为：在天龙山，不同埋放深度下，埋放在次生林和水田的石灰岩和白云岩试片都表现为地下5 cm 处溶蚀速率最大，地下20 cm 次之，地下50 cm 处最小；埋放在旱地的石灰岩和白云岩试片则表现为地下20 cm 处溶蚀速率最大，地下50 cm 处次之，最小为地下5 cm处。其中，石灰岩和白云岩试片溶蚀速率最大值都出现在水田地下5 cm 处，分别为186.99 mg·m-2·d-1和144.75 mg·m-2·d-1，最小值出现在次生林地下50 cm处，分别为8.73 mg·m-2·d-1和3.95 mg·m-2·d-1。在讲义村各埋试点，埋放在灌丛和草地的石灰岩和白云岩试片的溶蚀速率都呈现出随埋深增加逐渐减小的趋势；而埋放在水田中的两种试片的溶蚀速率都表现出随埋深增加逐渐增大；旱地里两种试片的溶蚀速率在地下20 cm 处最大，地下50 cm 处次之，地下5 cm 处最小；埋放在次生林中石灰岩和白云岩试片的溶蚀速率与埋放深度的关系不大。在讲义村，两种试片的溶蚀速率最大出现在水田地下50 cm 处，最小出现在灌丛的地下50 cm 处。

（3）天龙山和讲义村各土地利用类型及各埋放深度，都表现出石灰岩试片的溶蚀速率比白云岩试片的溶蚀速率高。天龙山次生林地下5 cm 处石灰岩试片比白云岩试片溶蚀速率大65 mg·m-2·d-1左右，埋深在地下20 cm 和50 cm 处两种试片的溶蚀速率差异不大；在灌丛中，地下5 cm 处石灰岩试片比白云岩试片溶蚀速率大36.78 mg·m-2·d-1；在水田和旱地中，两种试片的溶蚀速率差异较稳定，在25～45 mg·m-2·d-1之间。在讲义村，埋在旱地土壤下20 cm处石灰岩试片溶蚀速率比白云岩试片溶蚀速率大47 mg·m-2·d-1左右，除此之外，其他土地利用类型石灰岩和白云岩试片的溶蚀速率差异都稳定在10 ～30 mg·m-2·d-1之间。

3.2 环境条件对不同岩性试片溶蚀速率的调控作用

3.2.1 石灰岩与白云岩溶蚀速率关系

对研究区4 年内所有的白云岩与石灰岩试片的日均溶蚀速率进行相关性分析（图4）发现，绝大部分的点分布在y=x线上方，K＞1（K=石灰岩溶蚀速率/白云岩溶蚀速率），即石灰岩试片的溶蚀速率整体大于白云岩试片的溶蚀速率，统计分析结果得出，石灰岩溶蚀速率比白云岩溶蚀速率大14%左右，相关性系数为0.85。

3.2.2 土地利用类型与溶蚀速率的关系

将4 年内的试片日均溶蚀速率的平均值（表2）按土地利用类型进行划分，对3 个土壤深度下石灰岩与白云岩试片的溶蚀速率进行相关性分析（图5），在石灰岩溶蚀速率大于白云岩溶蚀速率的基础上（K＞1），同一土地利用类型的3 个埋放深度的K 值不一致，即3 个埋放深度的石灰岩与白云岩溶蚀速率差异程度不同，3 个点趋势线的斜率越接近1，说明该土地利用类型下3 个埋放深度对石灰岩与白云岩溶蚀速率差异的影响越小。天龙山的次生林、旱地和水田3 个埋放点趋势线的斜率分别为2.28、1.01 和1.08，讲义村的旱地、次生林、草地、灌丛、水田3 个埋放点趋势线的斜率分别为2.11、1.78、1.31、1.14、0.80。

3.2.3 土壤埋放深度与溶蚀速率的关系

同理，将4 年内的试片日均溶蚀速率的平均值（表2）按埋放深度进行分类，对研究区全部土地利用类型的石灰岩与白云岩试片的溶蚀速率进行相关性分析（图6），在石灰岩溶蚀速率大于白云岩溶蚀速率的基础上（K＞1），同一埋放深度下，不同土地利用类型的K 值不一致，埋放点趋势线斜率越接近1，说明研究区内不同土地利用类型对石灰岩与白云岩溶蚀速率的影响越小。天龙山的土壤下5 cm、20 cm、50 cm处埋放点趋势线的斜率分别为0.84、1.24、1.11，讲义村的土壤下5 cm、20 cm、50 cm 处埋放点趋势线的斜率分别为1.20、1.30、1.08。

3.3 岩溶碳汇强度估算

3.3.1 埋放地的岩溶碳汇强度

本研究在天龙山和讲义村均使用了石灰岩和白云岩两种岩性试片，天龙山基岩为石灰岩，讲义村基岩为白云岩，根据天龙山各土地利用类型下的石灰岩试片的平均溶蚀速率及其主要化学成分（表3），由公式（2）计算出天龙山不同土地利用类型的岩溶碳汇强度。同理，由公式（3）计算出讲义村不同土地利用类型的岩溶碳汇强度（表4）。

表3 不同岩石试片主要化学成分Table 3 Main chemical components of different rock tablets

表4 不同土地利用类型地下平均岩溶碳汇强度Table 4 Average karst carbon sink intensity under different land use types

3.3.2 不同岩性试片碳汇估算对比

本研究中，同一埋放点埋放的两种岩性试片其溶蚀速率差异显著，根据公式（2）和（3）计算得出天龙山各土地利用类型地下50 cm 处两种试片对应的岩溶碳汇强度（表5），次生林、旱地和水田下石灰岩试片的岩溶碳汇强度分别为1.33 tCO2·km-2·a-1、19.93 tCO2·km-2·a-1、10.59 tCO2·km-2·a-1，均大于白云岩试片估算的结果。曾成等[17]在普定县陈旗村使用标准溶蚀试片（采自广西桂林七星岩上泥盆统融县组）的研究结果表明：旱地和水田的地下50 cm 处的岩溶碳汇强度分别为22.49 tCO2·km-2·d-1和13.02 tCO2·km-2·a-1，均高于本研究的石灰岩试片和白云岩试片的估算结果，灌丛的岩溶碳汇为2.60 tCO2·km-2·a-1，比本研究白云岩试片估算的结果低。可见在环境条件相同时，试片岩性的差异会造成岩溶碳汇强度估算的差异，总体上标准试片法估算的结果较大。

表5 地下50 cm 处不同岩性试片估算的岩溶碳汇强度Table 5 Karst carbon sink intensity at 50 cm underground estimated by different lithology rock tablets

4 讨 论

岩溶作用是CO2溶于水形成弱酸溶液溶解可溶性岩石的化学溶蚀过程，因此试片的溶蚀作用强度直接受土壤环境中水份含量和CO2浓度影响。此外，有研究认为试片的溶蚀作用还受到土壤有机质含量、植被状况以及土壤微生物含量等因素的影响。土壤有机质含量越高时，土壤pH 越低，越容易使试片溶蚀[17]；植物根系分泌的有机酸可降低土壤pH 以及提高土壤碳酸酐酶活性，从而促进岩石化学风化[33]；土壤微生物的活性和多样性也可加速碳酸钙类岩石的溶蚀[32]。另外，土壤中的碳酸盐岩角砾会与降雨后下渗的土壤水发生溶蚀反应，从而削弱了继续下渗的土壤水的溶蚀能力，使深部的溶蚀试片的溶蚀量减少。本研究中，次生林、灌丛、水田、旱地和草地的土壤水分含量、土壤孔隙度、植被状况、凋落物含量以及各埋放点土壤的碎石比均存在较大差异（表1），故同一岩性的试片在不同土地利用类型下溶蚀速率差异显著。

在相同环境条件下，不同岩性岩石的矿物组成和结构决定了自身的溶蚀速率[33]。研究区内的基岩主要由方解石（CaCO3）和白云石（CaMg(CO3)2）两种矿物组成，两种矿物晶体结构不同，因此其溶蚀作用也存在一定差异。石灰岩的主要矿物成分为方解石，白云岩则为白云石。在溶蚀过程中，石灰岩沿分散孤立的晶间空隙溶蚀，形成很多溶蚀坑，白云岩则沿节理裂隙进行溶蚀，使裂隙不断扩大而崩解[34]。一般情况下，碳酸盐岩类型的溶蚀比为：石灰岩＞云灰岩＞泥质云灰岩＞大理岩＞泥质灰岩＞灰云岩＞泥质灰云岩＞白云岩＞泥质白云岩[35]。本研究中，石灰岩和白云岩试片的主要化学成分如表3，结合曾成等[22]在普定县使用标准溶蚀试片的试验结果，将试片的化学成分与其溶蚀速率进行相关性分析，得出在水田和旱地两种土地利用类型下，岩石溶蚀速率与CaO 含量呈正相关，与MgO 含量呈现负相关，相关性系数均大于0.90（图7），且水田和旱地的地下试片溶蚀速率受MgO、CaO 含量影响的程度不同，这可能与两种土地利用类型的土壤环境有关。

不同土地利用类型及不同土壤深度下，石灰岩与白云岩溶蚀速率的比值不同，其原因除与试片岩性有关外，还与试片埋放点的土壤环境有关，是各因素的共同作用的最终结果。同一土地利用类型，在不同深度下，试片的溶蚀速率主要受不同深度土壤环境条件的影响，从图5 分析得出，在天龙山，地下埋放深度对埋放在水田和旱地的石灰岩与白云岩试片溶蚀速率差异程度的影响较小，对埋放在次生林下的影响相对较大；而在讲义村，埋放深度对草地下石灰岩与白云岩试片溶蚀速率差异程度的影响较小，而对旱地和次生林下的试片影响相对较大。同理，在同一区域的相同土壤深度下，受不同土地利用类型的土壤环境条件的影响，石灰岩与白云岩的溶蚀速率差异程度相差较大，从图6 分析得出，研究区内地下5 cm 和20 cm 处土地利用类型对石灰岩与白云岩溶蚀速率差异程度的影响较大，50 cm 处的最小。总之，影响试片溶蚀速率的主要因素是水和CO2的含量及其与岩石的接触面积，当反应条件已达到充分时，溶蚀速率就主要由岩性来决定。

使用溶蚀试片法估算的岩溶碳汇强度是在已知试片溶蚀速率的基础上进行的，岩溶碳汇强度与溶蚀速率两者有一定的正相关性，但相关程度受碳酸盐岩纯度的影响。根据表5 得出在水田和旱地下，标准溶蚀试片法估算的岩溶碳汇强度比本研究采用的石灰岩与白云岩试片估算的岩溶碳汇强度都大，本研究石灰岩试片的岩溶碳汇强度又比白云岩的岩溶碳汇强度大，结合三种试片的化学成分（表3）认为，岩性差异是导致相同土地利用类型下岩溶碳汇强度差异的主要原因。这和黄奇波等[22]在山西吕梁山岩溶流域的研究结果一致，使用当地岩性的试片估算的岩溶碳汇强度(1.738 tCO2·km-2·a-1)明显低于标准试片的计算结果(1.821 tCO2·km-2·a-1)。而与水化学法相比，多项研究表明，采用溶蚀试片法估算得出的岩溶碳汇强度比采用水化学法计算的结果要低，仅为水化学法计算结果的1/5 到1/6[22,36]，这除了与流域内土壤中存在的原生和次生碳酸盐有关外，可能还与当地基岩复杂的岩性有关，标准溶蚀试片不能完全代表流域内的基岩，从而造成标准试片法计算的结果偏低。

综上，岩性及土壤环境条件对试片的溶蚀速率影响较大，当前的研究虽未能将每个因素的影响进行量化，但得出了岩石的溶蚀速率与自身CaO 含量呈一定的正相关关系，虽然在不同环境条件下正相关程度有一定的差异，但总的看来，当基岩CaO 含量相差17%时，其溶蚀速率相差14%，结合基岩的碳酸盐岩纯度可计算岩溶碳汇强度。

5 结 论

（1）使用埋放地的基岩试片估算了研究区不同土地利用类型的溶蚀速率及岩溶碳汇强度，并与前人使用标准溶蚀试片在该区的研究进行对比分析，发现不同土地利用类型、不同埋放深度等条件下，石灰岩试片比白云岩试片岩溶速率大14%，产生原因主要是受溶蚀试片CaO 和MgO 的相对含量控制；

（2）在不同研究区，由于岩性差异，采用标准溶蚀试片估算岩溶碳汇强度会造成结果的高估或低估，而基于埋放地基岩岩性的试片更能准确地代表当地的岩溶速率；

（3）溶蚀试片法与水化学法计算的岩溶碳汇结果往往存在差异，可能与采用的标准试片法岩性与当地基岩岩性不同有关，需要进一步研究确认。