不同土地利用方式土下巖溶溶蝕速率及影響因素

藍家程，傅瓦利，* ，彭景濤，周小萍，肖時珍，2，袁 波

(1.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715;2.貴州師范大學(xué)中國南方喀斯特研究院，貴陽 550000)

西南巖溶區(qū)特殊的地質(zhì)背景形成的相對脆弱的生態(tài)環(huán)境，敏感度高［1］。容易引起巖溶區(qū)地面塌陷、干旱洪澇、地下水污染、土壤貧瘠、水土流失、巖溶石漠化等一系列地質(zhì)災(zāi)害問題。

前人研究巖溶作用主要從宏觀角度進行對比，如不同地質(zhì)背景、氣候與水文條件下巖溶作用強度及其差異［2-3］;或從碳循環(huán)角度研究巖溶作用對CO2匯的貢獻［4-5］;或探討巖溶作用對環(huán)境變化的敏感性［6-8］。已有的研究表明，土壤在巖溶作用與巖溶生態(tài)系統(tǒng)中扮演著極其重要的角色［9-10］。氣溫和降雨控制溶蝕速率［8，11］。不同季節(jié)，氣候因子差異，土地利用方式的變化會對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，進而影響到巖溶作用的強度和方向［12-15］，而土壤各個因子又是相互聯(lián)系，相互作用，共同影響巖溶作用過程［16］。本文以土地利用為切入點，從土壤溶解性有機碳(DOC)含量、土壤CO2濃度、土壤含水量和優(yōu)先流分布、土壤pH值和孔隙度等性質(zhì)入手，分析其對旱季土下溶蝕速率的影響，有助于把握土地利用對巖溶作用的影響程度。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市中梁山，東經(jīng) 106°18′14″—106°56′53″，北緯 29°39′10″—30°3′53″之間，屬于中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，海拔400—700 m，年均氣溫18℃，多年平均降水量1000 mm左右，全年降雨量集中分布在3—9月，占全年降雨量的75.8%。研究區(qū)土壤由三疊紀嘉陵江組的巖溶角粒狀白云質(zhì)灰?guī)r發(fā)育而成，土層厚0.15—1 m。該區(qū)地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林，受巖性、土壤和人類活動影響，巖溶槽谷已經(jīng)沒有典型的常綠闊葉林地，現(xiàn)有植被為人工次生林。目前該研究區(qū)的主要土地利用方式是林地、草地、耕地和菜地，其中耕地以坡耕地為主，草地由耕地撂荒而成。本文選取了林地、草地和菜地作為研究對象，其樣地基本情況見表1。

2 材料與方法

2.1 采樣方法

2010年11月23日至2011年2月25日在中梁山巖溶槽谷中每月選取了林地、草地和菜地，3種土地利用方式分別開挖2個土壤剖面，按0—20 cm和20—50 cm從下往上采取土壤樣品，每個層次取1 kg左右樣品裝入自封袋中密封保存。將所取的土樣馬上帶回實驗室分成2份，一份作為新鮮樣品用于測定土壤溶解性有機碳，如不能立即實驗，貯藏于4℃冰箱內(nèi)盡快測定;另一份風(fēng)干后用于測定土壤基本理化性質(zhì)。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic information of sample plot

2.2 試驗和研究方法

土壤含水量、孔隙度和土壤pH值采用常規(guī)法［17］;土壤溶解性有機碳(DOC)的測定［18］采用硫酸鉀侵提法;土壤CO2濃度測定參照何師意等［6］人設(shè)計，分別在土下20 cm處和土下50 cm處埋放土壤CO2收集裝置(結(jié)構(gòu)如圖1)，每月測量各層CO2濃度1—2次。

圖1 CO2收集裝置示意圖Fig.1 Sketch of CO2collector

標(biāo)準溶蝕試片法［11］:由袁道先在20世紀80年代末引進國內(nèi)，并在IGCP299項目(1990—1994)中得到廣泛應(yīng)用，主要目的是對比不同地質(zhì)、氣候與水文條件下巖溶作用的強度及其差異。取當(dāng)?shù)氐貙又械募瘟杲M白云質(zhì)灰?guī)r巖塊磨制成統(tǒng)一直徑為40 mm，厚為3 mm的圓形標(biāo)準溶蝕試片。于2010年11月22日至2011年3月23日，將試片按土下5 cm、土下20 cm、土下50 cm埋放于3種土地利用方式下，每種土地利用方式每個土壤剖面埋放2塊，共18塊，用于測定旱季土下溶蝕速率。試片取出后小心洗凈并風(fēng)干，經(jīng)過兩次烘箱烘干后稱重取平均值，按照公式(1)計算測試時間內(nèi)各個試片的單位面積溶蝕量。計算公式如下:

式中，ER為單位面積溶蝕量，即溶蝕速率(m g·m-2·d-1);W1為試片初質(zhì)量(g);W2為試片取回后烘干質(zhì)量(g);(W1-W2)為埋放時間內(nèi)試片絕對溶蝕量(g);T為埋放天數(shù)(d);S為試片表面積(約28.91 cm2)。

亮藍染色示蹤優(yōu)先流:分別在3種土地利用方式上隨機選取試驗點，首先除去表層的枯枝落葉層，平整出0.5 m×0.5 m的小區(qū)。根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤炅?，配置濃度?0 g/L的亮藍溶液6 000 mL。在小區(qū)上均勻的噴灌，過24 h開挖。開挖深度直到基本上沒看到染色部分為止，然后用分辨率統(tǒng)一的數(shù)碼相機對土壤剖面進行拍照。根據(jù)已有的試驗，為了降低或消除試驗誤差，每次拍照時應(yīng)調(diào)節(jié)相機鏡頭與土體表面一致，同時利用卷尺測量每一剖面的寬度和深度作為比例尺［19］。

圖像處理:將野外所拍的圖像直接輸入計算機，利用CorelDraw軟件對照片的染色部分進行矢量化處理，將染色部分填充為黑色，未染色部分呈白色，制成染色示意圖。最后將處理過的圖像以.jpg格式輸出。

數(shù)據(jù)處理在Spss17.0和Excel2007軟件上實現(xiàn)。統(tǒng)計分析采用單因素方差分析(ANOVA)和多重比較LSD法判斷不同土地利用方式土壤DOC含量變化是否有差異。方差分析前，對各組數(shù)據(jù)值進行檢驗，檢驗其是否滿足正態(tài)分布和方差是否是齊性，若不滿足，則需要通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換使其滿足方差分析的要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用方式土壤溶解性有機碳差異

由表2可知，不同土地利用方式下0—50 cm土壤DOC含量平均值大小順序為:林地＞草地＞菜地;就不同土層來看也是林地最大，菜地最小，草地居中。經(jīng)過單因素方差分析和多重比較發(fā)現(xiàn)，0—20 cm層林地和菜地DOC含量差異顯著(P＜0.05)，林地和草地以及草地和菜地有一定的差異，但不顯著;20—50 cm層林地和草地、菜地差異顯著(P＜0.05)，草地和菜地差異不顯著。土壤DOC剖面分布除了林地下層大于上層外，草地和菜地均表現(xiàn)為上層大于下層，方差分析表明同一種土地利用方式不同土層土壤DOC含量差異不顯著。

表2 不同土地利用方式不同土層深度土壤環(huán)境因子Table 2 Soil Environmental factors in different soil depth under different land use patterns

一般來說，土壤DOC主要來源于植被凋落物、根系分泌物、微生物活動和土壤有機質(zhì)以及外來施入的有機肥料等，其含量很大程度上取決于土壤有機碳含量。趙勁松等［20］人認為土壤DOC來源于腐殖化的有機質(zhì)、植物凋落物、根系分泌物和微生物生物量。同時，土壤溶解性有機碳含量還受到溫度、降雨量、土壤含水量、土壤質(zhì)地、pH值等因素的影響。林地枯枝落葉多，根系深且分泌物多，有機碳含量高，微生物活性強，粘粒含量最高，可吸附的土壤溶解性有機碳增加，下層DOC含量高可能是隨水遷移的結(jié)果;菜地由于長期人為耕作和施用氮肥，土壤溶解性有機碳含量明顯下降［21］;草地相對林地凋落物少，根系分布淺，土壤DOC含量居中。

3.2 不同土地利用方式土壤水分

3.2.1 不同土地利用方式土壤含水量和孔隙度變化

不同土地利用方式土壤含水量存在較大差異(表2)，其0—50 cm平均值大小順序為林地＞草地＞菜地;土壤孔隙度表現(xiàn)為菜地＞草地＞林地，上層大于下層，說明林地、草地保水能力較強，這與林草地植被覆蓋度較高，根系及枯枝落葉層的作用有關(guān)。隨著土壤深度的增加，林地、草地土壤含水量有增加的趨勢，而菜地有減小的趨勢。土壤的通透性能是林草地土壤水源涵養(yǎng)的重要指標(biāo)之一，林地、草地表面凋落物層較厚，有很強的吸水性能，蓄水能力強，并且表層孔隙度較大有利于水分下滲，下層孔隙度小，保存水分;菜地雖然孔隙狀況也有利于水分下滲，但蓄水能力弱。李陽兵［21］等人研究表明，不同土地利用方式土壤含水量變化差異明顯，林草地土壤持水供水性能好于人為影響因素較大的農(nóng)用地;賈紅杰［22］等人發(fā)現(xiàn)竹林地、草地等自然利用地被開墾為農(nóng)用地后土地的蓄水能力和抗濺蝕性大大降低。

3.2.2 不同土地利用方式土壤優(yōu)先流分布

染色試驗表明，經(jīng)24 h滲透后，亮藍在研究區(qū)不同土地利用方式土下土壤層內(nèi)遷移路徑分布明顯。根據(jù)垂直方向的染色剖面圖像(圖2)，可以清晰地觀測到土壤水分基質(zhì)流和優(yōu)先流的發(fā)生。林地和草地土壤垂直剖面上亮藍遷移具有明顯的不均勻性，在染色區(qū)域內(nèi)有未染色的小斑塊，有的區(qū)域僅在表層被染色，而有的區(qū)域亮藍的遷移相對較深，說明水分在快速的下滲中繞過了部分土壤，從而形成了不規(guī)則的染色區(qū)域。不同土地利用方式不同深度土層染色面積有所差異，染色面積比例隨深度的增加顯著降低。受基質(zhì)流的影響，林地和草地0—10 cm土壤大部分被亮藍染色，亮藍在該水平剖面中分布較為均勻，優(yōu)先流現(xiàn)象不明顯，土壤中基質(zhì)流態(tài)的水分能夠運移到達的深度在10 cm左右;10 cm以下土壤受土壤優(yōu)先路徑的影響，染色區(qū)域呈一定的集中分布趨勢(圖2)，經(jīng)優(yōu)先路徑運移的優(yōu)先流部分水分能達到的深度為30 cm以上，優(yōu)先流發(fā)生區(qū)域的土壤水分運移速度較未發(fā)生優(yōu)先流的區(qū)域提高了很多。菜地沒有明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象，染色面積呈均勻分布，土壤中基質(zhì)流態(tài)的水分能夠運移到達的深度在0—25 cm范圍，25 cm以下染色部分幾乎沒有，水分能夠到達深度淺且速度慢，不能供給深層的足夠的水分。

圖2 不同土地利用方式土壤剖面染色圖［15］Fig.2 Dyed vertical Patterns of Profiles in different land use patterns［15］

土壤優(yōu)先流主要受植物根系、微生物活動、土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地、土壤含水量、降雨和氣溫等因素的影響［23］。Kim等在對不同質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的土壤進行染色示蹤發(fā)現(xiàn)根系明顯產(chǎn)生優(yōu)勢流，孔隙結(jié)構(gòu)良好的土壤，示蹤劑運移最深［24］。王偉等人認為闊葉森林土壤優(yōu)先流的發(fā)生區(qū)域主要位于較大的孔穴和裂隙周圍，呈聚集狀分布，土壤大孔隙的聯(lián)通狀況和分布特征影響優(yōu)先流的發(fā)生［25］。本研究在野外觀察土壤剖面發(fā)現(xiàn)，林草地土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)較好，根系分布的地方集中藍色染色劑，產(chǎn)生明顯的優(yōu)先流。

3.3 不同土地利用方式土壤pH值和土壤CO2濃度變化

表2可知，研究區(qū)不同土地利用方式土下0—50 cm范圍土壤pH值平均值大小順序為草地＞林地＞菜地，林地產(chǎn)生的枯枝落葉多，有機質(zhì)輸入要多于草地，因而其土壤pH值小于草地;菜地土壤pH值最小，可能的原因是受人為施用有機肥、氮肥等肥料的影響，土壤產(chǎn)生的酸性物質(zhì)多。旱季土壤CO2濃度變化與土壤pH值變化一致，不同土地利用方式土壤CO2濃度依次為:草地＞林地＞菜地，土壤CO2不僅來源于有機碳的分解作用，還主要來自植物、土壤動物和微生物的呼吸作用。一般來說，土下50 cm處土壤CO2濃度大于土下20 cm處，本研究符合這一規(guī)律。從土壤孔隙度來看，林地、草地小于菜地，下層小于上層，有利于土壤CO2的保存。

3.4 不同土地利用方式旱季土下溶蝕速率分析

表3的數(shù)據(jù)表明，不同土地利用方式不同土層土下溶蝕速率都有差異，旱季最大絕對溶蝕量出現(xiàn)在草地土下50 cm，其值為105.11 mg，最小的發(fā)生于林地土下20 cm，其值為49.60 mg。土下0—50 cm范圍內(nèi)旱季溶蝕速率平均值大小順序為:草地＞菜地＞林地。同層土壤不同土地利用方式旱季溶蝕速率比較(表3)，土下5 cm處:菜地＞林地＞草地;土下20 cm處:草地＞菜地＞林地;土下50 cm處:草地＞林地＞菜地。旱季溶蝕速率隨土壤剖面的變化，林地先減小后增加，草地逐漸增加，菜地差異不大，略微減小后略微增加。對比之前的研究結(jié)果［15，26］發(fā)現(xiàn):研究區(qū)不同土地利用方式雨季溶蝕速率和全年溶蝕速率平均值依次為林地＞草地＞菜地;不同土壤剖面同一土層深度雨季、旱季及全年溶蝕速率變化規(guī)律均各不相同，說明不同季節(jié)土下溶蝕速率主要影響因素不同，由此造成不同土下溶蝕速率變化差異。但不論怎樣，研究區(qū)土下溶蝕速率的影響因素最終歸結(jié)為氣候及土地利用產(chǎn)生的土壤性質(zhì)及土壤環(huán)境因子的變化。

表3 不同土地利用方式不同埋放位置試片溶蝕速率Table 3 Tablet dissolution rates in soil at different land use patterns

已有的研究揭示了土壤CO2對巖溶作用的驅(qū)動作用［7］，通氣良好的土壤中，有利于有機碳分解產(chǎn)生CO2;土壤CO2溶于水生成碳酸，可使水的溶蝕能力提高幾十倍［27］，具有侵蝕性的土壤CO2才構(gòu)成對碳酸鹽巖的溶蝕［16］。由土壤含水量變化數(shù)據(jù)及土壤優(yōu)先流分布可知，林地和草地土壤含水量大，土壤優(yōu)先流明顯，且分布深，保水、供水能力強，但土壤CO2濃度草地大于林地，因此草地能形成較多的侵蝕性土壤CO2，土下溶蝕速率高于林地。說明，林地和草地旱季土下溶蝕速率受土壤CO2濃度的驅(qū)動，但是無論是林地還是草地，土壤含水量表現(xiàn)為下層高于上層，孔隙度下層低于上層，有利于下層保水保氣，優(yōu)先流能通過土壤孔隙向下層提供充足的水分，相應(yīng)的下層的溶蝕速率要高于上層;相反菜地土壤含水量有減小的趨勢，沒有明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象，水分運移的深度淺，難以供給土壤深層足夠的水分，下層溶蝕速率低于上層;另外土下50 cm處的溶蝕速率林草地高于菜地，因此土壤水分及其供給能力是制約土下溶蝕速率的關(guān)鍵因素。菜地土壤CO2濃度最低，但土下平均溶蝕速率相對林地較高，這可能與菜地土壤pH值最低有關(guān)，土壤pH值越低，形成的氫離子濃度越高，促進碳酸鹽巖的溶蝕。土壤有機碳越多，可以產(chǎn)生越多的CO2和有機酸，降低pH值，會對溶蝕速率有明顯地促進作用［14，28］;李恩香等［10］研究表明植物輸入的土壤有機質(zhì)越多，產(chǎn)生的CO2和酸性物質(zhì)越多，土壤的pH值也會越低;長期施用氮肥等無機肥會降低土壤pH值［29］，由于菜地受人為施加氮肥等無機肥影響，可能會產(chǎn)生更多的酸性物質(zhì)，降低土壤pH值，溶蝕速率高于林地和草地。

土壤DOC是土壤有機碳中活性部分，對土地利用和氣候變化最為敏感，又是巖溶過程碳轉(zhuǎn)移主要形式，其動態(tài)變化與溶蝕速率有很大的關(guān)系［30］。在土壤溶解有機碳組分中，小分子酸性物質(zhì)(≤5個碳原子的脂肪酸、多官能團酸)占有30%—50%的比例［31］。土壤溶解有機碳是巖溶作用的驅(qū)動力，這在巖溶生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的理論意義，初步的研究結(jié)果顯示，5 mmol/L的檸檬酸與50000×10-6CO2對碳酸鹽巖有幾乎相同的侵蝕能力［31］。土壤DOC遷移性強，雨水淋溶作用使土壤DOC容易遷移到土壤下層，這可能是林地土下50 cm土壤DOC含量大于土下20 cm的原因之一，進而出現(xiàn)土下50 cm溶蝕速率高于土下20 cm，另外下層土壤CO2濃度高于上層可能是更主要的原因。從不同土地利用方式來看，林地土壤DOC含量最高，菜地最低，草地居中，但巖溶溶蝕速率卻是草地最高，菜地次之，林地最低，進一步說明影響巖溶溶蝕速率的因素不能由某個因素來決定的，而是由各個因素相互聯(lián)系，相互作用共同決定的。

4 結(jié)論

不同土地利用方式對土壤DOC含量、土壤含水量、土壤孔隙度、土壤pH值和土壤CO2濃度產(chǎn)生影響，進而影響到巖溶作用。不同的影響因素相互聯(lián)系，相互作用，共同決定土下巖溶溶蝕速率。土壤CO2濃度是影響林地和草地旱季土下溶蝕速率的重要驅(qū)動因素;土壤含水量和供水能力是影響旱季不同土地利用方式溶蝕速率的關(guān)鍵因素;菜地由于受到人為活動影響，產(chǎn)生的酸性物質(zhì)較多，土壤pH值最低，其平均溶蝕速率高于林地;土壤DOC隨水下滲遷移性強，同土壤CO2濃度成為林地土下50 cm處溶蝕速率高于土下20 cm處的主要原因。

致謝:西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院文志林老師，張治偉老師對實驗給予指導(dǎo)，謝芳對寫作給予幫助，特此致謝。

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