氣象要素及土壤理化性質(zhì)對不同土地利用方式下冬夏巖溶作用的影響

劉 文，張 強，賈亞男

(1.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400715;2.國土資源部巖溶生態(tài)環(huán)境-重慶南川野外基地，重慶 408435;3.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心，國土資源部/廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室，桂林 541004)

已有研究表明，巖溶作用所形成的碳匯是快速［1］、穩(wěn)定的［2-3］，對碳增匯意義重大［4］。土壤圈處于大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈界面地帶，與其余幾圈層聯(lián)系緊密，物質(zhì)能量信息交流轉(zhuǎn)換頻繁。土地利用方式變化使幾圈層環(huán)境因子發(fā)生相應(yīng)改變，通常情況下，在巖溶區(qū)隨土地利用方式從林地向耕地轉(zhuǎn)換，土壤養(yǎng)分含量降低［5］，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低［6］，持水性能變差［7］，土壤微生物含量降低［8-9］等都會對巖溶作用產(chǎn)生影響。

近些年來土地利用對巖溶作用影響的研究已在不同地區(qū)展開并取得了有意義的成果［10-14］，但未見在相同地質(zhì)背景、受人類活動影響程度差異顯著的土地利用方式下，不同季節(jié)、不同深度同時研究的先例。本文以川東平行嶺谷區(qū)重慶青木關(guān)典型巖溶槽谷區(qū)為例，利用溶蝕試片法結(jié)合對應(yīng)點土壤容重、含水量、CO2含量、有機質(zhì)、pH等指標(biāo)，探討不同土地利用方式對冬夏兩季巖溶作用的影響，為更準(zhǔn)確地評估巖溶碳匯效應(yīng)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青木關(guān)巖溶流域位于重慶市北碚區(qū)、沙坪壩區(qū)和璧山縣的交界處，處于川東平行嶺谷區(qū)華鎣山帚狀褶皺束溫塘峽背斜南延段，為“一山二嶺一槽”式的典型巖溶槽谷流域。地勢總體表現(xiàn)為北高南低，南北高差約300m。區(qū)內(nèi)地質(zhì)背景為隔擋式地質(zhì)構(gòu)造，背斜軸部出露地層為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)碳酸鹽巖;兩翼為三疊系中統(tǒng)雷口坡組(T2l)碳酸鹽巖和三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)砂頁巖(圖1)。

本區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)型氣候，冬暖夏熱，夏季較長，常出現(xiàn)高溫、濕熱及暴雨天氣。多年平均氣溫為18℃，多年平均降水量為1000mm，主要集中在4—10月，特別是6—8月。區(qū)內(nèi)植被主要有亞熱帶常綠針葉林和闊葉林等，土壤類型主要有地帶性土壤黃壤和非地帶性土壤石灰土，石灰土土層較薄，多小于1m，洼地中分布水稻土且土層較厚，約1—2m。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)及土地利用簡圖Fig.1 Schematic map of hydrogeology andlanduse in Qingmuguan karst valley

1.2 研究方法

1.2.1 試片埋放

圖2 試片放置示意圖Fig.2 Location of the testing limestone tablets

采用標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法［15］，在流域內(nèi)灰?guī)r區(qū)竹林地、旱地、水田、荒地、退耕林地及杉竹混交林地6種不同土地利用方式區(qū)各選擇了一個代表性點挖掘剖面埋置試片，試片分別埋置在地表、土下20cm、土下50cm、土下80cm(圖2)，共埋放純灰?guī)r試片 46片(因竹林土層淺薄，至土下50cm已達基巖，因而缺失80cm層位試片)，取回45片(冬季杉竹混交林地表試片丟失)。試片埋放時間分別為冬季:2009年11月13日——2010年3月24日，夏季:2010年6月15日——2010年9月15日。同時，在夏季埋放試片時取對應(yīng)于試片埋放層位土樣進行土壤容重、孔隙度、含水量、有機質(zhì)含量、pH等的分析，各取樣點概況見表1。

試片取出后用下式計算試驗時間內(nèi)試片單位面積溶蝕量［12］:

式中，ER為單位面積溶蝕量(mg·m-2·d-1);W1為試片初重(g);W2為試片取回后烘干重量(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28.91cm2)。

1.2.2 測試方法

土壤CO2濃度用GASTEC-CO2測試儀測定;土壤有機質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀容量法;土壤含水量采用酒精燃燒法;容重、孔隙度采用環(huán)刀法;土壤pH測定使用酸度計法［16］。

表1 土壤取樣點概況Table 1 General situation of soil sample sites

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季節(jié)溶蝕速率

表2列出了各土地利用方式下冬夏兩季平均溶蝕量及其比值，從中可以很明顯地看出:總體上，冬夏兩季溶蝕量差異顯著，夏季各點平均溶蝕量為冬季的約3.87倍;就不同土地利用方式而言，也均是夏季的大于冬季的，只是不同點的變化幅度不同，平均溶蝕量比值(夏季/冬季)從小到大依次為荒草地、水田、杉竹混交林、旱地、竹林、退耕林。造成季節(jié)變化的主要原因可能跟研究區(qū)處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季降水量大氣溫高，冬季降水量少氣溫低及受其影響的土壤層生物活性強弱有關(guān)。除共同影響因素降水量和熱量外，造成不同點變化幅度差異的原因可能不同，退耕林、杉竹混交林、竹林雖局地坡度較小，但都處于山坡地帶，從取樣點到坡腳(即洼地邊緣)坡度較大，分別約為 35°、40°、30°，三者與相距最近洼地底部海拔差值分別約為70m、60m、50m。高差大可能會使土壤水更容易流失向洼地匯集，而使其含水量降低，從而影響巖溶作用的進行。在降水多的夏季土壤水流失后很快補給，對巖溶作用的影響不明顯，溶蝕量較大;而在相對干旱的冬季坡地土壤水流失后則很難補給，溶蝕量大大降低。而同處坡地的荒草地冬夏溶蝕速率變幅相對較小，這可能與其距洼地底部垂直高差較小(約10m)，土壤水流失相對較少，冬季地表仍有草被覆蓋，蒸發(fā)減少使土壤水易于保存有關(guān)。處于洼地最底部的水田即便是在冬季也保持著較高的土壤濕度［17］。而旱地靠近兩洼地間較為平緩埡口北側(cè)，東側(cè)為道路，南側(cè)為居民點，西側(cè)為小道，集水區(qū)域較小，且所集水多通過道路旁水溝集中排至洼地底部，使冬季土壤含水量較少，這可能是造成其冬夏溶蝕速率差別較大的原因。

表2 青木關(guān)流域不同土地利用方式下冬夏平均溶蝕量及其比值Table 2 Mean corrosion rate of different land-use types in Summer(S)and Winter(W)and its ratio(S/W)，Qingmuguan

2.2 不同人類活動影響強度下的溶蝕速率

本文中人類活動影響強度的界定以定性為主，將水田、旱地兩種受人類活動直接影響，有耕作、施肥、噴灑農(nóng)藥等措施，且利用強度較大的土地利用方式定義為強;將退耕林、荒草地兩種因退耕還林還草計劃而從農(nóng)用地轉(zhuǎn)換出來，人類活動影響逐漸變?nèi)醯耐恋乩梅绞蕉x為中;將杉竹混交林、竹林兩種常年為林地，受人類活動影響較少的土地利用方式定義為弱。

表3所列左側(cè)數(shù)值均為屬于該強度的兩種土地利用方式溶蝕量的平均值。從表中可以看出在夏季3種不同強度土地利用方式溶蝕速率均較快，但強強度和中強度的平均溶蝕量較為接近，而比弱強度的大得多。這可能與夏季雨熱配套，作物生長活躍，農(nóng)事活動頻繁，特別是有機肥及化肥中硝酸鹽、硫酸鹽成分隨水分進入土壤，從而增強了對試片的溶蝕。而對中強度土地利用方式而言，退耕前所施肥料已消耗殆盡，對其溶蝕的影響也極大降低。而弱強度土地利用則基本無此影響。而在冬季溫度較低，降水也少，農(nóng)田中農(nóng)作物相較夏季少地多而基本處于閑置狀態(tài)，且并無施肥，這可能是造成各強度土地利用方式溶蝕量均較小且差別不大的原因之一。

表3 青木關(guān)流域不同人類活動影響強度下溶蝕速率差異Table 3 The corrosion rate range under different human influence intensity，Qingmuguan

2.3 不同深度條件下的溶蝕速率

圖3 青木關(guān)冬夏兩季不同土地利用方式不同層位單位面積平均日溶蝕量Fig.3 Daily average dissolution rate per unit area of the limestone tablets at different depth under different land use patterns in summer＆winter in Qingmuguan

表4是各點各層位總平均溶蝕量占全年溶蝕量的比例，結(jié)果是:夏季各值均介于21.77%—34.15%之間，地表至-20cm處微減，然后逐漸增加，最大值出現(xiàn)在-80cm處，最小值出現(xiàn)在-20cm處(與地表差別不大);冬季各值介于19.20%— 28.31%之間，地表至-20cm處增至最大，然后逐漸減小，最大值出現(xiàn)在-20cm處(與-50cm處差別不大)，最小值則在地表.兩相對比，發(fā)現(xiàn)最大溶蝕量由夏季的-80cm處上移至冬季的-20cm和-50cm處(圖3)。

這可能跟夏季太陽輻射強烈，氣溫高，可以將熱量傳遞到到較深的土壤層，土壤溫度總體較高。另外，深部土壤孔隙度較低，容重較大，利于水分的保持，從而使水分和CO2作用的時間加長，最終使深部溶蝕量增大。而冬季太陽輻射相對較弱，氣溫低，熱量傳遞深度有限，可能至-80cm處已衰減，土壤溫度較低可能是影響巖溶作用進行的限制因子。

表4 青木關(guān)冬夏兩季不同土地利用方式不同層位石灰?guī)r試片單位面積日溶蝕量比例及對應(yīng)極值及其比值Table 4 The ratio of different depth，extreme value and its ratio of daily average per unit area dissolution rate of the limestone tablets under different land use patterns in summer＆winter in Qingmuguan

3 討論

3.1 溫度

溫度是環(huán)境要素的重要組成部分，對地球表層系統(tǒng)的物理、化學(xué)、生物過程都有很大影響，巖溶作用作為重要的地表過程，同樣深受溫度因子影響。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn):溫度可直接影響溶蝕的化學(xué)反應(yīng)過程，40—90℃以下含CO2水溶液對碳酸鹽巖的溶蝕強度隨溫度的升高而增加［18-19］。溫度同樣可以影響土壤呼吸，包括根系呼吸作用、土壤微生物活動，表現(xiàn)為夏季呼吸作用最強，冬季最弱［20-21］。

圖4為青木關(guān)流域在研究時段內(nèi)的氣溫變化情況，11月至次年2月溫度最低，6月至9月氣溫最高。而土壤溫度與氣溫往往會保持較好的對應(yīng)關(guān)系［20］，即氣溫高的時候土壤溫度也高，反之亦然。

圖4 青木關(guān)流域逐月平均氣溫分布圖Fig.4 The monthly mean temperature，Qingmuguan

試片埋設(shè)的夏季幾個月份平均氣溫是冬季的2.94倍，而夏季平均溶蝕速率是冬季的3.87倍，具有較好的對應(yīng)關(guān)系，這可能說明溫度在試片溶蝕過程中起到了較為重要的作用。

3.2 水分

土壤水分是土壤的重要組成成分，也是影響土壤物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換的重要因素［18］，其主要來源為大氣降水。其不僅能為植物和微生物活動提供水分，且因其能夠溶解和運送土壤養(yǎng)分，而成為土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動的媒介，在土壤礦物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程中具有重要作用。在巖溶系統(tǒng)，土壤水則可以通過影響土壤微生物、土壤CO2、土壤有機質(zhì)及其它物質(zhì)的溶解影響溶蝕作用。

從圖5可以看出，研究區(qū)夏季降水遠大于冬季，埋放試片的6—9月降水量約為12—3月的5.76倍，也與夏冬溶蝕速率比率3.87較為接近。另外，各點夏季平均土壤含水量隨深度增加而增加(圖6)，與各點夏季除表層外其余層位平均溶蝕速率變化趨勢一致。而表層溶蝕量較大則可能與有機質(zhì)含量遠高于其它層位，有更多有機酸參與溶蝕有關(guān)。此外，研究區(qū)前人研究成果表明在冬季水田、荒草地、旱地平均土壤含水量分別為 44.27%、36.86%、17.65%［17］，與對應(yīng)土地利用方式平均壤中溶蝕量的變化趨勢相同(圖3)。說明降水量也可能同樣是決定溶蝕速率的較為重要的因素之一。

圖5 青木關(guān)流域一水文年內(nèi)分月降水量Fig.5 The monthly total precipitation of a water year in Qingmuguan

圖6 青木關(guān)夏季不同土地利用方式不同層位土壤含水量Fig.6 Soil moisture contents at different depth under different land use patterns in summer in Qingmuguan

3.3 土壤CO2

土壤CO2來源于植物根系呼吸作用、土壤生物(含微生物)活動、有機質(zhì)分解及與近地表大氣交換等途徑，其含量受土壤理化性質(zhì)影響下的通氣性、土壤生物化學(xué)過程的強度、氣象條件及上覆植被等因素控制。所以，不同土地利用方式、相同類型土地利用方式不同深度條件下，土壤CO2含量差異顯著。

土壤 CO2是巖溶作用重要的驅(qū)動力［4，15］，很多學(xué)者［22-25］做過相關(guān)研究，認為含量［23-25］或不同深度處的濃度差［22］與溶蝕速率成正相關(guān)，但一直沒定論。為研究青木關(guān)巖溶槽谷區(qū)土壤CO2含量與溶蝕作用的關(guān)系，在埋置及取出試片時分別測定了剖面附近土壤中-20cm、-50cm處CO2的含量(表5)。

表5 青木關(guān)冬夏兩季-20cm和-50cm日單位面積溶蝕量及其對應(yīng)的CO2含量Table 5 Daily average per unit area dissolution rate of the limestone tablets and the corresponding CO2content at-20 cm and-50 cm depth under different land use patterns in summer＆winter in Qingmuguan

從表5中可以看出不同土地利用方式下CO2含量不同，且除冬季水田外其它點CO2含量都隨深度的增加而提高，只是增加的幅度不同，水田-50cm處變小可能是與其較高的土壤含水量致土壤空隙多被水占據(jù)而使氣體較難進入有關(guān)。與相應(yīng)層位的溶蝕數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，夏季除退耕林、荒草地外，其它點二者變化趨勢一致，即-50cm＞-20cm;冬季卻出現(xiàn)了與傳統(tǒng)認識不同的地方，除荒草地外，其它點-50cm處的溶蝕量并未隨CO2含量的增加而增加，而是減少。說明CO2并不是控制夏季退耕林、荒草地及冬季各點溶蝕的主要因素。

對比表5和圖5可以發(fā)現(xiàn)在土壤水含量較大的夏季，溶蝕速率與土壤CO2含量呈正相關(guān)，二者變化趨勢相近;而在冬季，土壤含水量相較夏季少得多，使得溶蝕速率與土壤CO2的關(guān)系沒那么緊密。這可能與土壤CO2有效利用程度有關(guān)，即在CO2濃度一定的情況下，適當(dāng)多的土壤含水量利于二者相互作用形成對碳酸鹽巖具有侵蝕性的碳酸，進而提高巖溶作用強度。如果含水量過低則會造成CO2過剩，而使二者不能充分反應(yīng)，不利于溶蝕作用的進行。

3.4 土壤有機質(zhì)和pH

土壤有機質(zhì)是指土壤中的各種含碳的有機化合物，是土壤的重要組成部分，是表征土壤肥力的重要指標(biāo)，含量雖少，但對土壤的理化生性質(zhì)影響很大［26-27］。除竹林地表層外，土壤pH值與土壤有機質(zhì)含量成反相關(guān)關(guān)系，即土壤有機質(zhì)含量越高，土壤pH值就越低(圖7)。

圖7 青木關(guān)不同土地利用方式土壤有機質(zhì)與土壤pHFig.7 Soil organic matter and pH under different land use patterns in Qingmuguan

對于有機質(zhì)含量和pH值對碳酸鹽巖溶蝕速率的影響，不同研究者得出的結(jié)論不同。有的認為溶蝕速率與有機質(zhì)含量成正比、與pH值成反比［28］，有的認為在有機質(zhì)含量高的情況下這一關(guān)系才存在［29］，還有的認為二者之間并不存在明顯的相關(guān)關(guān)系，而是各種環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果［30］。

對比圖3、圖7可以看出在夏季有機質(zhì)含量最高、pH值最低的表層其溶蝕速率并不最高，低于-50cm、-80cm處的;但其也不是最低的，高于-20cm處。但地表CO2含量(約300μL/L)與大氣的相似，僅為-20cm、-50cm等較深處的1/6—1/67，說明在地表溶蝕中發(fā)揮主要作用的可能不是CO2，而是有機質(zhì)和pH。而從-20cm、-50cm到-80cm處溶蝕量逐漸增加，而有機質(zhì)含量逐漸減少，pH值逐漸增大說明除表層外，其它層次的溶蝕速率受此二者的影響變小。

3.5 土壤孔隙

土壤孔隙是土壤顆粒間存在的空間，是液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)在土壤中運移的通道，是土壤重要的物理性質(zhì)，影響著土壤的水熱狀況。評價指標(biāo)一般為土壤孔隙度和土壤容重，而二者為反相關(guān)關(guān)系。

如圖8所示，各土地利用方式地表孔隙度、容重較為接近，從地表到-20cm土壤孔隙度下降幅度較大，土壤容重大幅增加，而各點-20cm與-50cm、-80cm處的土壤孔隙度和容重變化較小?？赡芘c有機質(zhì)含量在表層至-20cm處大幅減少，-20—-80cm范圍有機質(zhì)含量較少且變幅不大有關(guān)。

各點平均土壤孔隙度從大到小依次為荒草地(49.75%)、竹林(48.41%)、杉竹混交林(46.27%)、退耕林(46.03%)、旱地(33.51%)，土壤質(zhì)地分別為輕黏土、輕黏土、中壤土、中壤土、砂土［31］，基本上與夏季各點溶蝕速率(圖3)呈反相關(guān)關(guān)系。在降水量大的夏季，如土壤過于黏重，粘滯力強循環(huán)慢［32］，不利于pH值較低侵蝕性較強雨水的快速下滲，減弱了溶蝕作用。而砂土相對松散，土壤水可快速通過［32］，從而使單位時間內(nèi)通過的侵蝕性較強的水量多于壤土，從而增強了溶蝕。而在冬季，輕黏土和中壤土較好的持水作用使土壤含水量較高，促進了溶蝕作用的進行，荒草地、杉竹混交林、退耕林溶蝕速率依次減小。旱地CO2含量不高卻保持較高溶蝕速率，可能與其表層土壤孔隙度較大屬輕黏土，向下層迅速轉(zhuǎn)換為砂土，水分、空氣易于向下運動卻不易向上散發(fā)，可使土壤CO2與土壤水充分作用有關(guān)。

圖8 青木關(guān)不同土地利用方式土壤孔隙度與土壤容重Fig.8 Soil porosity and soil bulk density under different land use patterns in Qingmuguan

4 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，研究區(qū)冬夏兩季巖溶作用強度存在較大差別:夏季各點壤中平均溶蝕量為冬季的3.87倍，但不同點冬夏差異不同。且最大溶蝕量從夏季-80cm處上移至冬季的-20—-50cm處。

人類活動強度對巖溶作用影響顯著，夏季農(nóng)事活動較多人類活動影響強度大的水田、旱地平均溶蝕速率高于人類活動影響逐漸減弱退耕的退耕林、荒草地的，而受人類活動影響最少的竹林、山竹混交林則最小。冬季農(nóng)事活動少，各點差值變小。

分析發(fā)現(xiàn)，熱量和水分仍是影響土壤中溶蝕速率的最基礎(chǔ)因素，二者呈較好的正相關(guān)關(guān)系，部分其它因素通過對其調(diào)節(jié)而影響巖溶作用。

土壤CO2在土壤水分較為充足的夏季對巖溶作用影響明顯，二者均隨深度增加。但在冬季CO2兩者關(guān)系并不明顯，可能受降水量較少限制。由于地表CO2含量低，其對表層溶蝕作用影響有限。

土壤有機質(zhì)與土壤pH呈反相關(guān)關(guān)系，二者對溶蝕速率的影響具有協(xié)同性。在有機質(zhì)含量高，pH值低的表層對溶蝕作用影響較大，在深層由于有機質(zhì)含量迅速減小、pH升高而影響不明顯。

土壤孔隙對溶蝕作用的影響是雙向的，對于孔隙度大偏黏土壤而言，利于土壤水分的保持，但不利于其滲透，在冬季降水量少的情況下，有助于增強溶蝕;夏季降水雖多但受滲透率限制，影響了溶蝕的進行。而沙質(zhì)土則相反，滲透率較高，降水可迅速穿透，促進了溶蝕，但持水性能相對較差，降水少的冬季可能限制溶蝕作用。

致謝:西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院張治偉老師，張興波，王開然，張德懷，李靜文，薛倩倩，顏赫等在野外取樣，室內(nèi)實驗中給予幫助;國土資源部/廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室章程研究員、蒲俊兵博士在論文寫作上給予幫助，特此致謝。

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