桂林巖溶試驗(yàn)場(chǎng)植被水文過(guò)程總有機(jī)碳通量垂直變化特征

鄧艷 蔣忠誠(chéng) 郭益銘 徐燁 岳祥飛

摘 要： ??該研究以廣西桂林巖溶石山區(qū)的兩種典型植被（香椿林和云實(shí)灌叢）為例， 利用野外長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)降雨、穿透雨、樹(shù)干徑流、鉆孔和表層巖溶水中總有機(jī)碳（TOC）的變化特征，探討不同植被林冠層TOC濃度和通量的年變化特征。結(jié)果表明：在降雨通過(guò)大氣-植被-土壤/巖石的過(guò)程，TOC濃度變化趨勢(shì)為樹(shù)干徑流>穿透雨> 鉆孔水>泉水>大氣降雨;穿透雨和樹(shù)干徑流中TOC 濃度呈現(xiàn)為雨季大旱季小的趨勢(shì)，鉆孔水和泉水的TOC濃度月變化則相對(duì)穩(wěn)定;TOC濃度的增幅不同，穿透雨和樹(shù)干徑流TOC濃度的平均增量和變化幅度比鉆孔水和泉水的大;香椿林樹(shù)干徑流TOC 濃度與樹(shù)干徑流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;TOC月平均通量為云實(shí)穿透雨> 香椿穿透雨>降雨>泉水>香椿樹(shù)干徑流>云實(shí)樹(shù)干徑流;云實(shí)灌叢林下降雨（204.86 kg·hm-2 ）的TOC通量是香椿林（153.48 kg·hm-2 ）的1.3倍;觀測(cè)期間，大氣降雨輸入的TOC通量為63.06 kg·hm-2 ，表層巖溶泉水輸出為48.29 kg·hm-2 ，TOC輸入輸出之差為14.77 kg·hm-2 ，系統(tǒng)TOC為正平衡;降雨進(jìn)入植被內(nèi)部后時(shí)，植被林冠層作為“TOC活庫(kù)”具有增加TOC通量的“源”作用，而表層巖溶帶的土壤/巖石系統(tǒng)作為“TOC死庫(kù)”具有吸收、過(guò)濾和固定TOC的“匯”作用。

關(guān)鍵詞： ?總有機(jī)碳， 通量， 大氣-植被-土壤/巖石系統(tǒng)， 巖溶石區(qū)， 水文過(guò)程

中圖分類(lèi)號(hào)： ??Q948

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ???A

文章編號(hào)： ??1000-3142（2019）01-0098-10

Variation of total organic carbon flux in forest hydrological processes in karst experimental site， Guilin

DENG Yan1，2 ， JIANG Zhongcheng2* ?， KUO Yiming1 ， XU Ye2 ， YUE Xiangfei2

（ 1. School of Environmental Studies， China University of Geosciences （Wuhan）， Wuhan 430074， China; 2. Institute of Karst Geology， CAGS， Key Laboratory of Karst Ecosystem and Rocky Desertification Treatment， Guilin 541004， Guangxi， China ）

Abstract： ??In order to reveal the annual variation characteristics of TOC concentration and flux in different vegetation canopies， total organic carbon （TOC） concentration? and its flux in precipitation， throughfall， stemflow， borehole water and epikarst spring water were monitored in two typical vegetations （Toona sinensis and Caesalpinia decapetala ） in karst rocky mountain area， Guilin， Guangxi. The results indicated that in the process of rainfall through the atmosphere-vegetation-soil/rock profile， the variation trend of TOC concentration was stemflow>throughfall>borehole water>epikarst spring water>rainfall. The TOC concentration in throughfall and stemflow was bigger in rainy season and smaller in drought season. The monthly TOC concentration in borehole water and epikarst spring water was relatively stable. The increase of TOC concentration was different， and average increment and amplitude of TOC concentration in throughfall and stemflow were larger than that in borehole water and spring water. The TOC concentration of stemflow was negatively correlated with stemflow water quantity in Toona sinensis forest. TOC average monthly flux was throughfall in Caesalpinia decapetala > throughfall in Toona sinensis > precipitation> spring >stemflow in Toona sinensis > stemflow in Caesalpinia decapetala. The TOC flux under shrub rain（204.86 kg·hm-2 ） was 1.3 times that in Toona sinensis（153.48 kg·hm-2 ）. The TOC flux from rainfall input was 63.06 kg·hm-2 ， with 48.29 kg·hm-2 ?TOC flux from epikarst spring output . The TOC difference between input and output was 14.77 kg·hm-2 ， which indicate that TOC in system was a positive balance. When precipitation entered vegetation， vegetation canopy， as “TOC live reservoir”， increased TOC flux and was a carbon? “source”， however， soil-rock system in epikarst zone， as “TOC dead reservoir”， was carbon “sink” with absorption， filtration and fixing of TOC.

Key words： ?total organic carbon， flux， atmosphere-vegetation-soil/rock system， karst rocky mountain area， hydrological processes

西南巖溶區(qū)由于其碳酸鹽巖出露，溶蝕作用強(qiáng)烈，裂隙管道高度發(fā)育，土壤淺薄等特點(diǎn)，形成了巖溶區(qū)特有的地表、地下雙層空間結(jié)構(gòu)體系，獨(dú)特的水土資源分布格局使得西南巖溶區(qū)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題十分突出?？傆袡C(jī)碳（total organic carbon，TOC）指在水中以溶解或懸浮形態(tài)存在的全部有機(jī)碳，包括可溶性有機(jī)碳（DOC）和顆粒有機(jī)碳（POC）（Greenberg，1992），通常可溶性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的90%以上（Mattsson et al.， 2003; Kortelainen et al.， 2006）。TOC是全球碳循環(huán)中重要的碳組成部分，是水體中微生物的能量來(lái)源（Jansson et al.， 2000），因此TOC的研究對(duì)水生系統(tǒng)的碳通量分析和全球碳循環(huán)研究起著重要作用。

近幾十年來(lái)，全球地下水TOC輸出表現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)（Freeman et al.， 2001; Erlandsson et al.， 2008）。由陸地生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)河流向海洋輸送的有機(jī)碳來(lái)源主要有（1）氣態(tài)和顆粒態(tài)的干沉降（Wilcke et al.， 2001）;（2）植被，包括凋落物直接輸入以及活植物體和凋落物的淋溶輸入;（3）土壤，主要來(lái)自微生物代謝、根分泌物以及土壤有機(jī)物的淋溶和侵蝕（Hope et al.， 1994）;（4）陸地水生生態(tài)系統(tǒng)中水生植物通過(guò)消耗水體中溶解態(tài)的無(wú)機(jī)碳（DIC）形成不同形式的有機(jī)碳（POC和DOC）（張春來(lái)等，2013）。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)溫帶和熱帶森林的大氣降水、穿透雨、樹(shù)干流、土壤溶液和溪流水的TOC和DOC進(jìn)行了研究（Currie et al.， 1996; Inagaki et al.， 1995; McDowell， 1998）。楊麗麗等（2014）研究表明林外降水?dāng)y帶的TOC 輸入通量在林地TOC 輸入中占有重要地位，林冠的TOC 淋洗作用使TOC 通量增加，而土壤會(huì)顯著減少TOC 輸出通量。廣西官村地下河研究表明水體中TOC和DOC含量波動(dòng)較快，DOC的晝夜變化可能受生物代謝活動(dòng)控制（章程等，2015）。降雨、流量和濁度對(duì)巖溶地下河TOC輸出有正向促進(jìn)作用，而氣溫和pH 對(duì)巖溶地下河TOC 有負(fù)向的影響（王巧蓮等，2016）。此外，TOC 對(duì)湖泊、河流等淡水水域的食物鏈貢獻(xiàn)較大，在物質(zhì)元素循環(huán)中起著重要的作用。由腐殖酸和棕黃酸等有機(jī)酸組成的DOC在中和陽(yáng)離子、重金屬離子的分解、礦物的風(fēng)化以及酸性離子的解吸等方面都具 有不可低估的作用（Liechty et al.， 1995）。DOC 還與Al、Hg等金屬元素的遷移有關(guān)（Driscoll et al.， 1995）。然而，很少涉及西南巖溶石山地區(qū)大氣-植被-土壤/巖石系統(tǒng)的TOC動(dòng)態(tài)特征，且降水經(jīng)過(guò)植被生態(tài)系統(tǒng)-表層巖溶帶的碳通量仍然不清楚。

本研究以廣西桂林巖溶石山區(qū)的香椿林和云實(shí)灌叢為研究對(duì)象，利用野外長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)穿透雨、樹(shù)干徑流、鉆孔和表層巖溶水中TOC的變化特征，探討不同植被林冠層TOC濃度和通量的年變化特征，為西南巖溶石山區(qū)植被碳和養(yǎng)分平衡等生物地球化學(xué)循環(huán)的精細(xì)刻畫(huà)和定量評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于桂林市區(qū)的東南郊約8 km 的丫吉村附近（110 °15′ E， 25°10′ N），在該村東南約1 km 處峰叢洼地與桂林峰林平原的交界地帶，丫吉試驗(yàn)場(chǎng)自成一個(gè)巖溶水文地質(zhì)系統(tǒng)。研究區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降雨季節(jié)分配不均勻，夏季盛行東亞夏季風(fēng)，冬季降雨主要受內(nèi)陸或局地蒸發(fā)和冬季風(fēng)影響。據(jù)桂林市氣象站1951—2012年觀測(cè)資料，該區(qū)多年平均年降雨量為1 886 mm，雨季和旱季分明，4—8 月為雨季，其降雨量占年降雨量的70%（陳國(guó)富等， 2013），從9 月到次年3 月為旱季。該區(qū)多年平均氣溫為18.9 ℃。實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)巖性單一，主要出露上泥盆統(tǒng)融縣組灰?guī)r（D3 r）（姜光輝和張強(qiáng)，2011），成分為淺灰至灰白色純中厚層狀亮晶顆粒灰?guī)r，結(jié)構(gòu)致密，其孔隙度為012%～329%，平均值為0.68%。土壤淺薄且分布不連續(xù)，主要為裂隙土，坡地土壤淺薄，厚度在0～1 m之間，土壤覆蓋率約為30%，巖石裸露率高。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，其含水介質(zhì)為裂隙-管道型（常勇等，2012）。其中，S31表層巖溶泉域?yàn)樵囼?yàn)場(chǎng)最主要的子流域，示蹤實(shí)驗(yàn)表明S31泉域的補(bǔ)給區(qū)由三個(gè)小型的峰叢洼地組成，流域面積約1 km2 （常勇等，2012;袁道先等，1996），以管道流為主，與裂隙流的擴(kuò)散相組合，S31泉對(duì)降雨反應(yīng)靈敏，流量變化為0.1～7 000 ?L·s-1 。

20世紀(jì)80年代以來(lái)研究區(qū)內(nèi)植被遭到大量破壞，直至試驗(yàn)場(chǎng)建立后植被得以保護(hù)，目前整個(gè)場(chǎng)區(qū)云實(shí)（Caesalpinia decapetala）灌叢占70%左右，稀疏香椿林（Toona sinensis）覆蓋率為30%左右，具體的實(shí)驗(yàn)樣地概況見(jiàn)表1。本文選擇了具有代表性的香椿林和云實(shí)灌叢，各建立了一個(gè)面積為30 m × 30 m 和20 m × 20 m的樣地。香椿人工林樣地林下的灌木和草本數(shù)量較少，香椿林林齡約為15 a，林冠郁閉度為0.4，喬木平均胸徑為25.33 cm，喬木平均樹(shù)高為7 m，平均冠幅為5 m，灌木層主要有黃荊（Vitex negundo）和龍須藤（Bauhinia championii）等，灌木層蓋度為65%，草本主要有腎蕨（Nephrolepis auriculata）等，草木層蓋度為20%。在云實(shí)灌叢樣地中，樣地冠層平均高度為1.5 m，平均冠幅為3.5 m，灌木層蓋度為85%，主要物種為云實(shí)、黃荊、檵木（Loropetalum chinnensis）等，林下的草本數(shù)量較多，草木層蓋度為30%，主要的物種有五節(jié)芒（Miscanthus floridulu）和腎蕨等。

2 研究方法

2.1 樣品采集

試驗(yàn)時(shí)間為2015年5月至2016年4月，每場(chǎng)降雨后，將收集的大氣降雨、穿透雨、樹(shù)干徑流、鉆孔水和表層巖溶水水樣存儲(chǔ)在冰柜中。在監(jiān)測(cè)期內(nèi)共收集了42次降雨事件的水樣。

為收集和監(jiān)測(cè)大氣降雨，在據(jù)研究區(qū)8 km的桂林市內(nèi)開(kāi)闊處放置一個(gè)計(jì)量精度為1 mm的翻斗式雨量計(jì)，測(cè)定大氣降雨量及降雨過(guò)程。同時(shí)布設(shè)了3個(gè)內(nèi)徑20 cm的自制雨量筒，每場(chǎng)降雨后收集3個(gè)雨量筒的水樣形成混合樣，作為該場(chǎng)降雨的水樣。

為收集和測(cè)定穿透雨，按照機(jī)械布點(diǎn)方法，在香椿林內(nèi)分兩列設(shè)置（每列8個(gè)，共16個(gè)）穿透雨收集裝置。在云實(shí)灌叢下自基徑處向東、南、西、北4個(gè)方向延伸，距離主干的輻射距離分別為5、10、15、20 cm自布置16個(gè)塑料桶。每次降雨后使用100 mL標(biāo)準(zhǔn)量筒測(cè)量收集到的穿透雨量（mL），穿透雨量和水樣采用16個(gè)收集裝置的均值。

為收集和測(cè)定樹(shù)干徑流，在香椿林中選擇標(biāo)準(zhǔn)木共3株，將直徑為2 cm 的聚乙烯塑料管剖開(kāi)，從距地面1 m 開(kāi)始蛇形纏繞樹(shù)干一周半（用刀將纏繞部分的樹(shù)皮稍微刮平），用圖釘將塑料管固定在樹(shù)干上，并用玻璃膠對(duì)接縫處進(jìn)行密封，在塑料管下端接一個(gè)15 L 的塑料桶，每次降雨后用量筒測(cè)量桶內(nèi)水量。選擇2株標(biāo)準(zhǔn)灌木，用直徑為2 cm 的聚乙烯塑料管剖開(kāi)，在灌木10 cm處繞著基部打成領(lǐng)帶狀，并用圖釘固定，并涂抹密封膠，防止雨水外泄。在塑料管下端接一個(gè)15 L的塑料桶，每次降雨后用量筒測(cè)量桶內(nèi)水量并收集樹(shù)干徑流水樣。

為采集鉆孔水和表層巖溶泉水，在觀測(cè)期間，測(cè)量穿透雨和樹(shù)干徑流后同時(shí)收集鉆孔水和表層巖溶水。在S31號(hào)表層巖溶泉安置了CTDP300多參數(shù)自動(dòng)記錄儀（由澳大利亞Greenspan公司生產(chǎn)），對(duì)系統(tǒng)的5個(gè)參數(shù)（降雨量、水位、水溫、pH和電導(dǎo)率）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為15 min。

2.2 化學(xué)分析

水樣在野外用定性濾紙過(guò)濾后，在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所使用Multi N/C3100 多功能碳氮分析儀（德國(guó)耶拿分析儀器股份公司，Analytik Jena AG）測(cè)定總有機(jī)碳（TOC） 濃度，測(cè)量精度為0.1%～5%。

2.3 數(shù)據(jù)分析

某類(lèi)水樣的TOC 濃度平均值是各降雨事件中相應(yīng)水量的加權(quán)計(jì)算值：

C=∑ n 1 Ci·Pi/∑ n 1 Pi （1）

式中，C為某類(lèi)水樣（林外降水、穿透水、樹(shù)干莖流）的TOC平均濃度（mg·L-1 ），Ci為單次降雨后測(cè)定的TOC 濃度（mg·L-1 ），Pi為單次降雨的某類(lèi)水的水量（mm），P為某類(lèi)水的總量（mm），n 為測(cè)定的降水次數(shù)。林下降水等于穿透水和樹(shù)干莖流的水量之和，其TOC濃度平均值是單獨(dú)測(cè)定的穿透水與樹(shù)干莖流的TOC濃度的水量加權(quán)平均值。

本文將巖溶生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為兩個(gè)作用層，即林冠層（包括林冠層和灌草層）和土壤/巖石層（枯落物層和土壤/巖石層），降雨通過(guò)各作用層時(shí)的TOC 通量計(jì)算公式：

F=C·P/100 ?（2）

式中，F(xiàn)為通過(guò)某作用層的TOC通量（kg·hm-2 ），C為T(mén)OC 的平均濃度（mg·L-1 ），P為通過(guò)各作用層的總水量（mm）。

依據(jù)公式（3）計(jì)算通過(guò)某作用層的TOC通量（Fi）相對(duì)上作用層輸入的TOC 通量（Fj）的變化（ΔF）：

ΔF=Fi-Fj （3）

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征分析

試驗(yàn)期間（2015年5月1日至2016年4月30日）總降雨量為3 121.2 ?mm，試驗(yàn)區(qū)降雨以短時(shí)陣雨為主，4月開(kāi)始進(jìn)入雨季，主要是以<10 mm以下小降雨事件為主（圖1），5月雨量、雨強(qiáng)及降雨歷時(shí)達(dá)到峰值，降雨次數(shù)最多（22 d），<10 mm以下小降雨事件有12 d，大暴雨事件有2 d;6月、7月和8月降雨次數(shù)有所減少，降雨量和雨強(qiáng)也減小。從雨量來(lái)看，每天降雨量<10，10～25、25～50、50～100、100～250和>250 mm六個(gè)雨量級(jí)的總降雨量分別為418.8、541.2、830.8、922.2、408.2、0 mm，分 別占降雨總量的13.42%、17.34%、26.62%、29.55% ?、13.08%、0（表2）。從降雨量級(jí)的分布來(lái)看，日降雨量為<10 mm的小雨天數(shù)占總降雨天數(shù)的63.16% ， 而其降雨量?jī)H占總降雨量的13.42%， 對(duì)總降雨量的影響較小。日降雨量50～100的暴雨次數(shù)占總降雨次數(shù)的7.37%，而其降雨量卻占總降雨量的29.55%，表明其對(duì)總降雨的影響較大。日降雨量最小值為0.2 mm，而累積有3 d大暴雨天氣（2015年的5月15日、5月20日、6月13日降雨分別為169.4、107.2、131.6 mm），無(wú)特大暴雨天氣。

3.2 巖溶石山區(qū)植被水文過(guò)程中TOC 濃度的月動(dòng)態(tài)

在降雨通過(guò)大氣-植被-土壤/巖石的過(guò)程中，TOC濃度發(fā)生了改變。在觀測(cè)期間，大氣降水的TOC平均濃度為（3.05±2.12）mg·L-1 。降雨時(shí)，空氣中懸浮的含碳顆粒隨雨水沉積，降雨不僅會(huì)淋洗粘附在植物體表面的有機(jī)碳， 而且會(huì)淋洗由于植物體和附著在植物體上的微生物分泌的部分有機(jī)碳， 以及小動(dòng)物的尸體。在香椿林中，TOC 的平均濃度表現(xiàn)為香椿樹(shù)干徑流[（8.96±3.77）mg·L-1 ]<香椿穿透雨[（6.40±3.99）mg·L-1 ]< CF18[（6.07±2.17）mg·L-1 ] <泉水[（5.18±1.56）mg·L-1 ]，在云實(shí)灌叢中，TOC 的平均濃度表現(xiàn)為云實(shí)樹(shù)干徑流[（15.63±6.11）mg·L-1 ]<云實(shí)穿透雨[（15.03±7.47）mg·L-1 ]<CF16[（6.40±1.96）mg·L-1 ]<泉水[（5.18±1.56）mg·L-1 ]。大氣降水進(jìn)入森林后，碳濃度的增加是由于降水對(duì)葉面的淋洗（McDowell & Likens，1988）和淋溶（Turkey et al.，1970），因而林冠層結(jié)構(gòu)和組成是影響穿透水TOC濃度的主要因素。香椿林作為西南巖溶石山區(qū)植被恢復(fù)的先鋒林，其林冠結(jié)構(gòu)單一， 郁閉度低，其分泌物的種類(lèi)和組成相對(duì)比較簡(jiǎn)單，且香椿為落葉樹(shù)種，樹(shù)葉表面沉積的有機(jī)顆粒少。雨水對(duì)云實(shí)灌叢的淋洗和淋溶能力比香椿林大，主要是因?yàn)樵茖?shí)灌叢樹(shù)葉茂密，郁閉度和葉面積指數(shù)大，且樹(shù)皮開(kāi)裂，葉片粗糙且多毛，也可能與其分泌特性有關(guān)。穿透雨和樹(shù)干徑流作為兩個(gè)分量進(jìn)入表層巖溶帶后，經(jīng)過(guò)裂隙土/巖石的吸附和微生物降解等，TOC濃度下降，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的水巖相互作用后，泉水的TOC濃度繼續(xù)下降。

在TOC月濃度動(dòng)態(tài)變化方面，從圖2可以看出，年內(nèi)降雨TOC濃度月變化不大，變幅較小，而兩個(gè)林份樹(shù)干徑流和穿透雨的TOC濃度月變化較大，總體上呈現(xiàn)雨季高于旱季的趨勢(shì)。穿透雨、樹(shù)干徑流中TOC 濃度在6月份開(kāi)始增加，9月份TOC濃度達(dá)到最大值;至11月，由于雨季時(shí)植物體表面聚集的有機(jī)碳顆粒被沖刷和淋溶，積聚在樹(shù)皮和樹(shù)葉的有機(jī)物越來(lái)越少。因此，穿透雨和樹(shù)干徑流中的TOC濃度降低。鉆孔水和泉水的TOC濃度月變化與穿透雨和樹(shù)干徑流的TOC濃度月變化一致。

在降雨通過(guò)大氣-植被-土壤/巖石各層次的過(guò)程中，TOC濃度的增幅也不同（表3）。這與雨強(qiáng)、降雨持續(xù)時(shí)間、冠層結(jié)構(gòu)、表層巖溶帶的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在觀測(cè)期間，兩個(gè)林分的穿透雨和樹(shù)干徑流TOC濃度的平均增量和變化幅度較大，而且尤以灌叢的TOC濃度平均增量和變化幅度最大。鉆孔水和泉水TOC濃度的平均增量和變化幅度比穿透雨和樹(shù)干徑流的小。

3.3 香椿林和云實(shí)灌叢有機(jī)碳濃度與水量的相關(guān)性

從圖3可以看出，香椿林樹(shù)干徑流TOC 濃度與樹(shù)干徑流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而云實(shí)灌叢樹(shù)干徑流TOC濃度與樹(shù)干徑流量無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。香椿林和云實(shí)灌叢穿透雨TOC 濃度與其相應(yīng)的穿透雨量亦無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。

3.4 巖溶石山區(qū)大氣-植被-土壤/巖石系統(tǒng)各作用層的TOC 通量

在降水接觸植被表面、枯落物、土壤和巖石時(shí)，都會(huì)發(fā)生TOC的淋溶、吸附和吸收等過(guò)程，加之水量變化，造成了TOC 通量在各作用層的差別。從圖4可以看出，觀測(cè)期間降雨的月TOC平均通量為云實(shí)穿透雨（16.68 kg·hm-2 ）>香椿穿透雨（8.73 kg·hm-2 ）>降雨（5.25 kg·hm-2 ）>泉水（4.02 kg·hm-2 ）>香椿樹(shù)干徑流（0.59 kg·hm-2 ）>云實(shí)樹(shù)干徑流（0.38 kg·hm-2 ）。

林下降雨和林外降雨攜帶的TOC通量差值可以指示降雨對(duì)植被冠層和樹(shù)干的淋溶程度。香椿林和云實(shí)灌叢林下降雨攜帶年TOC通量相對(duì)林外降雨均有不同程度的增加，香椿林和云實(shí)灌叢的TOC通量分別增大了48.75 kg·hm-2 和170.67 kg·hm-2 （表4），說(shuō)明降雨經(jīng)過(guò)植被冠層和樹(shù)干的淋溶，TOC通量為凈增加。泉水與林下降雨攜帶的TOC通量的差值可以指示表層巖溶帶對(duì)輸入林地的TOC通量的作用。泉水?dāng)y帶的年TOC通量（63.06 kg·hm-2 ）比香椿林和云實(shí)灌叢林下降雨攜帶的TOC通量低。香椿林和云實(shí)灌叢林下降雨經(jīng)過(guò)表層巖溶帶后，經(jīng)過(guò)表層巖溶帶的吸附、微生物降解等，泉水?dāng)y帶的TCO通量（48.29 kg·hm-2 ）分別降低了0.46 kg·hm-2 和122.38 kg·hm-2 ，說(shuō)明表層巖溶帶具有TOC的凈吸附或凈儲(chǔ)存的“匯”作用。

4 討論與結(jié)論

4.1 西南巖溶石區(qū)大氣-植被-土壤/巖石系統(tǒng)TOC濃度差異性分析

大氣降雨中TOC的輸入是表層巖溶帶TOC的來(lái)源之一。在巖溶區(qū)大氣-植物-土壤/巖石系統(tǒng)中，TOC濃度的變化趨勢(shì)為樹(shù)干徑流>穿透雨>鉆孔水>泉水>大氣降雨。在廣西桂林地區(qū)，大氣降水的TOC濃度 （3.05 mg·L-1 ） 高于廣東鼎湖山（2.4 mg·L-1 ）（羅艷等，2004;尹光彩等，2005）和一些國(guó)外溫帶森林研究成果（1.0～2.9 mg·L-1 ）（Currie et al.， 1996; Inagaki et al.， 1995; McDowell， 1998），低于寧夏六盤(pán)山（7.34 mg·L-1 ）（楊麗麗等，2014）和中國(guó)臺(tái)灣關(guān)刀溪的研究成果（4.7 mg·L-1 ）（Liu & Bor，2003）。這與當(dāng)?shù)卮髿庵袘腋〉挠袡C(jī)物顆粒數(shù)量有關(guān)。由于雨水對(duì)樹(shù)葉 和樹(shù)干的淋洗和沖刷，大氣降水轉(zhuǎn)化為穿透雨和樹(shù)干徑流的過(guò)程中，TOC濃度顯著增大。在本研究中，樹(shù)干徑流的TOC濃度最高，變化在0.11～45.56 mg·L-1 ，低于其他地區(qū)的測(cè)定值范圍（4.1～56.89 mg·L-1 ）（Currie et al.， 1996; Inagaki et al.， 1995; McDowell， 1998;Liu & Bor， 2003;楊麗麗等，2014）。廣西桂林丫吉試驗(yàn)區(qū)主要植被類(lèi)型穿透雨的TOC濃度變化在0.02～51.89 mg·L-1 ，與廣東鼎湖山（12.9～14.6 mg·L-1 ）（尹光彩等，2005）、寧夏六盤(pán)山（11.05～21.92 mg·L-1 ）（楊麗麗等，2014），中國(guó)臺(tái)灣中部關(guān)刀溪（7.0～9.9 mg·L-1 ）（Liu & Bor， 2003）和其他地區(qū)（3.1～33.9 mg·L-1 ）地區(qū)相比，其TOC濃度變幅大，主要與樹(shù)種和森林結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，還與桂林地區(qū)降雨強(qiáng)度和頻度、雨季旱季分明的特點(diǎn)有關(guān)。桂林丫吉試驗(yàn)場(chǎng)香椿林和云實(shí)灌叢穿透雨較高的TOC總量不僅可為林下微生物生長(zhǎng)提供大量的能量，也可增強(qiáng)微生物與植物體之間的生化相互促進(jìn)作用。

在林下降水進(jìn)入巖溶區(qū)土壤/巖石系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為鉆孔水過(guò)程中，其TOC濃度變化與土壤厚度，枯落物數(shù)量與組成，巖石孔隙度等有關(guān)。桂林試驗(yàn)場(chǎng)巖溶區(qū)鉆孔水的TOC濃度變化為0.01～12.77 mg·L-1 ，比寧夏六盤(pán)山（22.29～28.55 mg·L-1 ）（楊麗麗等，2014）和廣東鼎湖山（28.5 mg·L-1 ）（尹光彩等，2005）枯落物滲漏水的TOC濃度低，但與廣東鼎湖山（5.4～12.1 mg·L-1 ）（尹光彩等，2005）和中國(guó)臺(tái)灣關(guān)刀溪（7.7～11.0 mg·L-1 ）（Liu & Bor， 2003）的土壤滲漏水TOC濃度接近。主要是因?yàn)楣鹆盅炯囼?yàn)場(chǎng)巖溶區(qū)枯落物數(shù)量少，土壤淺薄且土壤有機(jī)質(zhì)含量低的原因。桂林丫吉試驗(yàn)場(chǎng)表層巖溶泉水的TOC濃度為0.34～11.73 mg·L-1 ，與鉆孔水的TOC濃度較接近，但顯著低于從林外降水到林下降水的各轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，說(shuō)明表層巖溶帶土壤/巖石系統(tǒng)對(duì)TOC的吸附和攔截作用不容忽視。

4.2 西南巖溶石山區(qū)大氣-植被-土壤/巖石系統(tǒng)TOC通量

在降水經(jīng)過(guò)大氣-植被-土壤/巖石系統(tǒng)時(shí)，在不同樹(shù)種和不同介質(zhì)中會(huì)發(fā)生TOC的淋失、吸附和吸收等作用，且水量的不同造成TOC 通量在各作用層的差別。相對(duì)于林外降水的TOC通量（63.06 kg·hm-2 ），由穿透雨和樹(shù)干徑流組成的林下降雨的TOC通量在兩個(gè)林分樣地都增大了，表明植被類(lèi)型的林冠層均有TOC凈淋出作用，這與其他的研究相似?？傮w上看，桂林丫吉香椿林（153.48 kg·hm-2 ）和云實(shí)灌叢（204.86 kg·hm-2 ）的林下降雨的TOC通量比寧夏六盤(pán)水的五種森林（63.01～132.28 kg·hm-2 ）和1種灌叢（79.49 kg·hm-2 ）的TOC通量大，且灌叢的TOC凈淋出作用最大，其原因可能是灌叢粗糙且多毛的樹(shù)葉更有利于攔截和存儲(chǔ)大量干沉降，且茂密的樹(shù)葉也有利于昆蟲(chóng)的繁殖和生長(zhǎng)，在野外采樣的過(guò)程中，明顯發(fā)現(xiàn)云實(shí)灌叢葉片上有較多的昆蟲(chóng)殘留物。

在本研究中，丫吉表層巖溶泉水TOC通量為48.29 kg·hm-2 ，低于寧夏六盤(pán)山華山松林土壤滲漏水的TOC通量（66.33 kg·hm-2 ）（楊麗麗等，2014），且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于枯落物滲漏水的TOC通量，說(shuō)明表層巖溶帶起著重要的吸收、過(guò)濾和固定TOC的“匯”作用。降水在大氣-植被-土壤/巖石系統(tǒng)中的TOC通量變化，可以反映植被內(nèi)部和表層巖溶帶伴隨雨水轉(zhuǎn)化發(fā)生的碳轉(zhuǎn)移過(guò)程。在廣西桂林亞熱帶季風(fēng)氣候條件和裸露型巖溶區(qū)地質(zhì)背景下，林冠層對(duì)林外降水輸入TOC通量有凈增加（淋溶和淋洗）作用，而表層巖溶帶的土壤/巖石系統(tǒng)可大大降低林下降雨的TOC通量，起著凈固定作用。

綜上所述，大氣降雨為巖溶生態(tài)系統(tǒng)輸入一定數(shù)量的TOC（“源”作用）。降雨進(jìn)入植被內(nèi)部后時(shí)，植被林冠層作為“TOC活庫(kù)”具有增加TOC通量的“源”作用，而土壤/巖石系統(tǒng)作為“TOC死庫(kù)”具有固定TOC的“庫(kù)”作用。因此，在估算巖溶區(qū)碳轉(zhuǎn)移時(shí)，需要充分考慮植被系統(tǒng)對(duì)TOC通量的凈增加作用，如只是考慮大氣降雨和泉水的TOC輸入輸出模型，會(huì)大大低估土壤-碳酸鹽巖對(duì)TOC的固定作用。

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