巖溶石漠化區(qū)李樹林土壤巖溶作用強度及碳匯效應(yīng)

周孟霞，莫碧琴，楊 慧

巖溶石漠化區(qū)李樹林土壤巖溶作用強度及碳匯效應(yīng)

周孟霞，莫碧琴，楊 慧※

（1. 中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，桂林 541004；2. 自然資源部廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室，桂林 541004；3. 聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心，桂林 541004）

石漠化地區(qū)不同種植年限人工經(jīng)濟林下土壤巖溶作用強度研究不僅關(guān)系到巖溶碳匯估算，也關(guān)系到巖溶區(qū)陸地碳源/匯的準(zhǔn)確評估。利用標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法研究了典型石漠化治理區(qū)不同種植年限李樹人工林土下石灰?guī)r溶蝕速率。結(jié)果表明：不同種植年限李樹人工林土下石灰?guī)r溶蝕量在42～136.3 t/(km2·a)之間，折算成單位面積碳匯量則在5～16.4 t/(km2·a）之間，種植年限對土下石灰?guī)r溶蝕速率具有顯著影響，基本表現(xiàn)為植被生長初始和達到穩(wěn)定階段時的溶蝕速率較大，此時的碳匯潛力也較大。因此，在石漠化治理的過程中種植人工經(jīng)濟樹種，在巖溶區(qū)地表森林系統(tǒng)的增匯過程發(fā)生的同時，地下也同步發(fā)生著類似的增匯過程。因此，在巖溶區(qū)碳循環(huán)潛力與評價研究中必須考慮巖溶作用。

土壤；溶蝕速率；種植年限；碳匯；巖溶區(qū)

0 引 言

巖溶作用是全球碳循環(huán)的一部分[1]，巖溶作用的碳匯效應(yīng)被認(rèn)為是碳酸鹽巖在溶蝕過程中消耗大氣中的CO2，是一種潛在的大氣CO2匯[2-5]，其主要的化學(xué)反應(yīng)是碳酸鹽巖的2種主要物質(zhì)碳酸鈣和碳酸鎂等在水的參與下，與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[4]。碳酸鹽巖在全球的分布面積達到2.2×107km2，約占陸地面積的15%[6]，中國巖溶面積達3.44×106km2，約占全球巖溶總面積的15.6%[7]，以往的研究初步估算了全球巖溶作用碳匯量，為（1.1～6.08）′108t/a[3,8-10]，占“遺漏匯”的5.5%～30.4%[11-12]。因此，巖溶作用的碳匯效應(yīng)研究引起國內(nèi)外巖溶學(xué)界的廣泛興趣[13-16]。在巖溶動力系統(tǒng)中，具有高濃度的CO2土壤環(huán)境是巖溶發(fā)育最為活躍的部位，在濕熱環(huán)境下，土壤CO2是巖溶系統(tǒng)中重要的驅(qū)動力[17-19]。研究表明，森林土壤的C、N特征因植物種類組成的變化[20]和植被類型[21]的轉(zhuǎn)變而改變[22-23]，并且土壤呼吸過程碳的流失與林齡有關(guān)[24]。而土壤的C、N特征和環(huán)境條件的改變會進一步影響土壤微生物群落[25]，由于土壤CO2主要來源于植物根系呼吸和土壤微生物對有機質(zhì)的分解等，因此，土壤C、N狀態(tài)和植被的群落變化可能會改變土壤的溫室氣體排放。

李樹是西南巖溶石山地區(qū)重要的經(jīng)濟林果品種，也是巖溶石漠化修復(fù)潛力樹種之一[26]，但是目前很少有研究關(guān)注李樹林土壤CO2濃度及其對巖溶作用的強度，尤其是種植年限是否對土壤CO2濃度和溶蝕速率（Corrosion Rate，CR）具有不同影響的研究較少。此外，巖溶區(qū)石灰土是一種發(fā)育在碳酸鹽巖母質(zhì)上的土壤，具有富鈣偏堿的特性，這些特征可能使得巖溶區(qū)石灰土CO2濃度和溶蝕速率具有與其他土壤不同的特點。在巖溶石漠化治理過程中，由于缺乏對李樹林土壤CO2濃度與巖溶作用關(guān)系的認(rèn)識，限制了對巖溶地區(qū)石漠化治理過程中該生態(tài)系統(tǒng)在減緩?fù)寥繡O2排放的貢獻。為此，本研究采用野外原位監(jiān)測的方法，選取不同種植年限李樹林（2，5和20 a），通過以月為周期測定不同土層深度土壤CO2濃度，并通過埋放標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片的方法對土下碳酸鹽巖溶蝕速率開展觀測研究，分析了不同種植年限李樹林巖溶碳匯強度，為提高巖溶作用碳匯估算精度奠定良好基礎(chǔ)，對改進巖溶區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型具有積極意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)桂林市恭城縣大嶺山村（北緯24°54′29.90"，東經(jīng)110°47′19.97"）。該研究區(qū)氣候溫和，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫20.5 ℃，年均降水量1438 mm（圖1），年均無霜期達319 d。研究區(qū)地層巖性為下石炭統(tǒng)灰?guī)r，石漠化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，自20世紀(jì)80年代以來研究區(qū)開始通過種植李樹、桃樹等果樹的方式進行石漠化治理，形成了具有當(dāng)?shù)靥厣幕谔依钌鷳B(tài)種植的石漠化治理模式，取得了很好的生態(tài)和經(jīng)濟效益，并被科技部批準(zhǔn)為國家可持續(xù)發(fā)展實驗區(qū)。

1.2 試驗設(shè)計

利用時空代換法，在處于相同坡位、坡向上的李樹林地選擇2、5和20 a共3個不同種植年限，組成植被恢復(fù)序列，并在每種種植年限的李樹林中，間隔5 m以上，選擇長勢良好的樹種隨機設(shè)置3塊樣地。不同種植年限李樹均為同一農(nóng)戶經(jīng)營管理，管理方式一致，定期鏟除雜草，李樹林下僅有零星低矮的雜草，在每次監(jiān)測之前，提前2 d鏟除雜草。采樣點基本理化性質(zhì)如表1所示。

圖1 研究區(qū)監(jiān)測期內(nèi)氣溫及降水月動態(tài)變化

表1 不同種植年限李樹林土壤理化性質(zhì)

在距離樹干水平距離75、150和225 cm處，20和50 cm土層深度，分別埋放自制的CO2收集裝置，CO2裝置概述如下：由硬質(zhì)PVC管組成的L型管內(nèi)部套有用膠塞密封的硅膠管，硅膠管的直徑與CO2檢驗試管的直徑一致。在水平插入土壤內(nèi)部的PVC管壁上均勻打有小孔以便透氣，裝置露出地面的部分用止水夾夾住硅膠管，以免土壤空氣與大氣進行氣體交換。采用GESTEC真空泵及CO2檢驗試管測量土壤CO2濃度。本研究于2015年12月－2016年11月以月為周期測試土壤中CO2濃度。

土下石灰?guī)r溶蝕速率采用標(biāo)準(zhǔn)巖溶溶蝕試片法[1]，具體為：于2015年11月在研究區(qū)分別在距離樹干75、150和225 cm水平距離處，共分為5、20和50 cm 3個土層深度進行標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片的埋放，每處放置3塊，放置1 a后于2016年11月取出稱取質(zhì)量，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片質(zhì)量變化計算試片單位面積年溶蝕量，得到土下石灰?guī)r溶蝕速率。

本研究中碳酸鹽巖主要是石灰?guī)r，因而，研究中使用的溶蝕試片為較純的石灰?guī)r制作而成。土下石灰?guī)r溶蝕參照巖溶土壤系統(tǒng)中碳酸與碳酸鹽巖間的化學(xué)反應(yīng)式（1）[27]：

Ca(Mg)CO3+H2O+CO2→Ca2++Mg2++2HCO3-（1）

土下石灰?guī)r溶蝕速率計算如式（2）所示[28]：

式中CR表示試片溶蝕速率，mg/(cm2·a)；1為溶蝕試片的初始質(zhì)量，g；2為埋放進土壤一段時間后溶蝕試片的質(zhì)量，g；為埋放時間，d；為溶蝕試片的表面積（通過計算約為28.9 cm2）。

試驗結(jié)果均以3次樣品分析的平均值表示，利用SPSS 25，對所有試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析。采用origin 2017作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限土壤CO2濃度特征

不同種植年限李樹林土壤在20和50 cm土層深度的CO2濃度如表2所示。

表2 不同土層深度不同種植年限土壤CO2濃度

注：不同小寫字母表示同一土層深度不同種植年限間差異顯著（<0.05）；不同大寫字母表示同一種植年限不同土層深度差異顯著（<0.05）。CO2濃度單位為體積分?jǐn)?shù)，下同。

Note: Different lowercase letters represent significantly different between different planting ages in the same soil depth (<0.05) , while different uppercase letters represent significantly difference between different soil depths in the same planting age (<0.05). The unit of CO2concentration is volume fraction, the same below.

同一種植年限的土壤不同土層深度CO2濃度均表現(xiàn)為50 cm土層深度處大于20 cm土層深度處的濃度。配對樣本t檢驗的結(jié)果顯示，同一種植年限的土壤中20與50 cm土層深度CO2濃度之間差異性均較為顯著。從不同種植年限同一土層深度土壤CO2濃度來看，種植20 a的李樹土壤CO2濃度在2個土層深度均最高，而種植5 a的李樹土壤CO2濃度在2個土層深度均最低。并且種植2和5 a的土壤CO2濃度在2個深度之間差異性均不顯著，但是種植5與20 a的土壤CO2濃度在2個深度之間差異性均較為顯著（表2）。

不同種植年限下的李樹林土壤CO2濃度的月動態(tài)變化結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，CO2濃度全年各月份間存在較大的波動。從不同種植年限同一土層深度來看，土壤CO2濃度在全年各月份均表現(xiàn)為20 a在2個土層深度均最大，2 a次之，5 a最小。不同種植年限李樹土壤CO2濃度均在1月達到最低值，2和20 a的土壤CO2濃度在4月份最高，5 a的土壤CO2濃度在5月份最高。從季節(jié)上來看（圖3），3種種植年限的土壤CO2濃度在冬季差異性不顯著，但是隨著春季氣溫的回升，3種種植年限土壤中CO2濃度差距增大，尤其是20 a土壤中的CO2濃度，在春、夏和秋3個季節(jié)中20和50 cm土層深度均最高，并顯著高于其他2個種植年限土壤。

圖2 土壤CO2濃度月動態(tài)變化

注：不同小寫字母表示相同季節(jié)不同種植年限間差異顯著（P<0.05），不同大寫字母表示相同種植年限不同季節(jié)間差異顯著（P<0.05）。

2.2 不同種植年限土下石灰?guī)r溶蝕速率

如前所述，土下石灰?guī)r的溶蝕作用是石灰?guī)r的主要成分碳酸鹽巖與土壤中的水及CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生碳匯的反應(yīng)，而沉積作用則形如石筍和鈣華等形成，是溶蝕作用的逆反應(yīng)，是生成CaCO3并釋放CO2的過程[29]。不同種植年限下不同埋放深度的土下石灰?guī)r溶蝕速率如表3所示。溶蝕速率的結(jié)果均為正值，說明不同種植年限李樹土壤中均發(fā)生了石灰?guī)r的溶蝕作用，而不是微沉積作用[30-31]。本研究中土下石灰?guī)r溶蝕速率總體上基本表現(xiàn)為同一土層深度均為20 a最大，2 a次之，5 a的最小。并且不同種植年限李樹的土下石灰?guī)r溶蝕速率之間存在不同程度的差異性。從同一種植年限不同土層深度來看，總體上都表現(xiàn)為5、50 cm處溶蝕速率較高，而20 cm土層深度處最低（表3）。

表3 不同種植年限下土下石灰?guī)r溶蝕速率

2.3 距樹干水平距離對土壤CO2濃度和土下石灰?guī)r溶蝕速率的影響

土壤CO2濃度和土下石灰?guī)r溶蝕速率隨著距離樹干的距離的變化特征如圖4所示。從距離樹干的水平距離來看，除種植5 a李樹的土壤CO2濃度在50 cm土層深度隨著距離樹干的距離的增大出現(xiàn)降低的趨勢外，其余研究結(jié)果基本上均表現(xiàn)為距離樹干水平距離越遠，土壤CO2濃度越高。土下石灰?guī)r溶蝕速率隨距離樹干水平距離的變化表現(xiàn)為：除在50 cm土層深度處，2 a的土下石灰?guī)r溶蝕速率處在較高水平，其他土層及種植年限的溶蝕速率差別不大。

圖4 距樹干不同水平距離土壤CO2濃度和溶蝕速率

圖5為土壤CO2濃度與土下石灰?guī)r溶蝕速率之間的關(guān)系，從不同土層深度CO2濃度和土下石灰?guī)r溶蝕速率關(guān)系來看，在20 cm土層深度，CO2濃度與土下石灰?guī)r溶蝕速率呈現(xiàn)較好的正相關(guān)線性關(guān)系，而在50 cm土層深度，二者的相關(guān)性不顯著。

2.4 不同種植年限李樹土壤巖溶碳匯強度

本研究中不同種植年限的李樹林土下石灰?guī)r溶蝕速率最大值和最小值分別為136.3和4.2 mg/(cm2·a）。若換算成以單位t/(km2·a)計算，并根據(jù)CaCO3溶蝕量可換算成單位面積CO2消耗量（表4），則研究區(qū)不同種植年限李樹林單位面積CO2消耗量最大值和最小值分別可達到60和18.5 t/(km2·a)?？傮w上，由于巖溶作用產(chǎn)生的種植年限為2、5和20 a的碳匯平均值大小依次為10.4、6.5和9 t/(km2·a)。種植2 a李樹林土下溶蝕量在50 cm土層深度處最大，是相同土層深度其他2個種植年限的兩倍。

圖5 土壤CO2濃度與土下石灰?guī)r溶蝕速率之間的關(guān)系

表4 不同種植年限土壤巖溶作用碳匯強度

3 討 論

3.1 土壤CO2濃度及主要影響因素

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤中的CO2具有多源性，主要來源是植物根系的呼吸作用、土壤中微生物活動及大氣散入的組合[32]。已有研究表明巖溶地區(qū)林地的土壤CO2濃度隨土壤深度的增加而變大[33-34]，本研究中，不同種植年限李樹林的土壤CO2濃度均表現(xiàn)為20 cm土層深度處小于50 cm處的濃度，與上述研究結(jié)論一致。產(chǎn)生的原因主要有：首先，種植李樹的土壤經(jīng)過人為培植，表層的土壤與大氣連通性較好，土壤孔隙度高，利于土壤中的CO2向大氣中擴散；其次，李樹新根系或生命力強的根系（吸收養(yǎng)分水分多的根系）主要在深層，代謝分泌的物質(zhì)多，微生物活動旺盛，土壤呼吸釋放的CO2更多。因此，50 cm土層深度處釋放的CO2比20 cm處要多。

從3個李樹林種植的年限上看，種植20 a的土壤CO2濃度在20和50 cm土層深度均最高，這主要是因為李樹經(jīng)過了20 a的生長，營養(yǎng)物質(zhì)和周圍的環(huán)境達到了一種動態(tài)平衡，無論施肥還是自身歸還的根系分泌物都最多；種植2 a的李樹林，由于種植初期主要進行營養(yǎng)生長，根系處于旺盛生長和代謝時期；種植5 a的李樹林開始向生殖生長轉(zhuǎn)變，以地上部分生長為主，因此，5 a的地下部分生長不如2 a的活躍，這可能是造成種植5 a的李樹林土壤CO2濃度反而比種植2 a的李樹林土壤CO2濃度低的原因之一。

此外，溫度和降雨也是影響土壤CO2濃度的重要因素，在一定程度上可以提高土壤微生物的活性，促進其生命活動，并加速根系的物質(zhì)循環(huán)[35-36]。本研究中，土壤CO2濃度月動態(tài)變化與研究區(qū)溫度和降雨具有較好的關(guān)聯(lián)，在4月份，研究區(qū)氣候回暖，降雨量增加，有利于微生物的分解作用，土壤的CO2濃度劇增，在4—5月達到一年中的最高值，總體上土壤CO2濃度在季節(jié)上表現(xiàn)為春夏高，秋冬低的趨勢。土壤濕度在一定程度上影響土壤中CO2的產(chǎn)生，前人研究巖溶區(qū)土壤體積含水率在7.5%~30.17%之間對土壤呼吸不會產(chǎn)生明顯的影響[37]，只有低于或者超出這個閾值才會對土壤呼吸作用有明顯的促進或抑制作用，這也有可能造成本研究中土壤CO2濃度在降雨量最大的5月份卻比4月份低。以上結(jié)果表明土壤中的CO2濃度并不由某一個因素決定，而是各個因素相互作用的結(jié)果，但可以肯定的是土壤的CO2濃度受當(dāng)?shù)厮疅釛l件的影響[33]。

3.2 土下石灰?guī)r溶蝕速率及影響因素

巖溶作用是在一個完全開放的系統(tǒng)中進行，是多種因素共同影響的綜合復(fù)雜過程，土壤中的環(huán)境因子、地表植被、地區(qū)氣候和人類活動造成的土壤理化性質(zhì)的改變，都會進一步影響到溶蝕速率[38-40]。本研究中，種植年限為2 a的土壤CO2濃度和溶蝕速率均很高，隨著李樹林種植年限的增長，種植5 a的李樹林土下石灰?guī)r溶蝕速率呈現(xiàn)減小趨勢，而種植20 a的李樹林的土下石灰?guī)r溶蝕速率增大，這說明植被生長發(fā)育期會對溶蝕作用產(chǎn)生影響。

不同深度土層中，在5 cm土層深度處的不同種植年限的李樹林土下石灰?guī)r溶蝕速率均處于較高水平。有研究表明土下溶蝕強度會受到土壤中的有機質(zhì)的控制。表層土壤由于枯枝落葉多，且受到人為培肥的影響，土壤有機質(zhì)含量高，表層巖溶調(diào)蓄能力及微生物活動強。由于生物巖溶在巖溶過程中扮演了十分重要的角色，因此，溶蝕量隨有機質(zhì)含量的增多而增加[31]。但隨著土層深度的增加，土壤有機質(zhì)含量會逐漸減少[41]。本研究中種植了2和5 a的李樹林土下石灰?guī)r溶蝕速率在50 cm土層深度增大，種植了20 a的李樹林的年單位溶蝕量卻隨土壤有機物質(zhì)的減少而降低。所以，這需要考慮到本研究中的碳酸鹽巖主要是石灰?guī)r，其主要成分為CaCO3，水和CO2也是影響巖溶作用的2個關(guān)鍵因素[42]，土壤深處較高的CO2濃度加上植被根系產(chǎn)生更多有機酸，促使土壤水的侵蝕能力變強，對碳酸鹽巖的溶蝕作用增大，因此碳匯強度變大。同時植被長勢也會影響碳匯強度[43-44]。由于20 a的李樹林已處于較穩(wěn)定的生長老齡期，根系微生物活動代謝的有機酸少，土壤水的侵蝕能力弱，故巖溶碳匯強度小。

距樹干不同水平距離的土下石灰?guī)r溶蝕速率的變化再次證明了植被的生長情況及所處環(huán)境因子均會對土下溶蝕作用產(chǎn)生不同影響。種植了2 a的李樹在表層的土下石灰?guī)r溶蝕速率隨著距離樹干的水平距離越遠而增大，而種植5和20 a的李樹下溶蝕速率則是隨著水平距離的增大而減少，這可能與種植5和20 a的李樹下枯枝落葉較多，而種植2 a的李樹下枯枝落葉較少并且尚未完全分解有關(guān)。相關(guān)分析結(jié)果顯示，在20 cm土層深度處，土下石灰?guī)r溶蝕速率與土壤CO2濃度具有較好的正相關(guān)關(guān)系，可見CO2是土下溶蝕作用的重要驅(qū)動因子[45]。而在50 cm土層深度處，土下石灰?guī)r溶蝕速率與土壤CO2濃度之間的相關(guān)關(guān)系不顯著，這說明在50 cm土層深處，影響土下石灰?guī)r溶蝕速率的因素相對較為復(fù)雜：土下石灰?guī)r溶蝕速率也與土壤水分特征密切相關(guān)。此外，巖溶區(qū)土壤土層相對較薄，通常深度都不足1 m，50 cm土層深度處也靠近基巖，土壤CaCO3含量增加，由此產(chǎn)生的堿性屏障也是影響土下石灰?guī)r溶蝕速率的重要原因[1]。以上研究結(jié)果也說明巖溶作用的不均一性。

3.3 不同種植年限李樹土下巖溶碳匯強度

地表植被的生長狀況會導(dǎo)致巖溶作用碳匯強度發(fā)生變化，前人的研究結(jié)果顯示巖溶區(qū)石漠化治理的次生林及經(jīng)濟林地的巖溶碳匯在1.09～2.75 t/(km2·a)之間[35-36]，耕地、灌叢和林地等不同土地利用方式巖溶碳匯在0.061～7.62 t/(km2·a)之間[1,45]，相比之下，本研究中李樹林的巖溶碳匯量十分可觀，可達到6.5～10.4 t/(km2·a)?？傮w來說，不同種植年限的李樹林的巖溶碳匯均處于較高水平，但當(dāng)?shù)厣现脖惶幵诓煌L階段時，溶蝕強度存在顯著差異。種植2 a的李樹林的地下碳匯強度可達到種植5 a的李樹林的1.6倍，隨著生長年份的增加，本研究與楊龍等[46]研究中植被的巖溶碳匯量隨生長年限的增長呈現(xiàn)明顯增加趨勢的結(jié)果不一致，這可能與其研究中植被的立地條件（石漠化程度等）差異較大有關(guān)。

巖溶作用即土下石灰?guī)r發(fā)生的溶蝕作用是消耗CO2的過程，這些CO2一部分來自大氣，一部分來自土壤呼吸作用。而呼吸作用是陸地碳循環(huán)的重要組成部分，對其評價的準(zhǔn)確性直接影響到陸地碳源/碳匯的準(zhǔn)確評估[47]。在巖溶區(qū)土層通常較薄，并且在土壤剖面和基巖中有碳酸鹽巖存在，因此，巖溶區(qū)土壤呼吸產(chǎn)生的CO2一部分可能被巖溶作用消耗掉。這表明在石漠化治理的過程中種植人工經(jīng)濟樹種，除了普遍被接受的在地上部分產(chǎn)生森林碳匯外，地下部分的巖溶碳匯也不容忽視。并且，還需要考慮到植被在不同生長階段中碳匯的差異，方可進一步評估巖溶區(qū)域碳循環(huán)潛力。

4 結(jié) 論

本研究以不同種植年限的李樹林土壤為研究對象，原位監(jiān)測了不同土層深度土壤CO2濃度，并采用標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法監(jiān)測了土下石灰?guī)r溶蝕速率，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對巖溶作用產(chǎn)生的碳匯強度進行了分析，具體結(jié)論如下：

1）李樹林土壤CO2濃度受種植年限、土層深度、研究區(qū)的氣候條件（溫度、降雨）等的共同影響；

2）土下石灰?guī)r溶蝕速率除與土壤CO2濃度有關(guān)外，與李樹的生長狀況和土壤環(huán)境等也有較大的關(guān)系；

3）不同種植年限李樹林單位面積溶蝕量范圍為42～136.3 t/(km2·a)，折算成碳匯量在5～16.4 t/(km2·a)之間。在西南巖溶石漠化地區(qū)人工林恢復(fù)過程中，該數(shù)據(jù)為準(zhǔn)確預(yù)估巖溶地區(qū)地下巖溶碳匯潛力具有重要的參考價值。

[1] 章程. 不同土地利用下的巖溶作用強度及其碳匯效應(yīng)[J]. 科學(xué)通報，2011，56(26)：2174-2180.

[2] 袁道先. 碳循環(huán)與全球巖溶[J]. 第四紀(jì)研究，1993 (1)：1-6.

Yuan Daoxian. Carbon cycle and global karst[J]. Quaternary Sciences, 1993 (1): 1-6. (in Chinese with English abstract)

[3] Yuan D. The carbon cycle in karst[J]. Zeitschrift Fur Geomorphologie, 1997, 108 (Suppl.): 91-102.

[4] Jiang Z, Yuan D. CO2Source-sink in karst processes in karst areas of China[J]. Episodes, 1999, 22(1):33-35.

[5] 章程. 巖溶作用時間尺度與碳匯穩(wěn)定性[J]. 中國巖溶，2011，30(4)：368-371.

Zhang Cheng. Time-scale of karst processes and the carbon sink ability[J]. Carsologica Sinica, 2011, 30(4): 368-371. (in Chinese with English abstract)

[6] 袁道先. 現(xiàn)代巖溶學(xué)和全球變化研究[J]. 地學(xué)前緣，1997, 4(1/2)：17-25.

Yuan Daoxian. Modern karstology and global change study[J]. Earth Science Frontiers, 1997, 4(1/2): 17-25. (in Chinese with English abstract)

[7] 袁道先. 中國巖溶學(xué)[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1994: 23-25.

[8] Liu Z, Zhao J. Contribution of carbonate rock weathering to the atmospheric CO2sink[J]. Environmental Geology, 2000, 39(9): 1053-1058.

[9] 劉再華. 大氣CO2兩個重要的匯[J]. 科學(xué)通報，2000, 45(21)：2348-2351.

[10] Yoshimura K, Inokura Y. The geochemical cycle of carbon dioxide in a carbonate rock area, Akiyoshi-dai Plateau, Yamaguchi, Southwestern Japan[C]. Proc. 30th Intl. Geol. Congr, The Netherlands: VSP, Utrecht, 1997, 24: 114-126.

[11] 劉再華，Wolfgang Dreybrodt，王海靜. 一種由全球水循環(huán)產(chǎn)生的可能重要的CO2匯[J]. 科學(xué)通報，2007(20)：2418-2422.

[12] 蔣忠誠，袁道先，曹建華，等. 中國巖溶碳匯潛力研究[J]. 地球?qū)W報，2012，33(2)：129-134.

Jiang Zhongcheng, Yuan Daoxian, Cao Jianhua, et al. A study of carbon sink capacity of karst processes in China[J]. Acta Geoscience Sinica, 2012, 33(2): 129-134. (in Chinese with English abstract)

[13] 曹建華，楊慧，康志強. 區(qū)域碳酸鹽巖溶蝕作用碳匯通量估算初探：以珠江流域為例[J]. 科學(xué)通報，2011，56(26)：2181-2187.

[14] 王世杰，劉再華，倪健，等. 中國南方喀斯特地區(qū)碳循環(huán)研究進展[J]. 地球與環(huán)境，2017，45(1)：2-9.

Wang Shijie, Liu Zaihua, Ni Jian, et al. A review of research progress and future prospective of carbon cycle in karst area of south China[J]. Earth and Environment, 2017, 45(1): 2-9. (in Chinese with English abstract)

[15] Pan Y, Birdsey R A, Fang J, et al. A large and persistent carbon sink in the world's forests[J]. Science, 2011, 333(6045): 988-993.

[16] Tong X, Brandt M, Yue Y, et al. Increased vegetation growth and carbon stock in China karst via ecological engineering[J]. Nature Sustainability, 2018, 1(1): 44-50.

[17] 何師意，徐勝友，張美良. 巖溶土壤中CO2濃度、水化學(xué)觀測及其與巖溶作用關(guān)系[J]. 中國巖溶，1997,16(4)：39-44.

He Shiyi, Xu Shengyou, Zhang Meiliang. Observation on soil CO2concentration, hydrochemistry, and their relationship with karst processes[J]. Carsologica Sinica, 1997,16(4): 39-44. (in Chinese with English abstract)

[18] Pan G, Tao Y, Sun Y. Some features of carbon cycles in karst system and implication for epikarstification[J]. The Journal of Chinese Geography, 1997,7(3): 48-57.

[19] 吳澤燕，章程，蔣忠誠，等. 巖溶關(guān)鍵帶及其碳循環(huán)研究進展[J]. 地球科學(xué)進展，2019，34(5)：488-498.

Wu Zeyan, Zhang Cheng, Jiang Zhongcheng, et al. Advance of karst critical zone and its carbon cycle[J]. Advances in Earth Science, 2019, 34(5): 488-498. (in Chinese with English abstract)

[20] Zhang L, Wang S, Liu S, et al. Perennial forb invasions alter greenhouse gas balance between ecosystem and atmosphere in an annual grassland in China[J]. Science of the Total Environment, 2018, 642:781-788.

[21] 梁月明，蘇以榮，張偉，等. 桂西北不同植被恢復(fù)階段土壤氨氧化細(xì)菌遺傳多樣性研究[J]. 土壤學(xué)報，2013，50(2)：364-371.

Liang Yueming, Su Yirong, Zhang Wei, et al. Genetic diversities of soil ammonia-oxidizing bacteria at various vegetation restoration stages in southwest Guangxi, China[J]. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(2): 364-371. (in Chinese with English abstract)

[22] 郭曼，鄭粉莉，和文祥，等. 黃土丘陵區(qū)不同退耕年限植被多樣性變化及其與土壤養(yǎng)分和酶活性的關(guān)系[J]. 土壤學(xué)報，2010，47(5)：979-986.

Guo Man, Zheng Fenli, He Wenxiang, et al. Variation of vevetation on diversity and its relationship with soil nutrient and enzyme activity in lands of different abandoned years in the loesshilly-gully region[J]. Acta Pedologica Sinica, 2010, 47(5): 979-986. (in Chinese with English abstract)

[23] Zhang L, Zhang Y, Zou J, et al. Decomposition of Phragmites australis litter retarded by invasive Solidago canadensis in mixtures: An antagonistic non-additive effect[J]. Scientific Reports, 2014, 4: 5488.

[24] Liu L, Wang H, Dai W. Characteristics of soil organic carbon mineralization and influence factor analysis of natural Larix olgensis forest at different ages[J]. Journal of Forestry Research, 2018, 30(4): 1495-1506.

[25] Xu Q, Jiang P, Wu J, et al. Bamboo invasion of native broadleaf forest modified soil microbial communities and diversity[J]. Biological Invasions, 2014, 17(1): 433-444.

[26] Yang H, Mo B, Zhou M, et al. Effects of plum plantation ages on soil organic carbon mineralization in the karst rocky desertification ecosystem of Southwest China[J]. Forests, 2019, 10(12):1107.

[27] 吳澤燕，羅為群，蔣忠誠，等. 土壤改良對土壤水水化學(xué)及碳酸鹽巖溶蝕的CO2凈消耗量的影響[J]. 中國巖溶，2019，38(1)：60-69.

Wu Zeyan, Luo Weiqun, Jiang Zhongcheng, et al. Effect of filter sludge and organic manure soil improvement on soil hydrochemistry and net CO2consuption of dissolution of carbonate rocks[J]. Carsologica Sinica, 2019, 38(1): 60-69. (in Chinese with English abstract)

[28] 黃奇波，覃小群，劉朋雨，等. 北方不同植被下土壤巖石試片的溶蝕速率及碳匯分析：以山西汾陽地區(qū)為例[J]. 中國巖溶，2013，32(3)：258-265.

Huang Qibo, Qin Xiaoqun, Liu Pengyu, et al. Analysis on tablets dissolution rate and carbon sink under different vegetation in north China karst area[J]. Carsologica Sinica, 2013, 32(3): 258-265. (in Chinese with English abstract)

[29] 劉再華. 土壤碳酸鹽是一個重要的大氣CO2匯嗎?[J]. 科學(xué)通報，2011，56(26)：2209-2211.

[30] 王冬銀，章程，謝世友，等. 山區(qū)巖溶作用對土地利用方式的響應(yīng)：以金佛山碧潭泉和水房泉兩區(qū)巖溶系統(tǒng)為例[J]. 地學(xué)前緣，2007，14(4)：222-230.

Wang Dongyin, Zhang Cheng, Xie Shiyou, et al. Response of karstification to land-use types in mountain area: A case study of the karst areas in Bitan and Shuifang springs in Jinfo Mountain, Chongqing[J]. China Earth Science Frontiers, 2007, 14(4): 222-230. (in Chinese with English abstract)

[31] 章程，謝運球，呂勇，等. 不同土地利用方式對巖溶作用的影響：以廣西弄拉峰叢洼地巖溶系統(tǒng)為例[J]. 地理學(xué)報，2006，61(11)：1181-1188.

Zhang Cheng, Xie Yunqiu, Lü Yong, et al. Impact of land-use patterns upon karst processes: Taking Nongla fengcong depression area Guangxi as an example[J]. Acta Geographica Sinica, 2006, 61(11): 1181-1188. (in Chinese with English abstract)

[32] Fritz P, Mozeto A, Reardon E. Practical considerations on carbon isotope studies on soil carbon dioxide[J]. Chemical Geology: Isotope Geoscience Section. 1985, 58(1/2): 89-95.

[33] 李濤，曹建華，張美良，等. 桂林盤龍洞巖溶表層帶土壤CO2濃度的季節(jié)變化研究[J]. 中國巖溶，2011，30(3)：348-353.

Li Tao, Cao Jianhua, Zhang Meiliang, et al. The seasonal variation of soil CO2concentration in epikarst in the Panlong Cave, Guilin[J]. Carsologica Sinica, 2011, 30(3): 348-353. (in Chinese with English)

[34] 劉九纏，孫玉川，沈立成，等. 石漠化治理對土壤中CO2、CH4變化特征及碳匯效應(yīng)的影響[J]. 中國巖溶，2018，37(5)：733-741.

Liu Jiuchan, Sun Yuchuan, Shen Licheng, et al. Effects of rocky desertification control on CO2, CH4variation and carbon sink in soil[J]. Carsologica Sinica, 2018, 37(5): 733-741. (in Chinese with English abstract)

[35] Gomez-Casanovas N, Anderson-Teixeira K, Zeri M, et al. Gap filling strategies and error in estimating annual soil respiration[J]. Global Change Biology, 2013, 19(6): 1941-1952.

[36] 馬和平，郭其強，李江榮，等. 色季拉山4種林型土壤呼吸及其影響因子[J]. 土壤學(xué)報，2016，53(1)：253-260.

Ma Heping, Guo Qiqiang, Li Jiangrong, et al. Soil respiration and its affecting factors relative to type of forest in the Sygera Mountains of southeast Tibetan Pateau[J]. Acta Pedologica, 2016, 53(1): 253-260. (in Chinese with English abstract)

[37] 吳夏，潘謀成，曹建華，等. 典型巖溶區(qū)土壤呼吸作用的晝夜變化特征及其影響因素[J]. 中國巖溶，2019，38(2)：157-163.

Wu Xia, Pan Moucheng, Cao Jianhua, et al. Diurnal variation characteristics of soil respiration and influencing factors in the Maocun karst area, Guilin[J]. Carsologica Sinica, 2019, 38(2): 157-163. (in Chinese with English abstract)

[38] 李陽兵，王世杰，王濟. 巖溶生態(tài)系統(tǒng)的土壤特性及其今后研究方向[J]. 中國巖溶，2006，25(4)：285-289.

Li Yangbing, Wang Shijie, Wang Ji. Soil properties in karst ecosystem and future study[J]. Carsologica Sinica, 2006, 25(4): 285-289. (in Chinese with English abstract)

[39] 李建明，王志剛，王愛娟，等. 退耕還林恢復(fù)年限對巖溶槽谷區(qū)石漠化土壤物理性質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(1)：99-108.

Li Jianming, Wang Zhigang, Wang Aijuan, et al. Effects of land restoration years on physical properties of rocky desertified soil in through valley of the southeast China karst region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 99-108. (in Chinese with English abstract)

[40] 藍家程，傅瓦利，甄曉君，等. 巖溶山區(qū)土壤性質(zhì)及其對土下溶蝕速率的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2011，25(2)：58-62.

Lan Jiacheng, Fu Wali, Zhen Xiaojun,et al. Effects of soil properties on the dissolution rate of karst in soils in karst mountain area[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(2): 58-62. (in Chinese with English abstract)

[41] 徐勤學(xué)，李春茂，陳洪松，等. 喀斯特峰叢坡地灌木林地與梯田旱地土壤水分入滲特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(8)：124-131.

Xu Qinxue, Li Chunmao, Chen Hongsong, et al. Characteristics of soil moisture infiltration in shrub land and terraces dryland in Karst peaks hillslopes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(8): 124-131. (in Chinese with English abstract)

[42] Chen Q. Characteristics of soil profile CO2concentrations in karst areas and their significance for global carbon cycles and climate change[J]. Earth System Dynamics. 2019, 10: 525-538.

[43] 藍家程，肖時珍，楊龍，等. 石漠化治理對巖溶作用強度的影響及其碳匯效應(yīng)[J]. 水土保持學(xué)報，2016，30(3)：244-249.

Lan Jiacheng, Xiao Shizhen, Yang Long, et al. Impact of rocky desertification treatment on karst carbonate rock dissolution rates and its carbon sink effect[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(3): 244-249. (in Chinese with English abstract)

[44] 曾思博，蔣勇軍. 土地利用對巖溶作用碳匯的影響研究綜述[J]. 中國巖溶，2016，35(2)：153-163.

Zeng Sibo, Jiang Yongjun. Impact of land-use and land-cover change on the carbon sink produced by karst processes: A review[J]. Carsologica Sinica, 2016, 35(2): 153-163. (in Chinese with English abstract)

[45] 章程. 不同土地利用土下溶蝕速率季節(jié)差異及其影響因素：以重慶金佛山為例[J]. 地質(zhì)論評，2010，56(1)：136-140.

Zhang Cheng. Seasonal variation of dissolution rate under the soil at different land uses and its influence factors: A case study of Jinfo Mountain, Chongqing[J]. Geological Review, 2010, 56(1): 136-140. (in Chinese with English abstract)

[46] 楊龍，熊康寧，肖時珍，等. 花椒林在喀斯特石漠化治理中的碳匯效益[J]. 水土保持通報，2016，36(1)：292-297.

Yang Long, Xiong Kangning, Xiao Shizhen, et al. carbon sequestration benefits of Zanthoxylon Bungeanum forest in karst rocky desertification treatment areas[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2016, 36(1): 292-297. (in Chinese with English abstract)

[47] 周廣勝，賈丙瑞，韓廣軒，等. 土壤呼吸作用普適性評估模型構(gòu)建的設(shè)想[J]. 中國科學(xué)（C輯：生命科學(xué)），2008(3)：293-302.

Zhou Guangsheng, Jia Bingrui, Han Guangxuan, et al. Assumption on the construction of the universal evaluation model of soil respiration[J]. Science in China Series C: Life Sciences, 2008(3): 293-302. (in Chinese with English abstract)

Soil karstification intensity and carbon sink effect of plum plantation in karst rocky desertification areas

Zhou Mengxia, Mo Biqin, Yang Hui※

(1.,541004,; 2.541004,; 3.,,541004,)

The study of soil karstification intensity under artificial economic forest in karst rocky desertification area is not only related to the estimation of karst carbon sink, but also to the accurate assessment of land carbon source/sink in karst area. In order to make clear the contribution of artificial economic forest to karst carbon sink in the process of rocky desertification control, the soil of different planting ages of plum forest in the National Sustainable Development Experimental Area of Ministry of science and technology in Gongcheng County, Guilin City was selected as the research object. The soil CO2concentration of different soil depths was monitored in situ with different planting ages of plum forest, and the limestone corrosion rate under the soil was monitored by standard corrosion test piece method, and the carbon sink intensity caused by karstification was analyzed according to the monitoring results. The results showed that at the same planting age, the soil CO2concentration in 50 cm depth was greater than that in 20 cm depth, and the order from large to small of soil CO2concentration between different planting ages in the same soil layer was 20, 2 and 5 years. In addition, the variation of soil CO2concentration was obvious with seasons change, especially the monthly dynamic change of soil CO2concentration had good correlation with the monthly average air temperature and precipitation in the study area. Therefore, planting ages, soil depth and climate conditions (temperature and precipitation etc.) of the study area had important effects on soil CO2concentration of plum forest. The research results of limestone corrosion rate under plum forest soil with different planting ages were consistent with the order of soil CO2concentration. Generally, limestone corrosion rate under plum forest soil in the same soil depth was the largest in 20 years, followed by 2 years, and the minimum in 5 years. This is mainly due to the nutrients and the surrounding environment have reached a dynamic balance, and there are a lot of root exudates returned by both fertilization and self-return after 20 years’ growth. For the plum plantation planted for 2 years, due to the main vegetative growth in the initial stage of planting, the root system is in the vigorous growth and metabolism period. The plum plantation planted for 5 years changed to reproductive growth, mainly the fruit growth of aboveground part. Therefore, in addition to the CO2concentration, the limestone corrosion rate under the soil of different planting ages is related to the growth status and soil environment of plum forests. The corrosion amount of plum plantation with different planting ages ranged from 42 to 136.3 t/(km2·a), and the carbon sink ranged from 5 to 16.4 t/(km2·a). The results showed that planting artificial economic trees in the process of rocky desertification control can not only produce forest carbon sink in the aboveground, but also the karst carbon sink in the underground. The results have important reference value for accurate prediction of underground karst carbon sink potential in karst area.

soil; corrosion rate; planting ages; carbon sink; karst area

周孟霞，莫碧琴，楊慧. 巖溶石漠化區(qū)李樹林土壤巖溶作用強度及碳匯效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(13)：116-123.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.014 http://www.tcsae.org

Zhou Mengxia, Mo Biqin, Yang Hui. Soil karstification intensity and carbon sink effect of plum plantation in karst rocky desertification areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 116-123. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.014 http://www.tcsae.org

2020-03-23

2020-06-30

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0502501）；廣西自然科學(xué)基金項目（2017GXNSFAA198153）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（桂科能1598023-1）；中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)費項目（2020004）

周孟霞，主要從事巖溶區(qū)土壤固碳機制研究。Email：mengxia.zhou95@gmail.com

楊慧，博士，副研究員，主要從事巖溶區(qū)生物地球化學(xué)研究。Email：yanghui-kdl@karst.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.014

P593

A

1002-6819(2020)-13-0116-08