貴州茂蘭喀斯特森林不同小生境類型對(duì)巖石溶蝕的影響*

龍 健，吳求生，李 娟，廖洪凱，劉靈飛，黃博聰，張菊梅

（1. 貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550001；2. 貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng)

550001）

碳酸鹽巖溶蝕成土是我國(guó)南方巖溶地區(qū)土壤資源的一種重要成土機(jī)制，巖溶地區(qū)土壤侵蝕的嚴(yán)重程度在很大程度上取決于特定地質(zhì)環(huán)境背景下的成土速率[1-3]，受到碳酸鹽巖酸性不溶物含量低的影響，喀斯特地區(qū)土壤存有成土速率慢、土層淺薄、土壤環(huán)境脆弱等環(huán)境問題。因此，探明碳酸鹽巖溶蝕與成土作用對(duì)喀斯特山區(qū)土壤保護(hù)和可持續(xù)利用具有重要意義。針對(duì)碳酸鹽巖溶蝕成土的機(jī)制，目前從碳酸鹽巖溶蝕及其與殘余物的關(guān)系、生態(tài)環(huán)境因子對(duì)溶蝕和成土的影響等方面進(jìn)行研究，研究基本認(rèn)為，碳酸鹽巖溶蝕殘余物是成土的基本物質(zhì)，受到環(huán)境條件的影響，成土過程和成土質(zhì)量存在顯著差異[4-13]。

碳酸鹽巖溶蝕（風(fēng)化）成土過程受到微觀和宏觀的物理、化學(xué)、生物等因素的影響。在碳酸鹽巖溶蝕的研究中，目前主要是基于標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法、結(jié)合野外實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)溶蝕模擬作對(duì)比，分析影響溶蝕速率的因素，得出碳酸鹽巖結(jié)構(gòu)、水物質(zhì)、氣溫、動(dòng)物、植物以及微生物等條件是溶蝕的主要影響因素[14-16]，甚至土壤理化性質(zhì)也會(huì)影響碳酸鹽巖的溶蝕速率[17-18]。碳酸鹽巖溶蝕使得喀斯特地表形成多樣式小生境，前人主要根據(jù)巖石面積裸露情況將生境分為石洞、石縫、石溝、石槽、石面以及一般土面等小生境[19]。喀斯特地區(qū)大多數(shù)土壤留存于地表發(fā)育的石縫、石洞、石溝等小生境中，生境多樣性影響生境成土過程和土壤有機(jī)質(zhì)含量[19-22]。然而，已有的研究未能充分說明生境生態(tài)因子在巖石溶蝕過程中的貢獻(xiàn)大小，特別是對(duì)喀斯特小生境類型下巖石溶蝕與成土關(guān)系還未見相關(guān)報(bào)道。

茂蘭喀斯特原始森林位于貴州省荔波縣境內(nèi)，是目前世界上同緯度地區(qū)喀斯特原生性森林分布面積最大的地區(qū)，該地區(qū)分布著復(fù)雜的小生境類型，對(duì)整個(gè)西南喀斯特地區(qū)具有較好的代表性。本研究選取茂蘭喀斯特森林不同小生境類型為研究對(duì)象，進(jìn)行碳酸鹽巖溶蝕實(shí)驗(yàn)，探討不同小生境類型下巖石溶蝕及其與成土的關(guān)系，以期豐富喀斯特地區(qū)成土機(jī)制，為喀斯特森林土壤生態(tài)保護(hù)及可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

貴州荔波茂蘭國(guó)家級(jí)喀斯特自然保護(hù)區(qū)（25°09′～25°20′N，107°52′～108°05′E），年均溫度18.3 ℃，≥10 ℃積溫 5 768 ℃，全年降水量1 321 mm，集中分布于4—10 月；年均相對(duì)濕度80%；年均霜日7.3 d；全年日照時(shí)數(shù)1 273 h；屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候。出露地層主要為下石炭系的厚層石灰?guī)r和白云巖組成，溶蝕作用導(dǎo)致石芽、溶溝、溶蝕裂隙發(fā)育完全，出露的巖石起伏多變，且有大塊巖石崩塌和堆積，復(fù)雜的巖石形態(tài)組合的微地形組成了石面、石溝、石洞、石槽、土面等小生境[19]。區(qū)內(nèi)土壤以黑色石灰土為主，土層淺薄不連續(xù)，富含有機(jī)質(zhì)及其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（氮、磷、鉀、鈣等）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在茂蘭喀斯特森林中采集灰?guī)r樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室并加工成直徑約1 cm、厚度約2 mm 的巖石薄片，用1000 號(hào)砂紙打磨試片表面，將打磨后的試片洗凈，烘至恒重，稱量并記錄，然后置于自制的尼龍網(wǎng)袋中（孔徑5 mm），平整存放于野外小生境中，小生境類型具體為：石洞、石縫、石溝、石槽、土面及石面，試片放于小生境表面和小生境土壤內(nèi)部，具體見表1、圖1a 和圖1b（注：石面幾乎無(wú)土壤，因此試片僅放于石面表面），每層放5 塊，共放置165 塊巖石薄片；取回時(shí)間設(shè)定為0.5 年、1 年、1.5年、2 年，根據(jù)溶蝕速率和溶蝕形態(tài)決定每一批次所取回樣片數(shù)量。計(jì)算每批巖樣溶蝕速率。預(yù)先用無(wú)需鍍碳的飛納電鏡觀察溶蝕后的試片表面情況，挑選出具有溶蝕代表的試片進(jìn)行鍍碳，進(jìn)一步用掃描電鏡能譜儀（Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive Spectrometer，SEM-EDS）觀察代表試片的表面形態(tài)和微區(qū)元素組成。

表1 小生境土層深度及試片放置深度Table 1 Thickness of the soil layer and depth of the placement of the rock sheet

試片于2016 年12 月放置野外小生境中，第一次取回樣品時(shí)間為2017 年6 月底，每個(gè)生境（土壤表面、土壤以下）各取一片，共33 片。洗凈、烘干、稱重，掃描電鏡觀察溶蝕形態(tài)，發(fā)現(xiàn)試片表面有明顯溶蝕痕跡。第二次取樣時(shí)間為2017 年12 月，每類生境中的每個(gè)位置取2 片，共66 片；第三次取樣為2018 年6 月，每類生境中的每個(gè)位置取一片，共33 片，計(jì)算溶蝕速率及觀察溶蝕形態(tài)發(fā)現(xiàn)，溶蝕進(jìn)行1.5 年后溶蝕速率與形態(tài)變化緩慢，因此，在第四次取樣時(shí)（2018 年12 月），僅取6 片，主要為溶蝕明顯的生境：石槽、石溝、土面、石面，其中前三類生境分為土壤表面和土壤以下各取1 片。4 次共取回138 片碳酸鹽巖試片，剩余27 片取回時(shí)間和數(shù)量視后期分析結(jié)果而定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為便于分析，將溶蝕速率約定為響應(yīng)變量，土壤理化指標(biāo)、微生物（細(xì)菌、真菌、放線菌）、生境類型約定為解釋變量。以R 語(yǔ)言psych包c(diǎn)orr.test函數(shù)分析響應(yīng)變量與解釋變量的相關(guān)性，randomForest包randomForest 和varImpPlot 函數(shù)計(jì)算解釋變量在影響響應(yīng)變量過程中的排序情況。

以萬(wàn)分之一天平對(duì)溶蝕前后的試片進(jìn)行稱量，計(jì)算溶蝕速率：

式中，w0 代表試片初始質(zhì)量，mg；w1 代表試片溶蝕后質(zhì)量，mg；a代表溶蝕時(shí)間，a；r代表試片半徑，cm；以上分析在R 語(yǔ)言3.6 版本中進(jìn)行。以O(shè)rigin2017 版本對(duì)能譜儀掃描所得譜圖數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。

2 結(jié) 果

2.1 喀斯特森林小生境土壤理化指標(biāo)與微生物分布

石槽土壤全碳、全氮、全硫以及碳氮比、有機(jī)質(zhì)顯著高于其他生境（P<0.05）（表2）[23]；石洞、石縫土壤 pH 高于其他生境，但未達(dá)到顯著水平（P>0.05）；石槽土壤含水率顯著高于石洞、石縫、石溝及土面下層。5 類小生境中，土壤粒徑從小到大占比逐漸增加，5 mm 以下占比約為30%，5 mm 以上占比高達(dá)70%（石槽中約為30%）（圖2a）。石槽土壤真菌、放線菌、細(xì)菌含量高于其他生境（圖2b）[23]。

表2 小生境土壤理化指標(biāo)Table 2 Soil Physical and chemical properties of microhabitat

2.2 喀斯特不同小生境巖石溶蝕速率及其對(duì)土壤指標(biāo)的響應(yīng)

由圖3a、圖3b 可知，溶蝕時(shí)間從0.5～2 年，放置于土壤表面的試片在石洞、石縫、石溝中表現(xiàn)為未見明顯溶蝕和低溶蝕，在石槽、石面以及土面中表現(xiàn)為顯著溶蝕；此外，相同生境類型中，試片溶蝕速率未見隨溶蝕時(shí)間增加而一直增大。放置于土壤以下的試片在石洞、石縫、石溝中溶蝕過低，石槽、土面的試片表現(xiàn)出高溶蝕，但石槽組內(nèi)差異較大?？傮w上，置于土壤表面的試片溶蝕速率較土壤以下的試片溶蝕速率小，如置于土面表層的試片在溶蝕時(shí)間為1 年時(shí)，溶蝕速率最高為0.015 mg·cm-2·a，置于土面下層的試片在溶蝕時(shí)間為1 年時(shí)，溶蝕速率最高為0.024 mg·cm-2·a。

土面下層土壤有機(jī)質(zhì)、碳、氮含量低于其他生境（表2），埋在土面下層的巖石試片溶蝕速率大于土面表層。因此，在分析試片溶蝕速率對(duì)土壤理化指標(biāo)、微生物響應(yīng)情況時(shí)，有必要將土面表層與土面下層區(qū)分開進(jìn)行分析。結(jié)果表明，未剔除土面下層時(shí)，僅土壤pH 和含水率與溶蝕速率呈顯著相關(guān)，剔除土面下層后，各因子均與溶蝕速率呈顯著相關(guān)，并且均表明土壤pH、含水率在二種情況下分別抑制、促進(jìn)試片的溶蝕（表3）。隨機(jī)森林分析表明（圖4a、圖4b），無(wú)論剔除土面下層與否，生境類型、土壤含水率是影響試片溶蝕的主要因子，微生物對(duì)試片溶蝕影響較其他因子小。

表3 小生境土壤性質(zhì)與試片溶蝕速率相關(guān)性Table 3 Correlation coefficients between soil properties and dissolution rate of carbonate rocks relative to type of microhabitat

2.3 喀斯特不同小生境巖石溶蝕形態(tài)

由2.2 節(jié)已知，土面、石槽、石溝以及石面這四類小生境中的試片質(zhì)量在0.5 年時(shí)就已減少，而石縫和石洞生境中的試片直至2 年時(shí)質(zhì)量仍未見明顯減輕，因此，分析溶蝕形態(tài)時(shí)，主要關(guān)注試片質(zhì)量在2 年內(nèi)明顯減輕的生境中的試片（注：在以掃描電鏡觀察溶蝕形態(tài)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者從不同溶蝕階段試片中主要選取溶蝕速率存在變化的試片進(jìn)行觀察，每片試樣隨機(jī)至少抽取4 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行觀察）。直接觀察從野外采回的對(duì)照組發(fā)現(xiàn)（圖5a），溶蝕主要分為溶錐和溶孔兩種形態(tài)，未經(jīng)溶蝕的試片表面較溶蝕相對(duì)平整（圖5b），說明試片在溶蝕過程中受到巖性及節(jié)理的影響，表現(xiàn)出選擇性溶蝕。對(duì)比置于土面（圖5c、圖5d、圖5e、圖5f）和石槽（圖5i、圖5j、圖5k、圖5l）中的試片的溶蝕形態(tài)發(fā)現(xiàn)，土面中試片溶錐和溶孔隨著溶蝕時(shí)間的增加而明顯，石槽中試片溶蝕痕跡較同時(shí)期的土面表層試片溶蝕形態(tài)更加明顯，特別是在0.5 年時(shí)就已經(jīng)呈明顯溶蝕。埋于土壤以下的試片（圖5g、圖5h、圖5m）的溶蝕形態(tài)較同時(shí)期的土體表面中試片的形態(tài)更加明顯，溶蝕區(qū)域更為寬廣。

通過SEM 觀察到試片表面存在不均勻溶蝕現(xiàn)象，通過EDS 分析溶蝕表面的溶錐和溶孔元素組成（圖6a、圖6b、圖6c、圖6d、圖6e、圖6f），可知兩種溶蝕形態(tài)微區(qū)域元素組成總體上為Ca、Mg、Si、Al、C 以及O，推測(cè)主要的組成可能為CaCO3、Ca（Mg）（CO3）2、CaAl2Si2O8、SiO2等化合物，這些化合物為碳酸鹽巖風(fēng)化溶蝕后的產(chǎn)物。

3 討 論

3.1 環(huán)境因子對(duì)巖石溶蝕速率的影響

目前，對(duì)于喀斯特碳酸鹽巖成土速率與成土關(guān)系的研究，基本上認(rèn)為形成1 m 厚的土層需要63～788 萬(wàn)年[15，24]。碳酸鹽巖溶蝕受到組成結(jié)構(gòu)和外界條件的綜合影響，組成結(jié)構(gòu)包括巖石元素組成差異、孔隙度大小、節(jié)理等特征，外在條件主要包括降雨量及持續(xù)時(shí)間、光照（溫度、輻射）、植物根系的機(jī)械作用及其分泌物、微生物等因素。事實(shí)上，在野外溶蝕過程中，自然條件極為復(fù)雜，土地利用方式、植被類型均會(huì)對(duì)溶蝕產(chǎn)生影響[25-26]，研究發(fā)現(xiàn)溶蝕速率與土壤pH 呈負(fù)相關(guān)，與含水率、土壤有機(jī)碳呈正相關(guān)[17-18]，與本研究剔除土面下層后的結(jié)果一致（表3）。在未剔除土面下層的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)（表2），土壤有機(jī)質(zhì)、碳、氮、硫、微生物與溶蝕速率相關(guān)性較小，土壤含水率是影響巖石溶蝕速率的主要因子（圖4b），前已述及，土壤下層中有機(jī)質(zhì)、碳、氮、硫、微生物含量以及含水率均低于土壤表面，（表2、圖2b）。既有研究表明土壤有機(jī)碳含量與其產(chǎn)生二氧化碳、有機(jī)酸的能力呈正比關(guān)系，二氧化碳溶于水形成碳酸極大提升了水的溶蝕能力[27-28]，土壤含水率對(duì)巖石溶蝕的影響被包含在生境類型作用中，其亦是影響巖石溶蝕主要因子（圖4a、圖4b），說明了水及其他物質(zhì)從土壤表面滲流至土壤下層，使得巖石溶蝕速率在土壤以下高于土壤表面。

3.2 小生境對(duì)試片溶蝕形態(tài)的影響

為理解巖石溶蝕過程及發(fā)生機(jī)制，許多科研工作者設(shè)計(jì)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，主要以淋溶實(shí)驗(yàn)為主（以定濃度的鹽酸或碳酸溶液為淋液），結(jié)果表明碳酸鹽巖溶蝕促使淋溶液體pH 升高、溶蝕初始有酸不溶物產(chǎn)生、溶蝕增大碳酸鹽巖孔隙度[16，29-32]。溶蝕模擬結(jié)合掃描電子顯微鏡觀察溶蝕形態(tài)發(fā)現(xiàn)，受到巖性的影響，溶蝕形態(tài)主要表現(xiàn)為選擇性溶蝕、不均勻溶蝕[33]，微生物（細(xì)菌、真菌及放線菌）對(duì)溶蝕形態(tài)的影響有顯著促進(jìn)作用[34-35]。本研究中，與野外自然溶蝕（圖5a）、未經(jīng)溶蝕（圖5b）的試片的表面形態(tài)相比，溶蝕時(shí)間為0.5 年時(shí)，置于土面的試片未見明顯溶蝕（圖5c），置于石槽的試片溶蝕形態(tài)明顯被觀察到（圖5i）?；谙嗤芪g時(shí)間內(nèi)，比較同一生境類型下的土壤表面、土壤以下巖石溶蝕形態(tài)發(fā)現(xiàn)，埋于土壤以下的巖石溶蝕較置于土壤表面明顯（圖5e、圖5f、圖5g、圖5h、圖5i、圖5m），前已述及，水及其他物質(zhì)從土壤表面滲流至土壤以下，可進(jìn)一步與土壤中的物質(zhì)綜合作用于巖石，可見，土壤含水率在巖石溶蝕速率、形態(tài)的變化中發(fā)揮重要作用。對(duì)溶錐和溶孔進(jìn)行能譜分析表明，二種微區(qū)的元素組成未見顯著差異，這可能是野外作用時(shí)間不夠長(zhǎng)、溶蝕正在發(fā)生，今后可依托切片技術(shù)進(jìn)一步分析。

3.3 巖石溶蝕在成土中的作用

喀斯特地區(qū)成土速率緩慢，與喀斯特成土方式存在重要聯(lián)系[36]，在過去的研究中，對(duì)于巖石溶蝕與成土的關(guān)系，主要從物理、化學(xué)方面考慮，很少綜合考慮生境類型、土壤理化指標(biāo)以及微生物與巖石溶蝕在成土過程中的作用，如劉方等[19]認(rèn)為小生境成土過程主要以巖石風(fēng)化、腐殖化為主。巖石溶蝕直至變成土壤是一個(gè)復(fù)雜的過程，環(huán)境因子的綜合作用極其重要。本研究表明，不同類型小生境土壤理化指標(biāo)、碳酸鹽巖溶蝕速率存在顯著差異（表2，圖3a、圖 3b），研究發(fā)現(xiàn)，小生境土壤 PLFAs（Phospholipid Fatty Acids）總量存在顯著差異，如石槽中土壤總PLFA 含量最高，石洞、石縫中較低[23]，土壤細(xì)菌Alpha 多樣性未見顯著差異，但Beta 多樣性差異顯著[37]。從小生境類型對(duì)土壤理化性質(zhì)、碳酸鹽巖溶蝕速率和形態(tài)以及微生物分布的影響可反映出喀斯特山區(qū)生態(tài)演替過程的環(huán)境變化規(guī)律，具體表現(xiàn)為：從石縫、石洞，到石溝、石槽，最后到土面，該方向?yàn)檎蜓萏?，從土面、石槽，最后到石洞、石縫，該方向?yàn)榉聪蜓萏?。無(wú)論是正向演替或反向演替，巖石溶蝕一直發(fā)生，正向演替巖石溶蝕速率逐漸增大，土壤微生物群落與功能向穩(wěn)定方向發(fā)展，土壤由貧瘠到肥沃；反向演替可視為喀斯特山區(qū)土壤質(zhì)量下降的根本規(guī)律。

綜上，茂蘭喀斯特森林生境類型對(duì)巖石溶蝕速率、形態(tài)存在顯著影響，這種影響進(jìn)一步使得不同生境類型在成土方式、質(zhì)量上表現(xiàn)出差異。在貴州喀斯特地區(qū)，碳酸鹽巖出露面積約為12.96 萬(wàn)km2，巖石裸露率高達(dá)73.6%，這種自然環(huán)境與本研究中石面類似，成土方式與本研究中石洞、石縫生境類似，成土速率慢、質(zhì)量低，導(dǎo)致土壤環(huán)境極為脆弱。為解決喀斯特地區(qū)土壤貧瘠、質(zhì)量低等問題，可加大植被恢復(fù)面積和管理力度，并且在可能的情況下，地區(qū)間的土壤可實(shí)施轉(zhuǎn)移“借”用，加速構(gòu)建植被、土壤微生物以及土壤動(dòng)物之間的生態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)喀斯特山區(qū)成土速率以確保土地資源的可持續(xù)利用。

4 結(jié) 論

研究喀斯特山區(qū)巖石溶蝕對(duì)土壤生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)利用具有積極意義，經(jīng)野外溶蝕實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)分析表明：（1）埋于石槽生境中土壤以下的試片在溶蝕時(shí)間為0.5 a 時(shí)，溶蝕速率達(dá)0.02 mg·cm-2·a-1，置于生境表面的試片在溶蝕至2a 時(shí)，溶蝕速率最高約0.015 mg·cm-2·a-1，總體表現(xiàn)出埋于生境土面以下的巖石試片溶蝕速率較置于生境表面高。（2）在溶蝕時(shí)間從0.5～2 a 中，隨著溶蝕時(shí)間增加，試片溶蝕區(qū)域擴(kuò)大，并且溶錐體積逐漸增大、溶孔加深。能譜分析發(fā)現(xiàn)試片溶蝕區(qū)域元素組成未見顯著差異。（3）巖石溶蝕主要受到生境類型的影響，影響過程可通過土壤含水率、有機(jī)質(zhì)以及微生物等因子體現(xiàn)。（4）碳酸鹽巖溶蝕與環(huán)境因子的綜合作用過程是茂蘭喀斯特森林主要成土方式。