巖溶生態(tài)系統(tǒng)退化與土壤有機(jī)碳貯量

李小永,田小琴

1.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院 貴州 貴陽 550005；2.貴州省核桃研究所 貴州 貴陽 550005

巖溶生態(tài)系統(tǒng)是一開放系統(tǒng)，它與碳循環(huán)相耦聯(lián)，成為巖溶地學(xué)、巖溶環(huán)境學(xué)、巖溶生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)[1-19]。中國南方活躍巖溶區(qū)以貴州為中心，貴州巖溶面積占貴州總土地面積的73%[7]。由于巖溶區(qū)地質(zhì)地貌特性的影響，加上人口數(shù)量劇增，巖溶植被產(chǎn)生逆向演替過程，即由頂極群落常綠落葉闊葉混交林演變?yōu)閹r溶灌叢——>巖溶草坡——>巖溶石漠化[8]。土壤有機(jī)碳是土壤肥力中極為重要的一個(gè)指標(biāo)，土壤有機(jī)碳的多少與植被狀況、土壤生物特性等緊密地聯(lián)系在一起，巖溶作用及其過去環(huán)境變化研究等方面均與巖溶土壤有機(jī)碳密切相關(guān)[9]。同時(shí)，土壤有機(jī)碳的變化與土壤作為大氣CO2源、匯庫而表現(xiàn)出對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)[10]。Houghton 等研究指出，1850 年以來，全球大氣CO2濃度由285μL·L-1升高到90 年代末的365μL·L-1，其相當(dāng)比例來自強(qiáng)烈的濕地演變和土地利用變化[4-5]。Eswaran 等的研究表明，全球森林土壤有機(jī)碳庫約600Pg，占全球SOC 庫的40%左右[3]。全球土壤在最近歷史時(shí)期損失的有機(jī)碳碳庫約50Pg。而土壤有機(jī)碳森林破壞和隨后的土地利用方式實(shí)際上對土壤有機(jī)碳影響最大，而森林土壤碳蓄積量的微小變化將導(dǎo)致大量CO2釋放到大氣中，加劇溫室效應(yīng)，導(dǎo)致氣候變化，危及人類生存發(fā)展[7]。土壤溶解性有機(jī)碳DOC(dissolved organic carbon)是土壤中另一類活動(dòng)性的重要的有機(jī)組分，它既影響環(huán)境的酸堿特性，也影響營養(yǎng)物質(zhì)的有效性、污染物質(zhì)的毒性及其遷移特性，在土壤形成過程中能促進(jìn)礦物的風(fēng)化，它還是微生物生長和生物分解過程中的重要能量來源[30]。Blair 等[1]認(rèn)為，對于農(nóng)林可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)來說，土壤碳庫容量是很重要的因子，其變化主要發(fā)生在溶解易氧化碳庫存量。Biederbeck 等[2]人通過動(dòng)力學(xué)研究指出，土壤有機(jī)質(zhì)的短暫波動(dòng)主要發(fā)生在易氧化易分解部分，并選擇易氧化碳、可礦化碳及微生物量碳作為土壤溶解性有機(jī)碳的指示因子。土壤DOC 的淋失是土壤有機(jī)碳損失的重要途徑，它作為一項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)，對研究碳循環(huán)與環(huán)境有重要意義。因此，研究巖溶生態(tài)系統(tǒng)退化過程下的土壤有機(jī)碳的變化有助于進(jìn)一步深入研究土壤有機(jī)碳與環(huán)境間的相互關(guān)系。

1 研究點(diǎn)概況及材料與方法

1.1 研究點(diǎn)概況

貴州省荔波縣茂蘭巖溶區(qū)，東經(jīng)108°，北緯25°，年平均溫度15.3℃，多年平均降水量1752 mm，年平均相對濕度83%，屬典型的亞熱帶溫濕氣候區(qū)；母巖主要為古生代石炭紀(jì)擺佐組（C1b）的淺灰、灰色厚層至塊狀細(xì)-中粒白云巖等較為純質(zhì)的碳酸鹽巖石類型。研究點(diǎn)選擇在荔波巖溶原生性常綠落葉闊葉混交林保存較好的荔波必佐。并在其附近受到破壞的地點(diǎn)選擇灌叢、草地各一個(gè)點(diǎn)作為不同巖溶生態(tài)系統(tǒng)條件下的土壤定位取樣點(diǎn)。土壤基本性狀見表1。

表1 研究點(diǎn)土壤的基本性狀Tab.1 Basic properties of soil at the research site

1.2 樣品及分析

1.2.1 采樣

考慮到不同時(shí)期植物生長過程中存在著不同量的有機(jī)物質(zhì)歸還，土壤有機(jī)碳含量相應(yīng)會(huì)改變，為綜合評價(jià)不同生態(tài)條件下土壤有機(jī)碳的真實(shí)含量，為此設(shè)計(jì)按季節(jié)和土壤的發(fā)生層次進(jìn)行樣品的采集工作，每3 個(gè)月采一次，計(jì)4 次。每次采集森林、灌叢、草地剖面各層次土壤樣品1kg。鮮土樣采集好后送到實(shí)驗(yàn)室，約1/3 量樣品風(fēng)干處理，作為全量有機(jī)碳的測定樣品，其余鮮樣過2 mm 篩，以去除根系和石礫，4℃冰箱保存，作為土壤DOC(溶解性有機(jī)碳)、微生物量碳測定之用。并在7 月份植物生長最旺盛時(shí)分別在三種巖溶生態(tài)系統(tǒng)中土壤剖面附近5 m2范圍內(nèi)按照植物多少采集各種植物鮮葉混合樣作為鮮葉穩(wěn)定碳同位素分析樣。

1.2.2 樣品分析

1）DOC 測定方法：采用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提，K2CrO7容量法，重復(fù)三次。

2）土壤微生物量C 測定：采用Vance[14]的CHCl3熏蒸24 小時(shí)，與不熏蒸的比較，采用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提，K2CrO7容量法，三次重復(fù)。

3）土壤全C 采用外加熱法，K2CrO7消化，標(biāo)準(zhǔn)FeSO4滴定，三次重復(fù)。

4）穩(wěn)定碳同位素樣品分析：

①植株樣品用蒸餾水洗凈，低溫烘干，粉碎。

②土壤風(fēng)干后，磨過100 目，按1/10 液：土的比例加入0.5N HCl，恒溫?fù)u床搖1 小時(shí)后，靜置24 小時(shí)以去除土壤中的無機(jī)碳，之后用去離子水洗到無Cl-為止，低溫烘干，磨細(xì)。

③有機(jī)碳δ13C值的測量：先通過熔封石英管高溫燃燒法獲取CO2，經(jīng)酒精液氮法純化處理后，用MAT252 型質(zhì)譜儀測定CO2氣體的δ13C值，采用PDB 標(biāo)準(zhǔn)，測定誤差±0 1‰。δ13C值由國際通用標(biāo)準(zhǔn)形式給出:δ13C=(R樣-R標(biāo))/R標(biāo)×1 000‰(R=13C/12C).

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)退化過程中土壤全量有機(jī)碳

巖溶森林土壤具有較高的碳貯量，表層土壤含有高達(dá)87.12±35.10 g·kg-1的有機(jī)碳，整個(gè)剖面的有機(jī)碳含量均高，而且下部土壤層次的碳含量較之其他植被類型的下部土壤層次高（見表2），生態(tài)系統(tǒng)從森林-灌叢-草地的退化過程來看，土壤總有機(jī)碳貯量的變化也發(fā)生與這一過程相關(guān)的銳減現(xiàn)象。這一方面表明了森林條件下巖溶土壤具有的高有機(jī)碳貯量，且這一高貯量與整個(gè)土壤層次有關(guān)，說明森林能夠提供大量有機(jī)碳并貯存在土壤中。另一方面也說明巖溶森林植被的破壞，土壤有機(jī)碳貯量將顯著減少，這一減少，絕大多數(shù)的碳均釋放到大氣，意味著巖溶森林生態(tài)系統(tǒng)的退化過程中巖溶土壤成為了大氣CO2的源。這是最直接的對環(huán)境的影響。而土壤有機(jī)碳的減少，相應(yīng)地減弱了對巖溶作用的驅(qū)動(dòng)力[10]，作為大氣效應(yīng)的巖溶作用的減弱[12]，也從另一個(gè)角度說明了巖溶生態(tài)系統(tǒng)退化過程中巖溶系統(tǒng)對大氣CO2濃度增加的效用。雖然也存在大氣CO2濃度增加導(dǎo)致的施肥效應(yīng)[13]，但巖溶生態(tài)系統(tǒng)退化過程中土壤有機(jī)碳的顯著減少的確也是一個(gè)不爭的事實(shí)。

表2 巖溶生態(tài)系統(tǒng)退化下土壤總有機(jī)碳的變化Tab.2 Changes of soil total organic carbon under karst ecosystem degradation

2.2 巖溶生態(tài)系統(tǒng)退化過程中土壤微生物量碳

土壤微生物量(SMB)是指土壤中體積小于50 μm3的生物總量，它是活的土壤有機(jī)質(zhì)部分，但不是活的植物體如植物根系等。土壤微生物量是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分C、N、P、S 等轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動(dòng)力，并參與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化循環(huán)等各個(gè)生化過程。土壤微生物量又是土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)庫，作為土壤肥力水平的活指標(biāo)。一般是先測定土壤微生物量碳，然后根據(jù)微生物體干物質(zhì)的含碳量(47%)換算為微生物量，有時(shí)直接用微生物量碳來表示。環(huán)境的改變會(huì)導(dǎo)致微生物量碳的改變[6]，微生物在其生命活動(dòng)過程中不斷同化環(huán)境中的碳，同時(shí)又向外界釋放碳素(代謝產(chǎn)物)。其完成自身生命活動(dòng)的更新所需時(shí)間為0.14～2.5 年，常作為土壤碳素循環(huán)的重要指標(biāo)之一[29]。

表3 中顯示出：巖溶森林條件下，土壤微生物量碳的含量極高。在森林-灌叢-草地下巖溶土壤中，土壤微生物量碳含量的多少的順序也與植被的排序一致，且無論是表層還是下層土壤均以森林土壤具有較高的土壤微生物量碳，而尤其在亞表層，森林土壤微生物量碳含量極顯著地高于灌叢和草地，而灌叢地的又極顯著地高于草地，根據(jù)樸河春等對貴州巖溶地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中微生物量碳的季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化的研究，結(jié)果表明微生物量碳與氣溫間有明顯關(guān)系，而土壤微生物量碳被消耗時(shí)，土壤表層CO2的釋放量也增加[31]，表明微生物量碳具有指示巖溶土壤作為調(diào)節(jié)大氣CO2源的作用。表明森林土壤碳的活躍程度，土壤營養(yǎng)循環(huán)強(qiáng)度，同時(shí)也表明森林土壤中微生物的生物多樣性好于受破壞巖溶植被系統(tǒng)。因此，巖溶森林生態(tài)系統(tǒng)的破壞，意味著巖溶土壤微生物多樣性的破壞，土壤供肥能力的快速轉(zhuǎn)化能力下降，導(dǎo)致破壞后的巖溶土壤生產(chǎn)力下降。也使得巖溶土壤成為大氣CO2的源，從而對全球環(huán)境產(chǎn)生一定程度的影響。

表3 巖溶生態(tài)系統(tǒng)退化下土壤微生物量碳的變化Tab.3 Changes of soil microbial biomass carbon under karst ecosystem degradation

表4 巖溶生態(tài)系統(tǒng)退化下土壤溶解性有機(jī)碳的變化Tab.4 Changes of soil dissolved organic carbon under the degradation of karst ecosystem

2.3 巖溶生態(tài)系統(tǒng)退化過程中土壤溶解性有機(jī)碳

從巖溶各系統(tǒng)中可知，盡管三種植被條件下土壤DOC 含量無顯著差異，表明巖溶生態(tài)系統(tǒng)的退化，并未顯著影響到巖溶土壤DOC 的量，但從三種植被條件下的含量大小來看，以森林植被最高，而以灌叢地最低，草地的DOC 含量高于灌叢地，從這一結(jié)果可以看出，退化巖溶系統(tǒng)-草地，其DOC 含量較之灌叢地高，指示了土壤有機(jī)碳加速損失的一個(gè)方面。而巖溶森林土壤中DOC 高與大量森林有機(jī)物質(zhì)的供應(yīng)有關(guān)。

2.4 巖溶生態(tài)系統(tǒng)退化過程中土壤有機(jī)碳穩(wěn)定同位素變化

由于植物光合過程中最初產(chǎn)物的不同，植物可分成C3、C4 和CAM 植物三種類型。這三類植物利用大氣中的12CO2、13CO2的量存在著巨大的差異，從而導(dǎo)致植物體具有不同的δ13C 值。C3 植物的δ13C值范圍為-24‰～-40‰，平均值為-27‰；C4 植物的δ13C值在-9‰～-19‰之間，平均為-12‰；CAM植物δ13C值在-10‰～-23‰，平均值為-17‰。CAM植物很少，僅分布在仙人掌科和鳳梨科中，因此，自然界中以C3 和C4 植物為主。

從圖1 可知，巖溶系統(tǒng)中的森林、灌叢植被植物葉混合樣的穩(wěn)定碳同位素δ13C值較輕，為-29.308‰和 -29.118‰，系比較典型的C3 植物類型，但灌叢植被的碳穩(wěn)定同位素值略高于森林植被，表明植被產(chǎn)生了一定的變化。而草地植被的穩(wěn)定碳同位素δ13C值則較重，達(dá)到-15.043‰，表現(xiàn)出明顯向C4植被變化的特點(diǎn)，表明巖溶生態(tài)系統(tǒng)在從森林到灌叢再到草地的退化過程中，植被的光合途徑發(fā)生變化，植物由C3 植物變?yōu)镃4 植物類型。而從巖溶土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定同位素δ13C值森林下為-26.15‰，變?yōu)楣鄥蚕碌?25.44‰，變化較小，表現(xiàn)出與植物葉的穩(wěn)定碳同位素變化較為一致的現(xiàn)象，而變?yōu)椴莸叵到y(tǒng)后，土壤的穩(wěn)定碳同位素δ13C值則顯著增重，達(dá)到-20.83‰，也同樣表現(xiàn)出與植被的碳同位素值相同的變化。表明土壤有機(jī)碳在生態(tài)系統(tǒng)退化過程中，隨著加入有機(jī)碳的類型而改變，在植被由C3 類型變?yōu)镃4 類型時(shí)，土壤有機(jī)碳也同時(shí)在變重。

圖1 巖溶生態(tài)系統(tǒng)退化過程中植被-土壤有機(jī)碳穩(wěn)定同位素變化Fig.1 Stable isotope changes of vegetation-soil organic carbon in the process of karst ecosystem degradation

3 小結(jié)

綜上所述，巖溶生態(tài)系統(tǒng)退化過程中，土壤有機(jī)碳貯量發(fā)生顯著變化，呈現(xiàn)出巖溶生態(tài)系統(tǒng)由森林-灌叢-草被的變化過程中，總有機(jī)碳貯量顯著下降，這一過程使巖溶土壤由大氣CO2碳匯變成碳源，對大氣環(huán)境產(chǎn)生不利影響。而植被類型也由C3 植被向C4 植被變化，使土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)變重的趨勢。在土壤碳貯庫發(fā)生改變的同時(shí)，土壤活動(dòng)性有機(jī)碳組分中的微生物量碳也發(fā)生變化，在B層土壤微生物量碳顯著下降，但土壤中溶解性有機(jī)碳含量并未產(chǎn)生顯著差異，這可能是退化巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳下降的一個(gè)原因之一。因此，有效-防止巖溶生態(tài)系統(tǒng)的退化，將顯著促進(jìn)巖溶生態(tài)系統(tǒng)在全球變化中作為大氣CO2匯的作用，同時(shí)，對于巖溶生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的保護(hù)等方面具有重要作用。