典型岩溶区板栗树下土壤CO2迁移动态研究
——以广西隆安县岩溶区为例
李光超，曹建华，张 会，刘 姝，郭 芳
(1.中国地质科学院岩溶地质研究所，国土资源部/广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室，广西桂林 541004；2.滨州市环境保护科学技术研究所，滨州市环境工程技术重点实验室，山东滨州 256600)
典型岩溶区板栗树下土壤CO2迁移动态研究
——以广西隆安县岩溶区为例
李光超1,2，曹建华1，张 会2，刘 姝2，郭 芳2
(1.中国地质科学院岩溶地质研究所，国土资源部/广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室，广西桂林 541004；2.滨州市环境保护科学技术研究所，滨州市环境工程技术重点实验室，山东滨州 256600)
为了研究岩溶区板栗树下土壤CO2迁移动态，以广西隆安县典型岩溶区为例，测定了板栗树下土壤CO2浓度、CO2释放量、岩溶溶蚀量以及在季节上的变化。结果表明，土壤CO2浓度在土壤剖面上为先增大后减小，最大值出现在40或60 cm深处，土壤CO2浓度冬季<秋季<春季<夏季，土壤CO2浓度与土壤含水率、空气温度有密切的正相关关系；除夏季外，土壤CO2释放日动态变化为下午>上午>晚上，夏季为上午>下午>晚上，在季节上土壤CO2释放量由大到小为夏季>春季>秋季>冬季，这与土壤CO2浓度变化规律一致，土壤CO2释放量与土壤含水率和空气温度呈极显著性正相关；土壤剖面上溶蚀量由小到大为-5 cm<-30 cm<-50 cm，在季节上溶蚀量由小到大为冬季<秋季<春季<夏季，夏季溶蚀量平均值约是冬季的1.33～2.00倍。
岩溶区；板栗；土壤CO2；迁移 ；季节
大气CO2是最重要的温室气体之一。据IPCC报告，CO2浓度的升高对全球变暖起到重要作用。根据目前的浓度，全球增温一半由CO2含量不断增加引起。大气中CO2浓度主要受大气、海洋、陆地生物之间的碳交换过程所控制[1-4]。土壤作为陆地生物主要的栖息地，在CO2动态转化过程中扮演着重要角色。在岩溶生态系统中，由“植物—土壤圈—岩石圈”可知土壤的存在对岩溶作用过程有很大的影响，因此对土壤CO2迁移动态的研究有重要生态环境意义。这是认识土壤碳动态变化的途径之一，也是进一步研究岩溶作用对大气CO2源汇效应的重要环节。在岩溶生态系统中，“植物—土壤—岩石圈”是重要的一部分。植物可以影响土壤，从而间接地影响着岩石圈层。作为重要的碳汇的岩石圈受到种植在土壤上的植被影响。
土壤中CO2迁移动态与植被覆盖类型、土壤水分、温度等有很大的关系[5]。拥有“板栗之乡”之称的隆安县在岩溶区种植大量的板栗树。通过测定板栗树下土壤的pH，发现板栗树下土壤pH变低。这与板栗树种植有关系。为了研究岩溶区种植板栗树后土壤CO2的迁移动态变化，笔者对广西隆安县岩溶区板栗树下土壤CO2浓度、土壤CO2的释放、岩溶溶蚀变化及其基本影响因素进行了研究，以期更好地了解板栗树种植条件下土壤CO2迁移动态的变化过程及影响因素，为不同植被利用类型下土壤CO2的迁移变化研究提供理论基础，为岩石圈层的碳汇与源的问题提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验地点试验在桂西南岩溶区的隆安县进行。隆安县位于22°51′～23°21′N，107°21′～108°8′E，地形为东北部、西南部高，中部和东南部较低。全县地貌以丘陵为主，洼地、谷地次之。年平均气温21.7 ℃，年均降水量1 282.7 mm。该区地层出露较齐全，从古生代寒武系、泥盆系至中生界三叠系、新生代第三系和第四系。其中，以石炭系、泥盆系分布最广。各地层的上覆土壤呈酸性至微碱性，以酸性至中性居多[6]。
隆安是广西板栗主产区，全县现有板栗园10 000 hm2，最高年产9 000 t。研究区在离隆安县城约5 km的古潭乡九甲村，为5年树龄板栗树林。板栗树高度平均2.1～2.4 m，板栗树冠幅直径为1.5～1.8 m，板栗树种植距离较近，郁闭度较高。
采样地点的土壤较贫瘠，厚度一般在1.5 m，以棕色石灰土、黑色石灰土为主。岩石元素变异系数较大,土壤元素分布相对集中；土壤元素含量与其母岩之间多数相关不显著；多数元素在成土过程中富集土壤。在成土过程中，绝大多数元素表现富集，尤以Ge、Fe、Al富集程度高，仅有Ca、Cl表现淋失，Sr、Mg、Co相对稳定。
1.2 试验方法先用铁钎在土壤上插入土壤一定的深度，然后用皮管和土壤CO2采集器(日本Gestec公司生产)监测。土壤CO2释放量的测定采用密闭式碱液吸收法。碳酸盐岩溶蚀量的测定采用溶蚀标准试片法。土壤的温度和含水率的测定用TZS-IW土壤水分温度测量仪。试验过程的测定结果均在仪器量程和试验含量范围内，测定结果准确无误。选样点，随机选择3组数据，取平均值。
1.3 统计分析对原始数据进行统一标准单位处理，用Excel2003软件进行Pearson系数相关性分析和作图。
2 结果与分析
2.1 板栗树下土壤剖面CO2浓度土壤碳是陆地碳库的重要组成部分，包括土壤有机碳与无机碳。土壤有机碳主要分布在上层1 m深度范围内。在表层岩溶生态系统中，土壤有机碳的存在使得系统中CO2同化量与有机碳分解、呼吸排放量达到动态平衡[7-8]。
从图1可以看出，在土壤剖面上，总体上土壤CO2的浓度随着土壤深度的增加呈先增大后减小的趋势，最大值在40 cm或60 cm深度处。其中，夏季的土壤CO2浓度最大值出现在60 cm处，而冬季、春季、秋季最大值出现在40 cm处。在相同季节土壤剖面最大值约是最小值的1.8～4.0倍。这可能是因为板栗树根系主要生长在40～60 cm处[9]，土壤CO2浓度主要是由植物根系的呼吸作用和微生物的活动等产生的[10-11]。板栗树根系在40～60 cm处分布密集，有利于土壤CO2浓度的升高。另外，土壤CO2浓度在表层浓度偏低，除板栗树根系对其影响小外，与土壤浅部CO2向大气扩散速率快也有关。其原因是0～20 cm处的土壤孔隙度大，水分易挥发，易干燥，对土壤微生物活性的影响大[12]。
从图1还可以得出，总体来看，土壤CO2浓度由小到大的顺序为冬季<秋季<春季<夏季。夏季高温多雨，板栗树在夏季生长旺盛，根的活动量大，对土壤的影响较大。除夏季以外，春季土壤CO2浓度比秋季和冬季高。而最低的土壤CO2浓度出现在冬季，冬季气温低，雨量少，不利于板栗树的生长，使得土壤CO2浓度偏低[13-16]。
以10 cm处土壤CO2浓度为例，做出土壤含水率和空气的温度与土壤CO2浓度的关系图。从图2、3可以看出，土壤CO2浓度与含水率、空气温度呈密切正相关关系。在土壤中，随着含水率和空气温度的升高，土壤CO2浓度逐渐升高。
2.2 板栗树下土壤呼吸从图4可以看出，除夏季上午的土壤CO2释放量比下午高以外，土壤CO2的释放量在日动态变化上为下午>上午>晚上。这是因为无论是空气温度还是土壤温度下午要比上午的温度高。这个过程中有太阳照射温度升高的过程，而上午又要比晚上的温度高。但是，在夏季，温度较高，大部分的水分易蒸发，土壤CO2释放量主要由微生物活动强弱决定[17-18]。温度高、湿度大有利于微生物的活动。虽然温度升高，但是湿度减弱，也不利于微生物活动。所以，土壤CO2释放量减少。另外，温度过高也不利于植物的正常活，植物甚至会表现出停止活动的状态。
从图4还可以得出，土壤释放量由大到小为夏季>春季>秋季>冬季。这与土壤CO2浓度变化规律一致。这也说明土壤CO2释放量与土壤CO2浓度一样与不同季节中温度和降水量有关，与板栗树生长的是否旺盛有关[19-21]。
对土壤CO2释放量与土壤含水率和空气温度做相关性分析。从图5、6可以看出，与土壤含水率的分析，P<0.01，R2=0.800 3，R=0.895，说明土壤CO2的释放量与土壤的含水率呈0.01水平显著性正相关；与空气温度的分析，P<0.01,R2=0.554 1,R=0.744，说明土壤CO2的释放与空气温度也呈0.01水平显著性正相关。这也说明土壤CO2释放量在高温多雨的夏季比较高，在温度较低、雨水较少的冬季比较低的原因。
2.3 板栗树下溶蚀量从图7可以看出，无论是哪个季节的溶蚀量，50 cm深度处溶蚀量最大，其次为30 cm深度和5 cm深度。夏季土壤不同深度相差最大，50 cm深度处溶蚀量约是5 cm处的2倍。而冬季在土壤不同深度上变化范围很小。这可能与板栗树的根系对土壤的影响有关。另外，夏季要比冬季温度高，雨水量充裕，有利于板栗树的生长，从而对土壤的影响较大[21]。在时间上，夏季溶蚀量最大，其次为秋季，最小为冬季。夏季溶蚀量平均值约是冬季的1.33～2.00倍。这与土壤CO2浓度和土壤CO2释放量变化趋势稍有不同，秋季的溶蚀量比春季的溶蚀量大，但是总体来看变化规律一致。
从图8可以看出，土壤CO2浓度与岩溶石灰岩试片的溶蚀量呈密切正相关关系。在深度表现上，50 cm处的数值>30 cm处的数值，并且在不同的月份上有相似的规律性。
3 结论
(1)总体来看，板栗树下土壤CO2浓度在土壤剖面上的变化为先增加后减小，最大值出现在40 cm或60 cm深处。这可能是因为板栗树的根系主要生长在40～60 cm深处，土壤CO2的浓度主要取决于根系的呼吸作用和微生物活动等。土壤CO2浓度在时间上由小到大的变化顺序为冬季<秋季<春季<夏季，并且土壤CO2浓度与土壤含水率、空气温度有密切的正相关关系。
(2)除夏季外，板栗树下土壤CO2释放日动态变化为下午>上午>晚上。而夏季的土壤CO2释放量大小顺序为上午>下午>晚上。在季节上，土壤CO2释放量由大到小为夏季>春季>秋季>冬季。这与土壤CO2浓度变化规律一致。对土壤CO2释放量与土壤含水率和空气温度做相关性分析，结果显示土壤CO2释放量与土壤含水率和空气温度呈0.01水平显著性正相关。
(3)板栗树土壤剖面上溶蚀量由小到大为-5 cm<-30 cm<-50 cm。夏季土壤不同深度相差最大，50 cm深度处溶蚀量约是5 cm处的2倍，而冬季在土壤不同深度上变化范围很小。这可能与板栗树的根系对土壤的影响有关系。在季节上溶蚀量由小到大为冬季<秋季<春季<夏季。夏季溶蚀量平均值是冬季的1.33～2.00倍。
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Migration of Soil CO2in Typical Karst Region underCastaneamollissimaTrees—Taking Karst Area of Longan in Guangxi as an Example
LI Guang-chao1,2, CAO Jian-hua1, ZHANG Hui2et al
(1. Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Science/Key Laboratory of Karst Dynamics, Ministry of land and Resources/GZAR, Guilin, Guangxi 541004; 2. Institute of Environmental Protection Science and Technology of Binzhou, Binzhou, Shandong 256600)
In order to research the soil CO2migration dynamics ofCastaneamollissimatrees in the karst area. This paper takes the karst area of Long’an County of Guangxi as an example, measuring the soil CO2concentration, CO2efflux, karst corrosion quantity in different seasons. The results show that: The soil CO2concentration that increase at first then decrease in the profile of soil, maximum appeared in 40 cm or 60 cm. The soil CO2concentration: winter< autumn
Karst region;Castaneamollissima; Soil CO2; Migration; Season
中国地质调查局工作项目“中国岩溶碳汇过程与效应”(水[2011]矿评01-15-02)。
李光超(1987-)，男，山东济阳人，助理工程师，从事岩溶生态学和环境生态学方面的研究。
2015-02-03
S 155.5+7
A
0517-6611(2015)09-318-03