喀斯特典型生態系統土壤有機碳積累特征與穩定機制

陳香碧，何尋陽，胡亞軍，蘇以榮

（中國科學院亞熱帶農業生態研究所，亞熱帶農業生態過程重點實驗室，湖南 長沙 410125）

中國西南地區的喀斯特地貌以其連續分布面積大、發育類型齊全、景觀秀麗和生態環境脆弱而著稱于世。其中，峰叢洼地是面積最大的喀斯特地貌類型，也是一類特殊的地表干旱缺水區，其物質能量循環相對封閉[1]。由石灰巖、白云巖和含有其他雜質的碳酸鹽巖類巖石發育的喀斯特峰叢洼地區土壤呈中性至微堿性，土層淺薄，土壤的剖面形態、理化性質等都區別于同緯度地帶性土壤[2-3]。喀斯特生境復雜，主要體現在地表出露巖石的非均勻性與地下巖石裂隙結構的多樣性形成的多層生態空間結構，是造成喀斯特土壤空間異質性的重要原因[4]。喀斯特峰叢洼地土壤空間分布高度異質性表現為：由于巖石出露和裂隙極度發育，使得土壤在水平和垂直方向上分布不連續，土被極度破碎、土壤厚薄分布不均勻、土壤分布面積與土壤厚度之間沒有關聯。土壤空間異質性和土被不連續性不僅改變土壤養分和水分的空間分布[5]，同時造成傳統的關于連續性土壤的研究方法在喀斯特區并不適用。因此，亟待研發反映喀斯特特殊立地環境的土壤研究方法和手段。

亞熱帶喀斯特森林系統的正向演替序列為草叢—草灌叢—灌叢—喬灌叢—常綠落葉闊葉林—常綠落葉闊葉混交林[6]。常綠落葉闊葉混交林為喀斯特森林頂級群落，其生態系統的組成和結構復雜，生態系統的物種多樣性和結構多樣性較高[7]。20世紀40年代至80年代，人口的急劇膨脹導致了尖銳的人地矛盾，人類為了生存，通過砍伐、墾殖、樵采、采礦、放牧、旅游開發和工程建設等方式對脆弱的喀斯特生態環境進行干擾與破壞，使其小氣候環境及土壤發生了劇烈變化，生態服務功能失調，氣溫和地表溫度增高，濕度降低，生境干旱化問題突出，造成絕大部分森林退化成草灌叢或草叢，部分地帶甚至完全石漠化[8]。土壤是巖石、大氣、水、生物等圈層的敏感交匯地帶，土壤環境與植被演替和地下水運動之間存在明顯的互動響應，其性質變化可以反映喀斯特生態環境變遷與演化。土壤微生物對生態系統演變響應靈敏，因此，探究土壤微生物屬性對生態系統退化的響應規律，是對退化喀斯特生態系統進行恢復和重建的重要前提。

由于時間和空間分布的異質性，生源要素常常成為陸地生物多樣性和生態系統功能的限制性因素[9]，只有在重要生源要素（如C、N、P等）的循環過程被充分認知以后，才可能對有關生態環境問題做出及時的、正確的決策[10]。土壤有機碳對于環境變化響應靈敏，其儲量、組成、穩定性可作為衡量生態系統穩定性的重要指標，同時也是土壤健康與肥力水平的重要判斷依據之一。喀斯特頂級植被群落的土壤有機碳含量均值高達66.21 g/kg[11]，遠高于同緯度其他生態系統，但由于其土層淺薄且分布不連續，導致有機碳儲量相對較低。此外，喀斯特自然生態系統一旦受到人為干擾而退化或開墾為農田（施肥）后，土壤有機碳快速丟失[12-14]。喀斯特生態系統具有高鈣（碳酸鈣）、微堿性、養分不均衡和水文過程迅速等特點，其土壤有機碳的組成、結構、穩定性及其微生物轉化過程可能區別于其它生態系統。

基于此，中國科學院亞熱帶農業生態研究所蘇以榮研究員帶領團隊依托中國科學院環江喀斯特生態系統觀測研究站，在過去10年（2009—2018年）以典型喀斯特地區不同退化/恢復階段生態系統土壤有機碳循環為核心研究內容，利用野外觀測結合室內培養試驗，采用碳同位素示蹤結合微生物分子生態技術，從研究方法—基礎理論—技術與應用層面圍繞喀斯特非連續性土壤及其有機碳分布的研究方法、土壤微生物對生態系統退化的響應、土壤叢枝菌根真菌群落分布特征及其影響因子、土壤有機碳轉化特征與穩定性機制、喀斯特土壤改良的關鍵技術等主題開展了深入研究。為慶祝建所40周年，本文對近10年的工作進行梳理，以期探討喀斯特土壤生態系統對植被恢復或退化的響應規律，為喀斯特退化生態系統的重建提供科學依據，并在此基礎上提出了下一步研究重點。

1 喀斯特非連續性土壤有機碳密度的研究方法

喀斯特峰叢洼地生態系統異質性極高，區別于同緯度地帶性紅壤，具體表現為地形破碎、巖石裸露、土層淺薄、土壤分布不連續。估算喀斯特地區土壤有機碳儲量時，如何獲得土壤的實際分布特征是亟待解決的難題。尋求一種快速有效的方法探測喀斯特土壤的分布特征，是準確估算該地區土壤有機碳密度及儲量的前提。

傳統連續性土壤的研究方法不能反映喀斯特土壤分布的實際情況。采用“插扦法”獲得土壤平均分布數據，但由于喀斯特土壤生態系統異質性極高，依然不能獲得較為準確的土壤分布數據，從而可能高估或低估喀斯特土壤有機碳庫[15-16]。基于此，通過室內模擬試驗，首先選擇喀斯特地區3種典型質地土壤（砂質黏壤土、黏壤土、粉（砂）質黏土），建立探地雷達電磁波波速和土壤含水量的定量關系[17]。其次，在典型喀斯特峰叢洼地不同坡位選擇典型樣方（16個），根據模擬試驗建立的電磁波波速和土壤含水量關系式探測土壤實地分布的三維圖，并通過開挖驗證和采樣分析土壤有機碳，結果表明探地雷達技術可準確探測喀斯特土壤深度與分布[18-19]。將建立的探地雷達技術應用于估算面積為393.6 hm2的典型喀斯特峰叢洼地土壤有機碳密度，結果發現：該面積內0～20 cm和 0～100 cm土層土壤有機碳總儲量分別為5 664.6 t和8 920.0 t，平均土壤有機碳密度分別為1.49 kg/m2和2.26 kg/m2；基于探地雷達技術獲得的0～100 cm土壤有機碳平均密度是平均深度法和傳統連續性土壤方法獲得數值的89.8%和31.7%[20]。這表明平均深度方法和傳統方法均會高估喀斯特地區土壤有機碳，而采用探地雷達技術探測土壤垂直分布，可以提高喀斯特地區土壤有機碳庫的估算精度。以上研究首次將探地雷達技術應用于探測高異質性喀斯特土壤的分布。

2 喀斯特生態系統土壤微生物特征與土壤有機碳轉化機理

2.1 喀斯特土壤微生物對生態系統退化的響應

喀斯特地區獨特的地質背景和水文條件決定了其生態環境的脆弱性。在喀斯特峰叢洼地區，當地群眾相對落后的生活習慣和重用輕養的粗放耕作管理方式，使得喀斯特生態系統遭受嚴重人為干擾，常常造成生態系統退化、直至石漠化，制約了當地社會經濟的可持續發展。土壤微生物是對生態系統退化響應靈敏的重要指標之一。因此，探索土壤微生物對喀斯特生態系統退化的響應規律是喀斯特生態系統恢復與重建的重要前提。

基于桂西北喀斯特峰叢洼地區不同演替階段生態系統的研究表明：隨生態系統退化進程或干擾強度增加，土壤有機碳、微生物生物量碳逐漸降低，土壤水穩定性團聚體破壞嚴重[13,21-22]。變形菌是不同演替階段土壤中的優勢細菌，這與我國大部分陸地生態系統的研究結果一致[23-24]。與原生林土壤相比，退化生態系統土壤細菌優勢類群顯著改變，Proteobacteria明顯減少（自然恢復地、農耕地和放牧+冬季火燒草地減少了30.2%～47.4%），Acidobacteria類群明顯增加[25-26]。自然恢復地、放牧+冬季火燒草地與原生林地土壤中優勢菌群（變形菌）的4個亞群豐度分布關系一致，均為α-＞δ-＞β-＞γ-變形菌，而農耕地則為 δ-＞α-＞β-＞γ-變形菌，說明自然恢復和放牧+冬季火燒草地對喀斯特土壤變形菌的恢復作用有限，而對變形菌4個亞群之間的分布關系有明顯的正效應，尤其是自然恢復地中α-變形菌得到了很好的恢復，較農耕地增加了130%[27]。

在喀斯特生態系統植被恢復（草叢、灌木林、次生林、原生林）過程中，土壤銨態氮濃度降低、硝態氮濃度增加、氨氧化細菌多樣性指數和均勻度指數增加，且氨氧化細菌群落結構與土壤氮素狀態密切相關[28]。土壤微生物量碳和氮、土壤基礎呼吸由草叢到灌叢到原生林依次上升，且土壤微生物恢復的效果因坡位而不同，尤其表現在表層土壤中[29]。與氨氧化古菌（AOA）相比，氨氧化細菌（AOB）對喀斯特植被恢復的響應更為靈敏，Nitrosospira僅出現在原生林和次生林階段[30]。

基于喀斯特區原生林和人工林（馬尾松）的研究表明，兩種生態系統土壤中降解凋落物主要成分木質素的擔子菌漆酶基因多樣性和豐富度在cDNA和DNA水平上具有極高的一致性，但其群落結構差異極大，且兩種生態系統中有機質的質量（木質素的單體組成）而非數量是決定活性擔子菌漆酶基因多樣性和群落結構的關鍵因子[31-32]。顆粒態有機質（POM）的相對活性組分（脂肪酸和烯烴類化合物）顯著影響喀斯特土壤微生物群落，革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、放線菌和真菌等也顯著影響POM組分（如脂肪酸），微生物群落（革蘭氏陰性菌和放線菌）顯著影響土壤有機碳的礦化，且微生物對SOC礦化的影響依賴于POM化學組成的變化[33]。以上研究結果說明，喀斯特生態系統退化伴隨著土壤團聚體破壞、有機碳丟失、有機碳組分變化、微生物群落結構演替等，而微生物多樣性和群落結構的恢復是一個漫長的過程。

2.2 喀斯特土壤叢枝菌根真菌群落分布特征及其影響因子

80%以上的陸地植物通過與真菌形成菌根，促進生態系統地上和地下部的碳與養分交流。據估計，植物固定的含碳化合物近20%為叢枝菌根真菌（AMF）所利用，后者對土壤有機碳庫有重要貢獻。同時，土壤AMF向植物提供氮、磷養分，提高宿主植物在貧瘠環境中的競爭力，從而提高宿主幼苗的定殖率，進而影響生態系統的結構與恢復進程；AMF分泌的球囊霉素是土壤有機碳、氮的重要來源。因此，AMF在植物群落的結構組成、演替和穩定性等方面具有重要生態學意義，在喀斯特退化生態系統的恢復與重建中具有巨大潛力。

采用分子生物學技術研究了喀斯特峰叢洼地典型生態系統及其代表性樹種的根際與非根際土壤AMF多樣性、分布格局與關鍵影響因素。結果表明：喀斯特生態系統灌叢、次生林和原生林AMF多樣性無顯著差異，且灌叢階段AMF群落結構組成與原生林相似[34]，這與以往研究從細菌真菌多樣性角度強調的灌叢階段在喀斯特生態系統恢復過程中具有重要意義的結果相一致[35]。灌叢階段典型植物的根均受AMF侵染，且豆科與非豆科植物的根內與根際AMF群落差異明顯，土壤中Olsen-P、pH 和全氮是影響AMF群落結構組成的主要因子[36]，這與其他陸地生態系統基本一致[37-38]。

此外，AMF的多樣性和群落結構因喀斯特土壤母質巖性（白云巖與石灰巖）而不同，其豐度表現為石灰巖＞石灰巖—白云巖夾層＞白云巖，且巖性主要是通過影響植物與土壤養分進而影響AMF群落組成結構[39]。AMF群落結構和豐度還受坡位影響，其豐度變化趨勢為上坡位≈中坡位＜下坡位，這與喀斯特生態系統特有的“養分倒置”現象（上坡位≈中坡位＞下坡位）密切相關[40-41]。研究分離鑒定了2 屬14 種AMF，其中幼套球囊霉是石灰土和黃壤共有的優勢種，石灰土特有的AMF包括地球囊霉、白色球囊霉、雙型球囊霉、象牙白球囊霉和細凹無梗囊霉，且土壤類型對AMF孢子密度，Shannon多樣性指數以及侵染率具有顯著影響[42]。以上結果說明，利用AMF等土壤有益共生微生物促進灌叢植被重建可能是喀斯特石漠化土地生態恢復的關鍵，且在此過程中需考慮巖性、坡位等植被立地條件，選擇優勢植物接種優勢AMF種群是促進喀斯特退化生態系統恢復的重要措施。

2.3 喀斯特自然與農田土壤有機碳轉化特征與穩定性機制

喀斯特土壤有機碳含量普遍高于同緯度的紅壤丘陵區和紅壤低山區[43]，這除了與喀斯特地區土層淺薄、裸巖率高、土壤量少有關外[44-45]，可能與喀斯特土壤特有的高鈣特征和相對偏高的pH性質等密切相關。基于此，研究喀斯特自然與農田土壤有機碳積累特征、轉化過程及其與鈣的關系有助于揭示喀斯特土壤有機碳的穩定機制。

基于自然生態系統的調查發現，喀斯特峰叢洼地土壤團聚體的機械穩定性和水穩性以黑色石灰土＞棕色石灰土＞紅壤，其中紅壤有機碳主要分布在0.5～2.0 mm團聚體中，棕色石灰土和黑色石灰土有機碳主要分布在小團聚體中（≤2.0 mm），且有機結合態鈣是棕色石灰土和黑色石灰土中有機碳的主要結合形式之一[46-47]。進一步基于14C同位素示蹤技術結合室內模擬培養試驗的結果表明：添加外源14C-秸稈對棕色石灰土和黑色石灰土中原有有機碳的礦化有負激發效應，而對紅壤有正激發效應[48]；添加碳酸鈣對土壤原有有機碳礦化的激發效應以紅壤＞棕色石灰土＞黑色石灰土，且碳酸鈣增加有機結合態鈣，其增量在紅壤、棕色石灰土和黑色石灰土中分別為2.14%、4.66%和10.23%[49]；黑色石灰土、棕色石灰土和紅壤中微生物生物量在實驗室條件和田間條件下的表觀周轉時間分別為254、243、71 d和380、365、106 d[48-50]，與我國其他旱地生態系統的研究結果處于同一數量級[51]；黑色石灰土總微生物生物量碳（MBC）含量顯著大于棕色石灰土和紅壤，而紅壤總可溶性有機碳（DOC）含量顯著大于石灰土[52]。同時，典型棕色石灰土和紅壤在同樣條件下培養100 d，棕色石灰土的CO2釋放速率、累積釋放量、累積釋放率、土壤呼吸熵和DOC/SOC均顯著低于紅壤，說明棕色石灰土有機碳較紅壤穩定[53-55]。以上研究結果均說明，土壤有機碳的穩定性以黑色石灰土＞棕色石灰土＞紅壤，即黑色石灰土最有利于土壤有機碳的積累，且碳酸鈣對喀斯特土壤有機碳的分解具有保護作用。因此，研究富含碳酸鹽土壤的有機碳礦化，尤其是喀斯特地質背景發育的石灰土，應考慮無機碳酸鹽分解對有機碳礦化的作用，并將這種作用納入碳循環模型中，才能準確評估土壤無機碳對有機碳庫的影響。

基于典型農田生態系統（牧草、玉米、大豆）的長期定位施肥試驗結果表明：平衡施肥可提高牧草地土壤酶活性和活性有機碳組分[56]；增施鉀肥可提高牧草的產量和品質（粗纖維含量）[57]；與秸稈替代部分化肥相比，牛糞或甘蔗灰替代30%～60%化肥對玉米—大豆系統作物產量、土壤活性有機碳組分和碳庫管理指數的提升效果較好[58-59]。長期施肥（化肥或秸稈還田配施化肥）顯著增加紅壤中木質素組分C類單體的比例，其中水旱輪作地中C類單體含量及其占木質素總量的比例均顯著低于旱地，石灰土則表現為V類單體比例的增加，表明農田土壤中木質素的積累具有單體特異性，且由于木質素三類單體的穩定性為V＞S＞C，因此石灰土木質素穩定性最高[60-62]。亞熱帶喀斯特區紅壤和石灰土農田生態系統中的木質素含量遠高于東北黑土[63]，這可能是因為東北黑土區土壤腐殖化系數較高，以木質素單體形式存在的有機質較少。另外，喀斯特區玉米—大豆輪作系統中有機物料（秸稈和有機肥）的施用可提高微生物生物量和土壤堿性磷酸酶，從而促進土壤有機磷礦化（有效磷大幅增加），且有機物料的施用改變了土壤中含堿性磷酸酶基因（phoD）的微生物群落結構，尤其促進了假單胞菌的相對豐度，達到“以碳促磷”的效果[64]。

3 喀斯特土壤改良技術與應用

3.1 土壤垂直漏失阻控技術

西南喀斯特峰叢洼地區雨季集中且降雨量大，水土流失極其嚴重。通過落水洞、漏斗等使土壤流失于地下系統是該區特有的水土流失方式，并且是導致喀斯特區農田土層淺薄、制約農田土壤肥力提升的一個重要原因。由于喀斯特地區落水洞大小不一、形狀各異、分布零散，目前國內外尚無針對喀斯特地區土壤落水洞漏失阻控的有效方法。

基于此，研發了一種喀斯特峰叢洼地土壤垂直漏失的阻控方法[65-66]。其基本步驟為：將落水洞周圍寬102 cm、深59～62 cm內土壤和巖石鏟除；通過工程措施，以石灰巖或磚和混凝土為原料，在洞口周圍砌兩層間距48～52 cm的圍墻，在內墻上預留圓形孔，每個孔內側加不銹鋼過濾網片；在孔中過濾網片外側填充濾料后固定一層不銹鋼過濾網片；在內墻頂部安置不銹鋼骨架，骨架上鋪放不銹鋼過濾網片，沿墻體外沿安置不銹鋼圍欄，在圍欄上方填充濾料（秸稈、生物質炭等），在濾料上方再加一層不銹鋼過濾網片，并固定。該方法操作簡便，適用于各種大小的落水洞，對土壤漏失的阻控效率達60%～80%，可在喀斯特地區廣泛使用。

3.2 桑枝原位快速腐熟技術

蠶桑業是喀斯特貧困區農業新興優勢產業，為促進該區農業增效、農民增收和區域經濟發展做出了重要貢獻。桑葉生產過程中，為增加桑葉產量，促進桑枝萌發，每年需修剪桑枝2次。因此，桑葉生產區每年產生大量的桑枝。由于桑樹具有高度木質化的特點，造成桑枝在自然條件下腐熟緩慢，嚴重妨礙了后續桑葉采集工作，降低了蠶桑業生產效率。當前，農村青壯年勞動力缺乏，采用科學技術降低勞動強度，提高勞動效率，改善勞動環境，對提高農民生產積極性，減少農村勞動力流失有重要意義。因此，探尋快速、高效、原位腐熟桑枝的方法，是提高喀斯特區蠶桑業生產效率的重要途徑。

基于此，研發了桑枝原位快速腐熟的方法[67]。其基本步驟為：收集桑枝并粉碎，將桑枝碎屑與鋸木屑、桑園表層土壤和尿素按一定比例混合，并調節含水量后置于室內富集培養7～8 d，獲得含有大量桑園土著腐解桑枝微生物的制劑；于桑枝修剪后，在桑園土壤和桑枝表面撒施尿素用于調節腐熟環境的碳氮比，并撒施微生物制劑，可促進桑枝的原位快速分解，使桑枝基本腐解時間比自然條件下提前1個月以上。該方法也適用于大部分農作物秸稈的原位快速腐熟，在對腐熟條件針對性優化后，研發了南方農作物秸稈原位快速腐熟的通用方法[68]。該技術在喀斯特地區的應用，一方面有利于增加土壤有機質、提高土壤肥力，另一方面降低了農作物秸稈在原位土壤表面的腐熟時間，尤其是加快了桑枝腐熟，大大降低了勞動強度、提高了蠶桑產業的規模化發展，可大力推廣。

4 研究展望

喀斯特峰叢洼地生態系統因其土被不連續，阻礙了喀斯特土壤研究的開展，也造成研究結果的代表性存在不確定性。基于探地雷達的方法雖能較為精確地估算喀斯特土壤實際分布情況，但使用探地雷達儀器成本高昂、操作復雜，不適宜開展大面積樣地探測。因此，未來可在考慮坡位、土地利用、植被等立地環境因素的前提下，采用探地雷達技術探究喀斯特土壤分布的規律性特征，構建喀斯特土壤分布模型，從而提高喀斯特生態系統研究成果的代表性、并降低其研究過程的難度。

近年來，通過實施石漠化綜合治理、生態移民、退耕還林還草、水土流失治理等一系列生態工程，喀斯特區域生態治理已初見成效，植被恢復進程較快，石漠化擴展的趨勢得到有效遏制。然而，土壤物理、化學、生物學性質及其生態功能的恢復進程遠遠慢于植被恢復。土壤是植被生長與演替的重要基礎，為鞏固植被恢復效果，亟需加強喀斯特土壤生態過程的研究，并采取合理措施促進土壤性質的正向演替進程。

土壤有機碳作為生態系統演變和土壤質量的重要評價指標，其含量、組成、結構和穩定性直接驅動生態系統的演替方向。過去研究已明確喀斯特土壤中碳酸鈣對有機碳的保護作用，但其內在的物理、化學和生物學機理尚不清楚。微生物是土壤生態系統中極其重要和最為活躍的組分，在土壤養分循環、生態系統穩定性中占據主導地位，并控制著土壤有機碳轉化的關鍵過程。在特殊地質背景下形成的喀斯特土壤，其有機碳轉化以及與養分循環的耦合過程區別于同緯度地帶性土壤，但目前喀斯特土壤關于微生物機理的研究非常薄弱，有待進一步加強。