半干旱巖溶區(qū)油松林顯著促進(jìn)碳酸鹽巖溶蝕

侯滿福, 覃小群, 黃奇波, 鄧 艷*, 劉朋雨

1)廣西師范大學(xué), 環(huán)境與資源學(xué)院/珍稀瀕危動(dòng)植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西桂林 541004;2)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 自然資源部巖溶生態(tài)系統(tǒng)與石漠化治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,自然資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西桂林 541004

降低人類活動(dòng)的碳排放、實(shí)現(xiàn)碳中和是全球應(yīng)對(duì)氣候變化的共同目標(biāo)。人類活動(dòng)每年排放的CO2中, 有30%被陸地生態(tài)系統(tǒng)固定, 5%被碳酸鹽巖風(fēng)化吸收(Liu et al., 2018; Friedlingstein et al., 2020),對(duì)緩解全球氣候變化具有巨大貢獻(xiàn)。陸地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)可以增加植被和土壤碳匯, 并與碳酸鹽巖風(fēng)化密切相關(guān)(Cao et al., 2012; Liu et al., 2018; Bastin et al., 2019; Kang et al., 2020)。水化學(xué)監(jiān)測(cè)、水生生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查、同位素示蹤等研究表明, 碳酸鹽巖風(fēng)化吸收的大氣 CO2以溶解有機(jī)碳(DIC)的形式進(jìn)入水體, 促進(jìn)了水生生物的光合作用, 并在水下沉積物中形成穩(wěn)定的碳存儲(chǔ)(Liu Y et al., 2010; Liu Z H et al., 2010; Cao et al., 2018; Zhao et al., 2020)。據(jù)估算,全球巖溶作用碳匯通量可達(dá)森林碳匯通量的31.18%～34.41%, 中國(guó)的巖溶作用碳匯通量高達(dá)森林碳匯通量的68%(Cao et al., 2018)。植被覆蓋顯著增加了輸入水體的DIC(覃小群等, 2011; Xiao et al.,2021), 巖溶區(qū)植被恢復(fù)將進(jìn)一步增加巖溶地質(zhì)碳匯量。我國(guó)巖溶面積達(dá) 344萬 km2, 生態(tài)退化和石漠化廣泛發(fā)生(Jiang et al., 2014), 生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)具有巨大需求, 由此產(chǎn)生的植被、土壤和巖溶地質(zhì)碳匯在實(shí)現(xiàn)碳中和中將發(fā)揮重要作用(蔣忠誠(chéng)等, 2012;王世杰等, 2017)。

植被覆蓋條件是影響碳酸鹽巖風(fēng)化速率復(fù)雜而又十分重要的因素(Berner, 1997; 曹建華等,2004)。有很多研究對(duì)比了不同植被類型對(duì)碳酸鹽巖溶蝕的影響, 發(fā)現(xiàn)植被覆蓋促進(jìn)了溶蝕(Zeng et al.,2017), 且隨著植被正向演替促進(jìn)作用不斷增強(qiáng)(李恩香等, 2004; 吳孔運(yùn)等, 2007; 黃奇波等, 2013)。例如, 演替頂極森林群落內(nèi)的溶蝕率可達(dá)演替早期草叢的2～4倍(李恩香等, 2004), 次生林的3倍, 灌叢的9倍, 耕地的15倍以上(Zhang, 2011)。這展現(xiàn)了通過改善植被條件增加巖溶地質(zhì)碳匯的廣闊前景(蔣忠誠(chéng)等, 2012; Cao et al., 2018)。然而, 溶蝕率并不總是隨植被正向演替而增加, 存在相當(dāng)部分森林或灌叢低于草地的情況(王冬銀等, 2007; 章程等,2020; 柯靜等, 2021)。這種矛盾的結(jié)果還沒有相關(guān)探討和合理的解釋。已開展的研究對(duì)植被類型的劃分比較簡(jiǎn)單, 僅大致分為森林、灌叢和草地, 相當(dāng)于植被分類的最高級(jí)單元植被型組(郭柯等, 2020),且多選擇某個(gè)植被類型作為代表。這預(yù)設(shè)了森林/灌叢/草地中的不同群落類型對(duì)碳酸鹽巖溶蝕的影響強(qiáng)度大體相同為前提。實(shí)際上巖溶植被具有復(fù)雜多樣的群落類型組成(劉長(zhǎng)成等, 2021), 選擇某個(gè)類型代表高級(jí)單元對(duì)結(jié)果造成何種影響仍不清楚, 而且研究植被的簡(jiǎn)單劃分無法回答何種類型的植被可以更好促進(jìn)溶蝕, 增加巖溶地質(zhì)碳匯。此外, 當(dāng)前研究主要集中在南方濕潤(rùn)區(qū), 廣大的北方半干旱巖溶區(qū)存在怎樣的影響規(guī)律缺乏認(rèn)識(shí)。以上問題都需要從更詳細(xì)的植被分類層次進(jìn)行研究和確認(rèn)。

因此, 我們選擇一個(gè)完整的流域, 通過系統(tǒng)的植被調(diào)查和溶蝕試片對(duì)比實(shí)驗(yàn), 旨在驗(yàn)證(1)半干旱巖溶區(qū)植被對(duì)溶蝕率有怎樣的影響規(guī)律？(2)在植被分類更詳細(xì)的群系層次這種規(guī)律有何不同？(3)造成這種不同的可能因素是什么？希望通過本研究為更好地理解植被條件與碳酸鹽巖溶蝕之間的關(guān)系, 以及巖溶區(qū)植被恢復(fù)中通過樹種選擇實(shí)現(xiàn)最佳的植被、土壤和巖溶地質(zhì)綜合碳匯效應(yīng)提供探索方向。

1 研究區(qū)概況

馬跑神泉流域位于呂梁山南段東南側(cè)、晉中盆地西南, 地理坐標(biāo) 111°25′40′E—112°00′00′E,37°19′26′N—37°29′02′N, 流域面積 212.06 km2。該區(qū)域?qū)贉嘏箨懶詺夂? 多年平均氣溫11.11℃, 多年平均降水量444 mm, 降雨集中在6—9月, 其中7—8月降水約占年降水量的 40%, 是典型的半干旱巖溶流域。流域西北為山區(qū), 主要出露寒武—奧陶系碳酸鹽巖, 向東南海拔漸低, 過渡為第四紀(jì)黃土丘陵區(qū), 土壤主要為淋溶褐土和褐土性土。森林覆蓋率57.58%, 灌叢面積占34.34%。森林主要分布在流域北側(cè)白虎嶺林場(chǎng)范圍的山區(qū), 灌叢主要分布于山地向丘陵過渡的山坡、階地及山溝邊和坡腳, 草本植被零星分布于山谷河溝附近平地, 山谷內(nèi)有少量居民點(diǎn)和耕地(圖1)。由于山區(qū)勞動(dòng)人口的外遷,流域植被處于恢復(fù)過程中, 形成以油松(Pinus tabuliformis)、蒙古櫟(Quercus mongolica)、白樺(Betula platyphylla)、山楊(Populus davidiana)、茶條槭(Acer tartaricum)、槲樹(Quercus dentata)等構(gòu)成的純林或混交林, 其中油松純林分布面積最大, 以油松與蒙古櫟、山楊等組成的針葉與闊葉混交林其次, 蒙古櫟、山楊等闊葉林較少。灌叢則以黃刺玫(Rosa xanthina)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)分布最廣泛,沙棘和紫丁香較少。

圖1 研究區(qū)內(nèi)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的植被和土地利用分布示意圖Fig. 1 Vegetation and land use types of dissolution test spots in the study area

2 研究方法

2.1 植物群落調(diào)查與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)選擇

參照方精云等(2009)提出的群落清查規(guī)范, 于2011年7月選擇典型地段開展樣地調(diào)查, 共計(jì)調(diào)查樣地63個(gè)。依據(jù)群落學(xué)—生態(tài)學(xué)原則和最新修訂的中國(guó)植被分類系統(tǒng)(郭柯等, 2020), 將自然植被劃分為3個(gè)植被型組、6個(gè)植被型、24個(gè)群系。根據(jù)分布面積選擇其中15個(gè)群系的代表性樣地設(shè)置了28個(gè)溶蝕試片實(shí)驗(yàn)點(diǎn), 根據(jù)試片回收情況選擇其中18個(gè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析, 其分布示意如圖1, 環(huán)境信息如表1。

表1 溶蝕試片實(shí)驗(yàn)點(diǎn)植被、自然環(huán)境及溶蝕試片主要化學(xué)組成其特點(diǎn)Table 1 Characteristics of vegetation cover, chemical composition of rock tablets, and natural environment of test sites

2.2 溶蝕率試驗(yàn)

采用廣泛應(yīng)用的溶蝕試片法測(cè)定溶蝕率(Krklec et al., 2021)。為測(cè)定實(shí)際溶蝕量, 采集研究區(qū)各出露地層(主要為四種)的代表性碳酸鹽巖基巖, 加工成直徑約 40 mm、厚約3 mm的圓形試片。將與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)出露地層一致的試片分別水平放置在土下20 cm和50 cm處, 每層位3片。1個(gè)水文年后(2011年7月—2012年8月), 將試片取回, 用蒸餾水洗凈, 烘干至恒重, 萬分之一電子天平稱重, 計(jì)算年單位面積溶蝕量。計(jì)算公式如下:

式中,DR為年單位面積溶蝕量(mg·cm-2·a-1),W1為試片初重(g),W2為試片放置末期重量(g),T為放置時(shí)間(d),S為試片表面積(28.9 cm2)。

溶蝕率以3塊試片的平均值計(jì); 植被的高級(jí)分類單位以其包括的所有低級(jí)分類類型的平均值計(jì)。

2.3 溶蝕環(huán)境調(diào)查

半干旱區(qū)土壤水分長(zhǎng)期處于虧缺狀態(tài), 7月中旬至9月中下旬為水分蓄積期(李洪建等, 2003), 也是生物代謝最旺盛的時(shí)段。我們以7月下旬至8月初開展實(shí)驗(yàn)并測(cè)定土壤中溶蝕因子, 以之反映溶蝕旺盛期的溶蝕環(huán)境。放置試片時(shí)測(cè)定土下20 cm/50 cm的CO2濃度(pCO2), 并選擇部分代表性樣地按10 cm間隔測(cè)定各深度的pCO2、土壤含水率和土壤溫度。土壤pCO2采用類似研究(Zhang, 2011; Wu et al.,2020; 柯靜等, 2021)常用的 AP-20抽氣泵和GASTEC-CO2測(cè)試管測(cè)定(百分比濃度, 精度 10%);土壤含水量和溫度用便攜式土壤三參數(shù)速測(cè)儀(Delta-T, HH2/WET, 體積含水量, 精度 3%)測(cè)定。由于不同森林類型三種環(huán)境因子變化較大, 為便于比較并更好的顯示其隨土壤深度變化的趨勢(shì), 將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理, 以相對(duì)值進(jìn)行對(duì)比, 計(jì)算公式如下:

3 結(jié)果和分析

3.1 不同植被類型的碳酸鹽巖溶蝕率對(duì)比

18個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)植被類型可歸為12個(gè)群系, 6個(gè)植被型, 3個(gè)植被型組。在植被型組層次, 溶蝕率為森林＞草地＞灌叢, 前者分別是后兩者的1.46倍和3.35倍(表2, 圖2A)。在植被型層次, 森林中的常綠針葉林溶蝕率最高, 是其他各植被型的 5.62～13.27倍,灌叢仍然最低, 但落葉闊葉林、落葉針葉林均顯著低于雜類草草地(表2)。在群系層次, 油松林的溶蝕率最高, 是其它群系的 5.62～18.25倍; 不同群系的溶蝕率差異更顯著但沒有明顯規(guī)律, 除油松林和茶條槭林溶蝕率高于各種草地和灌叢類型、以及草地類型均高于各種灌叢類型外, 有數(shù)種森林溶蝕率低于草地和灌叢, 蒙古櫟+白樺林產(chǎn)生了凈沉積(表2)。從植被型組到群系, 溶蝕率森林＞草地＞灌叢的規(guī)律大致仍然成立, 但不確定性增加。如果從群系中選擇某種類型代表森林/灌叢/草地, 溶蝕率隨正向演替增加、減弱、前期減弱后期增加等情況都可以成立, 僅取決于所選的群系類型。

圖2 森林計(jì)入(A)/不計(jì)入(B)油松林時(shí)植被型組之間的溶蝕率對(duì)比Fig. 2 Dissolution rate between vegetation formation groups including (A) and excluding (B) Pinus tabuliformis Forest Alliance

在垂直剖面上, 土下20 cm處溶蝕率普遍高于50 cm 處, 僅少數(shù)情況例外; 二者相差最大的是油松林, 前者是后者的 7.5倍, 相差最小的是肥披堿草草地, 二者幾乎相等。土下20 cm處溶蝕率的變化幅度也遠(yuǎn)大于50 cm處, 植被型組、植被型和群系層次土下 20 cm最大值分別是最小值的 3.93、23.36和32.13倍, 土下50 cm處最大值分別是最小值的3.57、4.86和17.5倍(表2), 呈現(xiàn)植被劃分越詳細(xì), 變化幅度越大的趨勢(shì)。這與高級(jí)分類單元的溶蝕率由多個(gè)低級(jí)分類單元溶蝕率取平均值, 使個(gè)體間的差異平緩化有關(guān)。

溶蝕率在草地各類型間差異較小((0.25±0.04) mg·cm-2·a-1), 在灌叢各類型間差異稍大但都很低((0.11±0.07) mg·cm-2·a-1), 在森林各類型間的差異明顯增大((0.37±0.71) mg·cm-2·a-1), 溶蝕率最高和最低的森林相差約10倍(不計(jì)發(fā)生沉積的類型), 表明森林對(duì)碳酸鹽巖溶蝕的影響顯著強(qiáng)于灌叢和草地。

隨著研究植被劃分趨向詳細(xì), 不同植被類型間溶蝕率的差異突顯, 油松林顯著高于其他類型的溶蝕率得以識(shí)別出來; 同時(shí)植被型組、植被型等高級(jí)分類單元較高的溶蝕率主要由于油松林的溶蝕貢獻(xiàn)也得以揭示。當(dāng)森林植被型組中不計(jì)入油松林時(shí),其溶蝕率小得多, 三種植被型組溶蝕率的順序?qū)⒆優(yōu)椴莸兀旧郑竟鄥?圖2B), 可見研究的植被是否選擇油松林為代表將產(chǎn)生截然不同的結(jié)果。

3.2 影響溶蝕的因素特征

在代謝旺盛的夏季, 半干旱區(qū)土壤CO2相對(duì)濃度隨深度呈拋物線形變化, 峰值在土下40 cm處。從實(shí)測(cè)值看, 森林、灌叢和草地的土壤pCO2峰值分別在土下40 cm、60 cm和70 cm; 土壤pCO2隨深度的變化森林最平緩, 灌叢其次, 草地最劇烈, 三者土壤表層10 cm深度的pCO2分別為深層峰值的73.44%、42.39%和 38.70%(圖3A, B)。土壤pCO2表現(xiàn)出隨植被復(fù)雜程度增加而降低、峰值向表層上移、變動(dòng)幅度變?nèi)?、表層與深層間的差距變小的規(guī)律, 顯示植被演替對(duì)其產(chǎn)生了調(diào)控。土壤含水率隨深度單調(diào)遞減, 不同植被類型間為灌叢＞森林＞草地,但表層土(0-20 cm)為森林＞灌叢＞草地(圖3C, D)。土壤溫度隨深度呈直線下降關(guān)系, 大體上草地＞灌叢＞森林, 但在 0-20 cm 表層, 灌叢土壤溫度最高,草叢其次, 森林最低(圖3E, F)。這種規(guī)律顯示森林對(duì)土壤濕度和溫度有更強(qiáng)的調(diào)控能力, 使表土層濕度更高,pCO2更接近峰值。

圖3 半干旱區(qū)土壤pCO2、含水率、溫度垂直剖面趨勢(shì)及其在森林、灌叢和草地間的對(duì)比Fig. 3 Vertical profile trends of soil pCO2 (A, B), soil water content (C, D), and soil temperature (E, F) , and its comparison in forest, shrubland, and grassland in a semi-arid karst area

相關(guān)分析表明, 在植被型組之間和群系之間,溶蝕率與土壤pCO2、土壤含水量、土壤溫度的相關(guān)性均不顯著。草地的土壤pCO2最高, 土壤溫度也較高, 但只產(chǎn)生中等程度的溶蝕。從三者的匹配程度看, 森林土下 20-50 cm范圍pCO2處于峰值附近,土壤含水量和溫度下降還不明顯, 也處于峰值附近,匹配較好(圖4A), 溶蝕率最高; 草地土壤表層含水率接近峰值, 但pCO2最小, 而在含水率和pCO2均處于峰值附近的土下 50-80 cm區(qū)間, 溫度又較低,匹配性也不如森林(圖4C), 溶蝕率居于其次; 灌叢在溫度較高的土壤表層,pCO2遠(yuǎn)低于峰值, 三者的匹配程度最差(圖4B), 溶蝕率最低。土壤pCO2、含水量與溫度三者的匹配程度與溶蝕率有較好的對(duì)應(yīng)性。

圖4 半干旱區(qū)森林、灌叢和草地的土壤pCO2、含水率、溫度垂直剖面匹配特征Fig. 4 Matching characteristics of soil pCO2, soil water content, and soil temperature of forest, shrubland, and grassland in a semi-arid karst area

不同出露地層的碳酸鹽巖化學(xué)成分存在差異(表1), 也是影響溶蝕率的一個(gè)因素。當(dāng)植被類型相同時(shí), 在溶蝕率較高時(shí)不同巖性間的溶蝕率才表現(xiàn)出顯著差異, 并隨CaO含量增加而增加, 在溶蝕率較低時(shí)巖性的影響不明顯, 且溶蝕率隨CaO含量增加而降低(表1, 圖5A)。同一地層試片的各種群系類型溶蝕率的變化規(guī)律與不考慮試片化學(xué)成分時(shí)相似(圖5B, 表2), 表明試片的化學(xué)成分不影響植被類型間溶蝕率的變化規(guī)律。

圖5 半干旱區(qū)分布于不同地層的相同群系(A)與同一地層的不同群系類型(B)的溶蝕率對(duì)比Fig. 5 Comparison of dissolution rate between Alliances on different geological stratigraphy (A) and Alliances on the same geological stratigraphy (B)

4 討論

4.1 植被類型對(duì)碳酸鹽巖溶蝕率的影響

本文研究揭示, 在半干旱區(qū)碳酸鹽巖溶蝕率森林＞草地＞灌叢, 表現(xiàn)出植被正向演替前期減弱、后期促進(jìn)溶蝕的規(guī)律(圖2A)。這證實(shí)了以前的大部分研究結(jié)果(李恩香等, 2004; 吳孔運(yùn)等, 2007; 黃奇波等, 2013), 但在演替早期的灌草階段支持了相反的一些研究結(jié)果(Zhang, 2011; Zeng et al., 2017; 姜鑫等, 2020; 柯靜等, 2021)。本文群系層次的研究進(jìn)一步揭示不同群系間的溶蝕率存在顯著差異, 并沒有確定的規(guī)律(表2)。這為以往植被型組層次的研究中植被演替與溶蝕率之間的矛盾關(guān)系提供了一種可能的解釋, 即這種矛盾可能是由于被選作代表的低級(jí)植被分類單元間固有的溶蝕率差異所致。例如在本研究中, 當(dāng)選擇紫丁香群落代表灌叢、蒙古櫟林或華北落葉松林代表森林時(shí), 將會(huì)得出溶蝕隨植被正向演替減弱的結(jié)論, 當(dāng)選擇油松林或茶條槭林代表森林時(shí), 才能得出植被正向演替前期減弱、后期促進(jìn)溶蝕的結(jié)論。此外, 當(dāng)選擇油松林代表森林時(shí)將導(dǎo)致溶蝕率偏高5～10倍, 而當(dāng)選擇蒙古櫟+白樺林時(shí)將得到森林溶蝕小于沉積、產(chǎn)生凈沉積的結(jié)果。根據(jù)這種植被選擇產(chǎn)生的偏差估算的巖溶地質(zhì)碳匯量也必然產(chǎn)生顯著偏差, 需要引起充分注意。

群系層次的對(duì)比研究還發(fā)現(xiàn), 油松林的溶蝕率遠(yuǎn)高于其他各類植被(表2)。這對(duì)半干旱巖溶區(qū)植被恢復(fù)、森林經(jīng)營(yíng)與固碳結(jié)合具有重要的實(shí)際意義。半干旱巖溶區(qū)發(fā)展油松林將成倍增加巖溶地質(zhì)碳匯。由此可見, 群系層次的溶蝕率對(duì)比研究能幫助我們發(fā)現(xiàn)對(duì)溶蝕促進(jìn)效果最顯著、巖溶地質(zhì)碳匯效應(yīng)最大的植被類型, 也能識(shí)別促進(jìn)效果不好, 甚至減弱溶蝕的類型, 對(duì)構(gòu)建更大碳匯量的植被恢復(fù)途徑具有實(shí)際指導(dǎo)作用。

4.2 半干旱區(qū)溶蝕環(huán)境因子與覆蓋植被的相關(guān)性

本文研究顯示, 在半干旱區(qū)不管是植被型組層次還是群系層次, 碳酸鹽巖溶蝕率與土壤pCO2、土壤含水量和土壤溫度的相關(guān)性都不顯著, 而與三者的匹配性有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這與濕潤(rùn)區(qū)溶蝕率與土壤pCO2、土壤含水量和溫度強(qiáng)烈正相關(guān)的研究結(jié)果均不相同(何師意等, 1997; 劉再華等, 1998;Kirstein et al., 2016)。從碳酸鹽巖溶蝕的化學(xué)反應(yīng)式看, 影響溶蝕的因素包括反應(yīng)物的持續(xù)供給(主要是酸的持續(xù)供給)、產(chǎn)物持續(xù)移除和反應(yīng)速度三個(gè)方面(Dong et al., 2019)。酸的持續(xù)供給與土壤CO2濃度和土壤含水量有關(guān), 反應(yīng)產(chǎn)物的移除與土壤中的徑流有關(guān), 反應(yīng)速率與溫度和生物酶的數(shù)量有關(guān),這些因素很大程度上取決于植被覆蓋與氣候條件(Romero-Mujalli et al., 2019)。中國(guó)南方巖溶區(qū)降水豐沛、雨熱同期, 三者之間匹配程度高, 從而呈現(xiàn)溶蝕率隨土壤pCO2及土壤含水量增加而增加(何師意等, 1997; 劉再華等, 1998), 在低溫條件下(60℃以下)隨溫度升高而升高(Kirstein et al., 2016)的規(guī)律。但在本研究中, 類似呂梁山南段的半干旱區(qū)多年平均降水量低于 450 mm, 土壤含水量從旱季到雨季初期都接近凋萎點(diǎn), 在雨季大多也低于 20%,且隨土層深度增加而遞減(圖3)(李洪建等, 2003; 董林水, 2005)。在我們的研究中, 土壤pCO2隨深度的變化趨勢(shì)與土壤含水量或土壤溫度的恰好相反(圖3), 三者出現(xiàn)了明顯的不匹配。在土壤pCO2高的深度土壤含水量處于低位, 將限制碳酸的形成和供給,從而制約碳酸鹽巖的溶蝕, 且在干季形成沉積(黃奇波等, 2013), 進(jìn)一步抵消溶蝕作用; 在土壤含水量和土壤溫度較高的表層土壤pCO2低, 使其對(duì)溶蝕的驅(qū)動(dòng)減弱。因此, 三者中任何單一因素都不能對(duì)溶蝕產(chǎn)生顯著影響。與此類似的還有巖性。在濕潤(rùn)區(qū)溶蝕率還受碳酸鹽巖的純度和結(jié)構(gòu)的明顯影響(劉再華, 2000), 但在半干旱區(qū)影響的程度大大降低,在土下 20-50 cm奧陶紀(jì)灰?guī)r和泥灰?guī)r溶蝕率幾乎沒有差別(張春潮等, 2018)。本研究中試片化學(xué)成分只在溶蝕率較高時(shí)才有明顯差異, 較低時(shí)幾乎沒有差異(圖5A), 不影響所揭示的碳酸鹽巖溶蝕率隨植被覆蓋變化的規(guī)律。

本研究中森林、灌叢和草地的土壤pCO2、土壤含水量和土壤溫度三者的匹配程度與溶蝕率有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 表明半干旱巖溶區(qū)植被通過調(diào)節(jié)溶蝕發(fā)生的條件影響了溶蝕過程。這支持了植被是碳酸鹽巖溶蝕的重要影響因素的認(rèn)識(shí)(曹建華等, 2004;Calmels et al., 2014; Romero-Mujalli et al., 2019)。不同的植被覆蓋形成的小氣候不同, 土壤中CO2的聚集與梯度變化也不一致(李恩香等, 2004; 陳鵬娟,2021), 從而對(duì)溶蝕過程和強(qiáng)度產(chǎn)生影響。森林的根系發(fā)育更利于氣體擴(kuò)散, 使土壤pCO2的峰值向表層移動(dòng), 隨深度遞減的程度更弱, 濃度下降(李恩香等, 2004), 從而使高土壤pCO2與較高的含水量和溫度更好的匹配。森林的覆蓋使土壤溫度波動(dòng)減小,表層土壤的濕度增加, 三者匹配的時(shí)間延長(zhǎng), 因此盡管pCO2低于灌叢和草地, 卻對(duì)應(yīng)了更高的溶蝕率(圖3B, 圖4)。草地由于根系集中分布于淺層, 土壤呼吸作用更旺盛, 且草本植物密集生長(zhǎng)不利于空氣流通而具有較高的土壤pCO2(馮朝陽等, 2008; 張鴿香等, 2010), 但灌叢和草地對(duì)小生境及溶蝕條件的調(diào)節(jié)能力弱(鄧艷等, 2004; 龍健等, 2021), 與土壤含水量和土壤溫度的匹配程度均低于森林, 使其溶蝕率也較低。由此我們可以得出結(jié)論, 半干旱區(qū)碳酸鹽巖溶蝕受土壤含水量低的強(qiáng)烈制約, 具有與濕潤(rùn)區(qū)完全不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)制, 土壤pCO2、土壤含水量或土壤溫度中的任何單一因素均不能產(chǎn)生顯著影響, 三者的匹配程度才是驅(qū)動(dòng)溶蝕的關(guān)鍵因素; 植被演替成為森林增加了對(duì)三者匹配程度的調(diào)節(jié)能力,最終促進(jìn)了碳酸鹽巖的溶蝕。

然而, 油松林溶蝕率遠(yuǎn)高于其他森林類型, 其產(chǎn)生機(jī)制可能十分復(fù)雜。油松林的土壤pCO2、土壤含水量或土壤溫并不是最高的(表3)。細(xì)根垂直分布也因是否混交以及混交的樹種而不同(翟明普, 1982;劉春江等, 1985), 各種有機(jī)酸的分泌量則純林顯著高于混交林(邵東華等, 2011), 但是否隨森林類型而變，還需要更多研究佐證?？梢? 森林類型如何調(diào)控各種影響溶蝕的因子從而影響溶蝕, 還需要更深入和詳細(xì)的研究揭示, 特別是對(duì)影響溶蝕的因子進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 以揭示其匹配性及其變化規(guī)律。

表3 半干旱區(qū)不同森林類型的溶蝕環(huán)境Table 3 Environmental factors of different forest types in the study area

森林的經(jīng)營(yíng)管理與碳匯效應(yīng)相結(jié)合越來越成為共識(shí)(Yu et al., 2021)。巖溶地質(zhì)碳匯與植被、土壤碳匯密切相關(guān)(Cao et al., 2012), 需要在植被恢復(fù)、植樹造林和森林經(jīng)營(yíng)管理中充分考慮。群系層次開展的對(duì)比不僅能識(shí)別出油松林有比其他各類植被高得多的巖溶地質(zhì)碳匯效應(yīng), 也能明確各植被類型巖溶地質(zhì)碳匯效應(yīng)的大小順序。但影響碳酸巖風(fēng)化過程的各種因素復(fù)雜交叉, 不同樹種的根系徑級(jí)構(gòu)成和分布深度不同(趙忠和李鵬, 2002), 類似的因素都可能影響植被對(duì)溶蝕因子的調(diào)控能力。此外,濕潤(rùn)區(qū)受干濕季節(jié)、地形、巖溶發(fā)育條件等影響, 可能也存在溶蝕關(guān)鍵因子匹配差制約溶蝕的情況。本文研究中, 以溶蝕最強(qiáng)烈的季節(jié)測(cè)定的溶蝕因子分析溶蝕的差異, 未能詳細(xì)揭示溶蝕因子及其不同季節(jié)的變化情況。連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是較好的解決辦法,也將是未來研究的重點(diǎn)。因此, 有必要從更基礎(chǔ)的植被分類層次或者說至少?gòu)娜合祵哟伍_展更廣泛的對(duì)比、選擇典型類型進(jìn)行關(guān)鍵影響因素的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 揭示不同植被影響溶蝕的機(jī)制, 核算清它們的植被、土壤和巖溶地質(zhì)碳匯總量。這將為森林管理中根據(jù)綜合碳匯效應(yīng)確定造林樹種、優(yōu)化植被恢復(fù)途徑, 以充分發(fā)揮巖溶區(qū)植被恢復(fù)碳匯潛力, 最終促進(jìn)碳中和提供可操作的指導(dǎo)。

5 結(jié)論

(1)半干旱巖溶區(qū)植被正向演替早期減弱、后期促進(jìn)了碳酸鹽巖溶蝕。

(2)群系層次的對(duì)比研究可揭示各植被類型對(duì)碳酸鹽巖溶蝕影響的強(qiáng)度, 識(shí)別出油松林具有遠(yuǎn)高于其他各植被類型的溶蝕率, 顯著促進(jìn)了碳酸鹽巖的溶蝕。

(3)半干旱巖溶區(qū)受土壤水分缺乏影響, 環(huán)境因子對(duì)溶蝕率的影響模式與濕潤(rùn)區(qū)顯著不同, 土壤pCO2、土壤含水量和土壤溫度任何單一因素與溶蝕率沒有顯著相關(guān)性, 三者的匹配性才是決定溶蝕率的關(guān)鍵因素; 植被演替增加了對(duì)土壤pCO2、土壤含水量和土壤溫度的調(diào)控能力從而影響溶蝕。

致謝: 南寧師范大學(xué)安鈞鑒、蔣艷華、胡云華、黃世岸、蘇浩等人參加了野外工作, 在此表示感謝！

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 31960233), Key Research and Development Program of Guangxi (No.Guike AB19110004), China Geological Survey (No.1212011087121), and Guangxi Natural Science Foundation Program (No. 2018GXNSFDA281036).