全 文 ：湿润亚热带峰丛洼地岩溶土壤系统中
碳分布及其转移*
潘根兴* * 孙玉华 滕永忠 陶于祥 韩富顺 (南京农业大学资源环境科学学院,南京 210095)
曹建华 何师意 (桂林岩溶地质研究所,桂林 541004)
=摘要> 以桂林丫吉村岩溶试验场为例,研究了湿润亚热带峰丛洼地表层岩溶带生物量碳库、凋落物碳库、土壤有机
碳库(SOM)及其活泼性、有机碳分解速率、土壤中 CO2 浓度和土壤呼吸 CO2 排放,表明岩溶系统中丰富的碳库提供了
系统中 CO2的来源,并用D13C证实春夏岩溶活跃季节中岩溶输出 C约 60%来自土壤 CO2 .由此认为,驱动岩溶作用的
CO2并非直接来自大气 CO2 ,而是大气2植物2土壤2水碳素转移的结果,因而揭示了土壤作为碳环境地球化学界面对于
表生带岩溶作用的驱动意义.
关键词 岩溶作用 土壤碳 碳循环
Distr ibution and tr ansferring of carbon in kast soil system of peak for est depression in humid subtropical r egon. PAN Genxing,
SUN Yuhua, TENG Yongzhong, TAO Yuxiang, HAN Fushun ( College of Resources and Environment, Nanjing Agricultural
University, Nanjing 210095) . 2Chin. J . Appl. Ecol . , 2000,11( 1) : 69~ 72.
Taking Guilin Yaji Karst Experiment Site as an exemple and with the methods of field monitoring and laboratory analysis, this pa2
per studied the distribution and transferring of carbon in the karst soil system of peak forest depression in the humid subtropical
region of China. The carbon pools in biomass, litters and soil organic matter(SOM)and their mobility as expressed by oxidizability
and decomposition rate of SOM, the concentration of soil CO2 and the emission rate of CO2 from soil were investigated. The mobile
carbon pool in the system supplied a rich source of CO2, which drived the karst process. When active karst process happened in
Spring and Summer, over 60% of carbon in theoutput water was derived from soil CO2, as traced byD13 C distribution in the sys2
tem. Therefore, owing to the carbon transfer in the pathway of air2plant2soil2water, karst process took place rather under soil2rock2
water interface than under air2rock2water interface. Thus, the epigenetic karst process was driven and accelerated by soil as an in2
terface of carbon environmental geochemistry.
Key words Karst process, Soil carbon, Carbon cycling.
* 国家自然科学基金(49272141)及国土资源部岩溶动力学重点开放实
验室资助项目.
* * 通讯联系人.
1998- 07- 07收稿, 1998- 10- 19接受.
1 引 言
一般认为,岩溶过程是地球表面消耗大气 CO2的主
要过程[19] .传统岩溶作用理论认为岩石溶解的 HCO3- 输
出中涉及 50%的大气 CO2 消耗及 50%的岩石碳酸盐的
溶解.因此,岩溶过程中碳转换对于全球碳循环有极其重
要的意义[3, 20] .近年来,岩溶学工作者开始注意到土壤中
CO2气体对于岩溶过程驱动[18, 19, 21],而土壤学工作者也
注意到土壤碳循环与全球碳循环的关系意义[13, 16].本文
在总结对桂林丫吉村岩溶系统碳循环研究结果基础上,
探讨土壤中 CO2的驱动力及土壤碳库特征对表生带岩溶
作用的意义.
2 研究地区概况与方法
211 研究地区
研究在桂林丫吉村岩溶试验场进行. 该试验场位于桂林东南
约8km的丫吉村,为典型亚热带温润地区峰丛洼地,母岩为泥盆统
融县组(D3r)灰岩, 其成分为 CaCO3 5414%, MgCO31134%, 酸不溶
物0138% .峰丛坡地有多处表生泉出露, 并发育有钙华.试验场多
年降雨量为 1915mm, 年均温 181 8e , 年蒸发量 1378mm, 降雨量
70%分配于春夏两季( 4~ 8 月) .植被为灌丛,高度为 120~ 180cm,
覆盖度为 60%~ 80% [ 22] .
212 土壤及其性质
在峰丛鞍部、坡地及洼地广泛分布有厚度不同的土壤. 坡地一
般在 30~ 150cm,洼地在 1~ 2m左右,而鞍部在 1m以上.几个代表
性土壤的性质见表 1.这些土壤基本上属棕色石灰土, 按土壤系统
分类为钙质湿润淋溶土[ 6] .
213 研究方法
21311 植物碳库 在野外随机选取代表性样块, 划出一定面积,分
别砍伐收集地上部植株;挖取土壤剖面收集根系;收集地面枝叶,
称重.取部分测定含水量及含碳量,计算得到单位面积生物量及生
物量碳.
21 31 2土壤有机碳库 在坡地和洼地分别挖取1m@1m@1m
表 1 代表性部位的土壤基本性质
应用 生态 学报 2000年 2月 第11 卷 第1 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Feb. 2000, 11( 1)B69~ 72
Table 1 Fundamental properties of soils in representative sites
剖面代号
No of profile
部 位
Location
层次
Horizon
深度
Depth( cm)
PH
(H2O)
SOC
( g#kg- 1)
< 2Lm粘粒
< 01002mm(%)
CEC
(cmol#kg- 1)
SO1 坡地表生泉附近 A 0~ 14 5191 34109 50160 25171
Slope with a karst spring B1 14~ 40 5101 16185 56148 24182
B2 40~ 60 7102 10191 ) 29162
岩土界面Soil/ rock 7124 14182 ) 29165
SO2 洼地表生泉附近 A 0~ 33 7104 45169 57144 51194
Depression with a karst spring B1 33~ 90 6199 25141 60100 45153
SO3 鞍部Saddle A 0~ 18 5147 45148 63172 17122
B1 18~ 70 6104 12113 71188 17114
SOC:土壤有机碳Soil organic carbon.
的土壤剖面坑,按深度递增法取样,以测得精确的SOC剖面分布曲
线,加权换算得到单位面积 1m土体内 SOC量;应用 1/ 30mol# L- 1
以及 1/ 3mol#L- 1KMnO4溶液氧化法分析 SOC的可氧化性[ 4] .并用
砂滤管法研究有机质分解速率[17] ,有机碳结合态分析方法采用蒋
剑敏等推荐的方法[ 11] .
21313 土壤 CO2 浓度及土壤 CO2 呼吸排放 在春夏秋冬各季,分
别于上午 10时用GASTEC CO2测定仪测定土壤空气中 CO2 浓度.
土壤呼吸的CO2 排放用吸收阱法测定[ 1] .具体方法为一无盖金属
圆桶,直径 25cm,高 30cm,倒置于土表,内置一加有 1mol#L- 1NaOH
溶液的广口小瓶, 一定时间后用 HCl溶液滴定剩余 NaOH, 得到
CO2 排放量.空白值用玻璃板代替土表得到.
21314 岩溶系统中碳稳定性同位素分布 在春夏秋冬不同季节,采
集植株凋落物、土壤、水及钙华、岩石作13C稳定同位素 C的丰度测
定.
3 结果与讨论
311 生物量碳
测得的生物量及生物量碳结果列于表 2.另外,据野
外测定,凋落物风干量为 017kg#m- 2, 其碳量为 22011g#
m- 2.系统碳量略低于同地带亚热带森林植被[ 14].夏季生
物量明显地大于秋冬季生物量,夏季的生物量增量及由
此发生的碳吸收与储存对岩溶碳循环的影响将有重要意
义.
表 2 岩溶土壤系统中(坡地土壤上)生物量及生物量碳
Table 2 Biomass and biomass carbon in the Karst soil system( slope)
地上部 Aboveground
生物量
Biomass
(kg#m- 2)
C
Biomass C
(g#kg- 1)
地下部 Underground
生物量
Biomass
( kg#m- 2)
C
Biomass C
( g#kg- 1)
总生物量 碳
Total
biomass C
(k#gm- 2)
秋 季
Autumn 2100 449171 1189 436126 1172
夏季
Summer 3130 334106 2180 337188 2116
312 土壤有机碳库
所研究的坡地和洼地两个代表性剖面的 SOC分布
曲线如图 1.按 1m深度计,其总碳量分别为20117kg#m- 2
(坡地)和 36190kg#m- 2, 表明洼地土壤除了矿物质积累
外,尚存在明显的 SOC积累.这些土壤至 1m深度尚有 6
~ 26g#kg- 1的SOC,可见岩溶系统中土壤有机碳远比同地
带红壤丰富[9, 10]. 土壤 SOC剖面分布存在 3段性, 0~
30cm深度内为 SOC表聚带,越近地表 SOC越高,呈指数
递增型, 30~ 50cm深度为线性递减带, SOC以稳定斜率向
剖面中部减少, 50cm以下为恒定带, SOC随深度递增几无
变化.而同地带非岩溶红壤在剖面底部 SOC仅痕变量[9] .
剖面底部有稳定的CO2浓度[18]可能与此有关.
图 1 土壤SOC剖面分布曲线
Fig. 1 Profile dist ribution of SOC.
Ñ.坡地 Slope,Ò.洼地Depression.
土壤中 CO2 气体形成取决于 SOC的化学活泼性.
SOC的结合状态、易氧化分解性决定着 SOC转化为土壤
中CO2 的程度.表 3和表 4分别列出了 SOC结合方式及
其氧化性的测定结果.可以看出,土壤 C大部分以松结态
或易氧化态存在,尤其是在表层.
313 有机质分解
从表 5可知,该岩溶土壤中有机质分解强度较大,春
夏秋 3季当季分解率均可达 30%~ 40%.分解作用坡地
强烈,而洼地稍弱,可能是洼地温度较低,湿度条件较好,
土壤渍水时间较长有关.从季节来看,除冬季稍弱外, 本
系统中各季均发生有机质的分解及由此的碳由SOC向无
机碳转化.一年中约有 60~ 80g#m- 2碳由 SOC进入系统
CO2库.
70 应 用 生 态 学 报 11卷
表 3 有机碳可氧化性分级
Table 3 Oxidizability of SOC
剖面
Profile
No.
层次
Horizon
深度
Depth
( cm)
总碳
Total C
( g#kg- 1)
1/ 30mol#L- 1KMnO4
g#kg- 1 %
1/ 30mol#L- 1 KMnO4
g#kg- 1 %
1/ 30mol#L- 1KMnO4
g#kg- 1 %
残余碳 Residual C
g#kg- 1 %
SO1 A 0~ 14 34109 61167 18109 61204 18120 231945 70124 101145 29176
B1 14~ 40 16185 11080 6141 11543 9116 41031 23192 121820 76108
B2 40~ 60 10191 01538 4193 01754 6191 21214 20129 81694 79171土/岩 Soil/ rock 14182 01996 6172 11260 8150 41485 30126 101336 69174
SO3 A 0~ 18 45148 91560 21102 171328 38110 271534 60154 171946 39146
B1 18~ 70 12113 01506 4117 01842 6194 11824 15104 101306 84196
S54 A1 0~ 5 44197 131518 30106 251363 56140 371820 84110 71150 15190
A2 15~ 20 23190 21772 11160 41761 19192 81516 35163 151384 64137
B 45~ 50 13101 01855 6157 11961 15107 21840 21183 101170 78117
SO2 A 0~ 33 45169 121131 26155 191062 41172 401194 87197 51497 12103
B1 33~ 90 25141 31395 13136 41757 18172 141646 57164 101746 42136
表 4 有机碳结合态分组
Table 4 Fract ion of complexed organic carbon
剖面
Profile
No.
层次
Horizon
深度
Depth
( cm)
总碳
Total C
( g#kg- 1)
焦碳酸钠
Pyrophosphate
extracted
g#kg- 1 %
原土复合度
Initial
Comple2
xibility
( %)
重组碳
Carbon in
heavy
fraction
(g#kg- 1)
松结态
Loosely combined
g#kg- 1 %
稳结态
Stably combined
g#kg- 1 %
紧结态
Int imately Combined
g#kg- 1 %
松/紧
L/ I
SO1 A 0~ 14 34109 01490 14137 841229 30122 141788 431375 11848 51420 121405 361400 11192
B1 14~ 40 19185 01275 16130 841399 14176 91561 561750 01891 51285 51470 321450 11748
B2 40~ 60 10191 01151 13179 951676 10157 51982 541825 01660 61045 41600 421150 11300土/岩 Soil/ rock 14182 01144 9174 851732 13109 71627 511465 11056 71130 51985 401400 11274
SO3 A 0~ 18 45148 01788 17133 851509 40118 261635 581560 01726 11595 151415 331900 11728
B1 18~ 70 12113 01189 15155 831303 10118 61414 521875 01366 21990 51085 411900 11261
SO4 A1 0~ 5 44197 01363 8107 831918 43106 211331 471435 21888 61420 201360 451300 11048
A2 15~ 20 23190 01226 9145 831572 20138 131548 561685 11650 61900 101430 431650 11299
B 45~ 50 13101 01069 5134 691562 10151 51333 401990 21475 191025 51915 451450 01902
SO2 A 0~ 33 45169 01564 12134 851190 41115 191810 431360 01990 21170 161835 361850 11177
B1 33~ 90 25141 01274 10179 851283 22178 61411 251225 01908 31570 81830 341750 01726
表 5 不同季节有机质分解强度
Table 5 Seasonal dynamics of organic carbon decomposition
加入 C( g)
C input
残留C( g)
Residual C
分解率( %)
Decomposed C
洼地 春 Spring 3118 2146 2217
Depression 夏 Summer 3118 2101 3617
秋 Autumn 3118 2101 3617
冬 Winter 3118 3100 5160
坡地 春 Spring 3118 2109 3414
Slope 夏 Summer 3118 1184 4210
秋 Autumn 3118 1191 3918
冬 Winter 3118 2172 1414
314 土壤 CO2 浓度及其排放
土壤中 CO2浓度按季节、天气及剖面深度有显著变
化[18],峰丛洼地坡地土壤( S54泉附近) 0~ 10cm深度内晴
天10小时的 CO2 浓度分别为 4000(春)、23000(夏)、3000
(秋)和1000Ll#L- 1(冬) .根据测定, 1996年各季晴日野外
平均日呼吸排放强度见图 2.按算术平均计,全年平均排
放达 211kgCO2#m- 2#yr- 1,达到呼吸排放量的高限(116~
210kgCO2#m- 2#yr- 1) [15].此值仅为土壤易氧化性碳的 1/
4左右.若以春季晴日12~ 14时排放速率计,则排放总量
可达约 600g#m- 2,也仅占易氧化碳的 60%.因此,岩溶系
统中丰富的化学活泼性SOC可提供土壤向系统外输出的
CO2的来源.
315 岩溶系统中13C分布
13C示踪法被广泛应用于土壤中次生淀积碳酸盐
图 2 各季CO2排放平均强度
Fig. 2 Mean emission intensity in season.
Ñ.春季 Spring,Ò.夏季Summer,Ó.秋季 Autumn.
的来源[20]、土壤沉积环境[7]、土壤环境变迁[5], 以及广泛
地用来研究有机质更新[2, 8]及洞穴化学沉积物的环境指
示[12].迄今尚未有岩溶系统中大气2植物2土壤2岩石2水碳
素转移中的D13C对比资料. 本研究中,共采集了植株、凋
落物、土壤及土壤空气、土壤排放、钙华等样品20个,分别
作13C丰度测定,测得的 D13C j ( PDB)综合列于图 3. 显
然 SOC来源于试验区的 C23 植物, 而土壤 CO2 (土
壤空气及排放 CO2 )则来源于 SOC分解. 并且, 岩溶
水、钙华的 HCO3- 的 D13C j ( PDB) 落于土壤发生性
碳酸 盐范围[16] . 由于有机 物的分解及 土2气 交
换 , 由植株到岩溶水的C素转移以趋向于重碳为特
711期 潘根兴等:湿润亚热带峰丛洼地岩溶土壤系统中碳分布及其转移
图 3 岩溶系统各碳库的13C丰度分布
Fig. 3 Abundance of of the carbon pools in the karst soil system.
征.岩溶表生泉 HCO32C富集13C在 1 j ~ 6 j 间.而春
季与夏季坡地 S54泉土壤空气与岩溶水的 HCO3- 的
D13C j ( PDB)分别是- 18186 j 和- 12168 j 及- 20 j
和- 14107 j .根据与 CO2 气体相平衡的无机碳酸盐D
的13C j ( PDB)值比 CO2 的 D13C j ( PDB)重 10%的一
般结论( DeLaune, 1986) , 在活跃的岩溶作用期间, 岩
溶水 D13C j 比相应土壤空气 D13C j 富 6 j ,即岩溶水
中60% C来自土壤 CO2, 40% C来自母岩. 因此, D13
C j 示踪结果证实了岩溶系统中丰富的土壤易氧化性
及移动性 C对土壤 CO2 的贡献及对岩溶解过程的强
驱动机制[ 18] .
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作者简介 潘根兴,男, 41 岁,博士, 教授,主要从事土壤与地球
表层环境研究,发表论文 60余篇. E2mail: gxpan2@jlonline. com
72 应 用 生 态 学 报 11卷