巖溶試片的巖性差異對估算巖溶速率和碳通量的影響

張小琴 ，羅維均 ，王彥偉 ，蔡先立 ,3，呂伊娜 ，王世杰

（1. 中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室, 貴州 貴陽 550081；2. 中國科學院大學,北京 100049；3. 中國科學院普定喀斯特生態系統觀測研究站, 貴州 普定 562100；4. 貴州省高校鄉村振興研究中心, 貴州 安順561000）

0 引 言

自工業革命以來，化石燃料燃燒及土地利用變化等人類活動使得大氣中CO2濃度劇增，從1750 年的277 ×10-6上升到2021 年的416.87×10-6[1]。人類活動的碳排放40%直接增加了大氣中的CO2濃度，30%被海洋所吸收，還有10%左右的剩余部分被稱為遺失碳匯，可能分布在陸地生態系統中[2-3]。而陸地生態系統組成十分復雜，確定具體的碳匯分布難度較大，特別是在喀斯特地區，地表的二維三元結構使得碳循環路徑更多、過程更為復雜，碳循環的研究需考慮水-巖-土-氣-生5 個子系統[4]。近來的很多研究表明，碳酸鹽巖的化學風化過程將在短期和長期產生碳匯[5-6]。20 世紀90 年代，科學家利用石灰巖溶蝕試片法、水化學法和擴散邊界層理論估算出全球范圍內巖溶作用每年的碳回收量為0.22～0.608 Pg C，約占未知碳匯的1/3[7]。隨著研究的加深，發現碳酸鹽巖溶解的無機碳可在水循環的參與下與水生生物光合作用產生聯系[7-9]，并且得出該過程的碳匯強度為0.5 Pg C·a-1，約占陸地遺漏碳匯的50%[10]。這些研究為全球碳循環研究提供了理論補充，表明對巖溶碳通量的研究不容忽視[11-12]。在定量評估巖溶作用速率及其碳匯強度的研究中，標準溶蝕試片法是最簡單且常用的。在中國，標準溶蝕試片為采自桂林泥盆系融縣組純的石灰巖，經加工制成標準尺寸的巖石試片（圓餅形，直徑40 mm，厚3 mm），將其放置于空氣中、土壤表面或地下不同深度（-5 cm、-20 cm、-50 cm），一定時間內取回稱重計算其溶蝕量[13]，并采用以點帶面的方式，直接計算區域內的溶蝕速率，從而簡化了因碳酸鹽巖種類太多帶來的復雜計算[14]。自20 世紀90 年代，學者通過埋放標準溶蝕試片進行溶蝕實驗，研究土壤水、CO2、有機質、微生物等環境因素對碳酸鹽巖溶蝕速率的影響[15-19]，并估算區域內巖溶碳匯強度[20-23]。但是，由于喀斯特地區地質背景具有高度的異質性，如果均使用標準溶蝕試片（取自桂林泥盆系的石灰巖）來研究巖溶碳匯效應，會產生較大的誤差[24-25]?；诖?，本文以中國貴州省普定縣為研究區，選擇當地基巖（石灰巖與白云巖）制成與標準試片形狀和大小相同的試片，并參考標準試片的野外試驗方法進行埋設，經過四個水文年的試片收集和稱重，對該區不同土地利用類型的巖溶作用速率及巖溶碳匯強度進行估算，通過與標準溶蝕試片的相關研究進行對比分析，并探討差異形成原因，為準確估算喀斯特地區的碳匯量提供科學依據。

1 研究區概況

普 定 縣 位 于 貴 州 省 中 偏 西 部（105°27'49″E～105°58'51″E，26° 26' 36″ N～26° 31' 42″ N），海拔1 100～1 600 m。屬于亞熱帶季風濕潤氣候。試驗期間年均氣溫16.1 ℃，日最高溫度29 ℃，最低溫度-0.4 ℃，年平均降水量在1 079.3 到1 457.7 mm。普定縣為高原丘陵、山地地形，縣域地勢為中間低南北高，主要為峰叢、溶洞、暗河、洼地等喀斯特地貌?？h域碳酸鹽巖地層出露面積約占總面積的84.27%，主要為石炭系、二疊系、三疊系，其中以三疊系出露面積最大，約占60.7%。全縣土壤種類較多，主要為石灰土、黃壤、水稻土、山地黃棕壤、山地灌叢草甸土等，其中，石灰土占比最大，約為63.7%。普定縣境內代表性植被為常綠櫟林、常綠落葉混交林和馬尾松林，灌叢和草地主要為藤刺灌叢、火棘、白茅、青蒿等植物[26]。

研究區位于普定縣馬官鎮北部的天龍山（26°14'40″N，105°45'45″E）和白巖鎮東部的講義村（26°15′57″N，105°50′26″E）（圖1）。天龍山區域為喀斯特峰叢洼地地貌，基巖為三疊系關嶺組中段（T2g2），巖性主要是薄層至中厚灰巖、泥灰巖[27]，土壤類型為黑色石灰土，土層較薄，地面平均巖石裸露率為44.7%，土被不連續[28]，山體陡峭，森林植被保存較好，主要以圓果化香樹、云南鼠刺、窄葉石櫟為優勢種的常綠落葉闊葉混交林[29]；農田以水田和旱地為主，主要種植水稻、玉米和油菜。講義村區域的基巖為三疊系關嶺組上段（T2g3），巖性主要為紫紅色微晶白云巖[27]，土壤類型為黑色石灰土，土被不連續，土層厚度在10～50 cm。次生林地以欏木石楠為優勢種的常綠落葉混交林，山體草甸主要的植物為白茅，水田交替種植水稻和油菜，旱地種植玉米和蔬菜。

2 研究方法

將研究區的基巖加工制成標準尺寸的溶蝕試片，選取典型的土地利用類型（次生林地、灌叢、草地、旱地、水田），每個土地利用類型設置一個埋放點，埋放深度為地下5 cm、20 cm、50 cm，每層埋放4 組試片，每組為一片白云巖（講義村基巖）和一片石灰巖（天龍山基巖）。試片于2016 年12 月進行埋放，后期每年取出一組測定其溶蝕量。埋放點概況如表1，土壤剖面如圖2 和圖3。

表1 不同土地利用類型埋放點概況Table 1 Overview of buried sites of different land use types

每片試片埋放前用純凈水洗凈并烘干，稱重兩次取平均值，記錄下初始重量W1；埋放后取出時再用純凈水洗凈，放入105 ℃的烘箱烘干24 h，再次稱重兩次取平均值W2。稱重精度為0.01 mg。計算試片日均溶蝕速率[13,30]：

式中：ER為日均單位面積溶蝕量，即溶蝕速率(mg·m-2·d-1)；W1為試片初始重量(mg)；W2為試片埋放后重量(mg)；T為埋放天數(d)；S為試片表面積(約28. 91 cm2)。采用以下公式計算兩地不同土地利用下的巖溶碳匯強度：

公式（2）為天龍山（石灰巖區）巖溶碳匯強度計算公式，公式（3）為講義（白云巖區）巖溶碳匯強度計算公式。式中，F為碳匯強度，單位是tCO2·km-2·a-1；ER為巖石試片的日單位面積溶蝕量，單位是mg·m-2·d-1；R為 巖 石 試 片 的 碳 酸 鹽 巖 純 度；M1為CO2的分子量44；M2為石灰巖試片巖石成分CaCO3的分子量100 或白云巖試片巖石成分CaMg (CO3)2的分子量184。

3 結 果

3.1 不同土地利用類型及不同層位的溶蝕速率

將天龍山和講義村兩埋放地4 年內回收的全部試片計算日均溶蝕速率，并取平均值得到表2。

從表2 可以得出不同土地利用類型不同層位試片的溶蝕速率特征如下：

表2 不同土地利用下不同深度的試片日均溶蝕速率Table 2 Daily average dissolution rate of rock tablets at different soil depths under different land uses

（1）不同土地利用類型地下0～50 cm 范圍內，天龍山石灰巖試片的平均溶蝕速率為水田(138.85 mg·m-2·d-1)＞旱 地(136.60 mg·m-2·d-1)＞次 生 林(49.19 mg·m-2·d-1)，白云巖試片的溶蝕速率為旱地(110.79 mg·m-2·d-1)＞水 田(102.70 mg·m-2·d-1)＞灌 叢(66.83 mg·m-2·d-1)＞次生林(25.36 mg·m-2·d-1)?？傮w來看，天龍山兩種巖性試片的溶蝕速率都表現為水田和旱地的溶蝕速率最大，次生林的溶蝕速率最小。講義村兩種巖性試片的溶蝕速率表現為水田＞旱地＞草地＞次生林＞灌叢，但不同土地利用類型的溶蝕速率差異較明顯。

（2）相同土地利用類型、不同層位二種試片的溶蝕速率差異較大，規律不一。具體表現為：在天龍山，不同埋放深度下，埋放在次生林和水田的石灰巖和白云巖試片都表現為地下5 cm 處溶蝕速率最大，地下20 cm 次之，地下50 cm 處最??；埋放在旱地的石灰巖和白云巖試片則表現為地下20 cm 處溶蝕速率最大，地下50 cm 處次之，最小為地下5 cm處。其中，石灰巖和白云巖試片溶蝕速率最大值都出現在水田地下5 cm 處，分別為186.99 mg·m-2·d-1和144.75 mg·m-2·d-1，最小值出現在次生林地下50 cm處，分別為8.73 mg·m-2·d-1和3.95 mg·m-2·d-1。在講義村各埋試點，埋放在灌叢和草地的石灰巖和白云巖試片的溶蝕速率都呈現出隨埋深增加逐漸減小的趨勢；而埋放在水田中的兩種試片的溶蝕速率都表現出隨埋深增加逐漸增大；旱地里兩種試片的溶蝕速率在地下20 cm 處最大，地下50 cm 處次之，地下5 cm 處最??；埋放在次生林中石灰巖和白云巖試片的溶蝕速率與埋放深度的關系不大。在講義村，兩種試片的溶蝕速率最大出現在水田地下50 cm 處，最小出現在灌叢的地下50 cm 處。

（3）天龍山和講義村各土地利用類型及各埋放深度，都表現出石灰巖試片的溶蝕速率比白云巖試片的溶蝕速率高。天龍山次生林地下5 cm 處石灰巖試片比白云巖試片溶蝕速率大65 mg·m-2·d-1左右，埋深在地下20 cm 和50 cm 處兩種試片的溶蝕速率差異不大；在灌叢中，地下5 cm 處石灰巖試片比白云巖試片溶蝕速率大36.78 mg·m-2·d-1；在水田和旱地中，兩種試片的溶蝕速率差異較穩定，在25～45 mg·m-2·d-1之間。在講義村，埋在旱地土壤下20 cm處石灰巖試片溶蝕速率比白云巖試片溶蝕速率大47 mg·m-2·d-1左右，除此之外，其他土地利用類型石灰巖和白云巖試片的溶蝕速率差異都穩定在10 ～30 mg·m-2·d-1之間。

3.2 環境條件對不同巖性試片溶蝕速率的調控作用

3.2.1 石灰巖與白云巖溶蝕速率關系

對研究區4 年內所有的白云巖與石灰巖試片的日均溶蝕速率進行相關性分析（圖4）發現，絕大部分的點分布在y=x線上方，K＞1（K=石灰巖溶蝕速率/白云巖溶蝕速率），即石灰巖試片的溶蝕速率整體大于白云巖試片的溶蝕速率，統計分析結果得出，石灰巖溶蝕速率比白云巖溶蝕速率大14%左右，相關性系數為0.85。

3.2.2 土地利用類型與溶蝕速率的關系

將4 年內的試片日均溶蝕速率的平均值（表2）按土地利用類型進行劃分，對3 個土壤深度下石灰巖與白云巖試片的溶蝕速率進行相關性分析（圖5），在石灰巖溶蝕速率大于白云巖溶蝕速率的基礎上（K＞1），同一土地利用類型的3 個埋放深度的K 值不一致，即3 個埋放深度的石灰巖與白云巖溶蝕速率差異程度不同，3 個點趨勢線的斜率越接近1，說明該土地利用類型下3 個埋放深度對石灰巖與白云巖溶蝕速率差異的影響越小。天龍山的次生林、旱地和水田3 個埋放點趨勢線的斜率分別為2.28、1.01 和1.08，講義村的旱地、次生林、草地、灌叢、水田3 個埋放點趨勢線的斜率分別為2.11、1.78、1.31、1.14、0.80。

3.2.3 土壤埋放深度與溶蝕速率的關系

同理，將4 年內的試片日均溶蝕速率的平均值（表2）按埋放深度進行分類，對研究區全部土地利用類型的石灰巖與白云巖試片的溶蝕速率進行相關性分析（圖6），在石灰巖溶蝕速率大于白云巖溶蝕速率的基礎上（K＞1），同一埋放深度下，不同土地利用類型的K 值不一致，埋放點趨勢線斜率越接近1，說明研究區內不同土地利用類型對石灰巖與白云巖溶蝕速率的影響越小。天龍山的土壤下5 cm、20 cm、50 cm處埋放點趨勢線的斜率分別為0.84、1.24、1.11，講義村的土壤下5 cm、20 cm、50 cm 處埋放點趨勢線的斜率分別為1.20、1.30、1.08。

3.3 巖溶碳匯強度估算

3.3.1 埋放地的巖溶碳匯強度

本研究在天龍山和講義村均使用了石灰巖和白云巖兩種巖性試片，天龍山基巖為石灰巖，講義村基巖為白云巖，根據天龍山各土地利用類型下的石灰巖試片的平均溶蝕速率及其主要化學成分（表3），由公式（2）計算出天龍山不同土地利用類型的巖溶碳匯強度。同理，由公式（3）計算出講義村不同土地利用類型的巖溶碳匯強度（表4）。

表3 不同巖石試片主要化學成分Table 3 Main chemical components of different rock tablets

表4 不同土地利用類型地下平均巖溶碳匯強度Table 4 Average karst carbon sink intensity under different land use types

3.3.2 不同巖性試片碳匯估算對比

本研究中，同一埋放點埋放的兩種巖性試片其溶蝕速率差異顯著，根據公式（2）和（3）計算得出天龍山各土地利用類型地下50 cm 處兩種試片對應的巖溶碳匯強度（表5），次生林、旱地和水田下石灰巖試片的巖溶碳匯強度分別為1.33 tCO2·km-2·a-1、19.93 tCO2·km-2·a-1、10.59 tCO2·km-2·a-1，均大于白云巖試片估算的結果。曾成等[17]在普定縣陳旗村使用標準溶蝕試片（采自廣西桂林七星巖上泥盆統融縣組）的研究結果表明：旱地和水田的地下50 cm 處的巖溶碳匯強度分別為22.49 tCO2·km-2·d-1和13.02 tCO2·km-2·a-1，均高于本研究的石灰巖試片和白云巖試片的估算結果，灌叢的巖溶碳匯為2.60 tCO2·km-2·a-1，比本研究白云巖試片估算的結果低?？梢娫诃h境條件相同時，試片巖性的差異會造成巖溶碳匯強度估算的差異，總體上標準試片法估算的結果較大。

表5 地下50 cm 處不同巖性試片估算的巖溶碳匯強度Table 5 Karst carbon sink intensity at 50 cm underground estimated by different lithology rock tablets

4 討 論

巖溶作用是CO2溶于水形成弱酸溶液溶解可溶性巖石的化學溶蝕過程，因此試片的溶蝕作用強度直接受土壤環境中水份含量和CO2濃度影響。此外，有研究認為試片的溶蝕作用還受到土壤有機質含量、植被狀況以及土壤微生物含量等因素的影響。土壤有機質含量越高時，土壤pH 越低，越容易使試片溶蝕[17]；植物根系分泌的有機酸可降低土壤pH 以及提高土壤碳酸酐酶活性，從而促進巖石化學風化[33]；土壤微生物的活性和多樣性也可加速碳酸鈣類巖石的溶蝕[32]。另外，土壤中的碳酸鹽巖角礫會與降雨后下滲的土壤水發生溶蝕反應，從而削弱了繼續下滲的土壤水的溶蝕能力，使深部的溶蝕試片的溶蝕量減少。本研究中，次生林、灌叢、水田、旱地和草地的土壤水分含量、土壤孔隙度、植被狀況、凋落物含量以及各埋放點土壤的碎石比均存在較大差異（表1），故同一巖性的試片在不同土地利用類型下溶蝕速率差異顯著。

在相同環境條件下，不同巖性巖石的礦物組成和結構決定了自身的溶蝕速率[33]。研究區內的基巖主要由方解石（CaCO3）和白云石（CaMg(CO3)2）兩種礦物組成，兩種礦物晶體結構不同，因此其溶蝕作用也存在一定差異。石灰巖的主要礦物成分為方解石，白云巖則為白云石。在溶蝕過程中，石灰巖沿分散孤立的晶間空隙溶蝕，形成很多溶蝕坑，白云巖則沿節理裂隙進行溶蝕，使裂隙不斷擴大而崩解[34]。一般情況下，碳酸鹽巖類型的溶蝕比為：石灰巖＞云灰巖＞泥質云灰巖＞大理巖＞泥質灰巖＞灰云巖＞泥質灰云巖＞白云巖＞泥質白云巖[35]。本研究中，石灰巖和白云巖試片的主要化學成分如表3，結合曾成等[22]在普定縣使用標準溶蝕試片的試驗結果，將試片的化學成分與其溶蝕速率進行相關性分析，得出在水田和旱地兩種土地利用類型下，巖石溶蝕速率與CaO 含量呈正相關，與MgO 含量呈現負相關，相關性系數均大于0.90（圖7），且水田和旱地的地下試片溶蝕速率受MgO、CaO 含量影響的程度不同，這可能與兩種土地利用類型的土壤環境有關。

不同土地利用類型及不同土壤深度下，石灰巖與白云巖溶蝕速率的比值不同，其原因除與試片巖性有關外，還與試片埋放點的土壤環境有關，是各因素的共同作用的最終結果。同一土地利用類型，在不同深度下，試片的溶蝕速率主要受不同深度土壤環境條件的影響，從圖5 分析得出，在天龍山，地下埋放深度對埋放在水田和旱地的石灰巖與白云巖試片溶蝕速率差異程度的影響較小，對埋放在次生林下的影響相對較大；而在講義村，埋放深度對草地下石灰巖與白云巖試片溶蝕速率差異程度的影響較小，而對旱地和次生林下的試片影響相對較大。同理，在同一區域的相同土壤深度下，受不同土地利用類型的土壤環境條件的影響，石灰巖與白云巖的溶蝕速率差異程度相差較大，從圖6 分析得出，研究區內地下5 cm 和20 cm 處土地利用類型對石灰巖與白云巖溶蝕速率差異程度的影響較大，50 cm 處的最小?？傊?，影響試片溶蝕速率的主要因素是水和CO2的含量及其與巖石的接觸面積，當反應條件已達到充分時，溶蝕速率就主要由巖性來決定。

使用溶蝕試片法估算的巖溶碳匯強度是在已知試片溶蝕速率的基礎上進行的，巖溶碳匯強度與溶蝕速率兩者有一定的正相關性，但相關程度受碳酸鹽巖純度的影響。根據表5 得出在水田和旱地下，標準溶蝕試片法估算的巖溶碳匯強度比本研究采用的石灰巖與白云巖試片估算的巖溶碳匯強度都大，本研究石灰巖試片的巖溶碳匯強度又比白云巖的巖溶碳匯強度大，結合三種試片的化學成分（表3）認為，巖性差異是導致相同土地利用類型下巖溶碳匯強度差異的主要原因。這和黃奇波等[22]在山西呂梁山巖溶流域的研究結果一致，使用當地巖性的試片估算的巖溶碳匯強度(1.738 tCO2·km-2·a-1)明顯低于標準試片的計算結果(1.821 tCO2·km-2·a-1)。而與水化學法相比，多項研究表明，采用溶蝕試片法估算得出的巖溶碳匯強度比采用水化學法計算的結果要低，僅為水化學法計算結果的1/5 到1/6[22,36]，這除了與流域內土壤中存在的原生和次生碳酸鹽有關外，可能還與當地基巖復雜的巖性有關，標準溶蝕試片不能完全代表流域內的基巖，從而造成標準試片法計算的結果偏低。

綜上，巖性及土壤環境條件對試片的溶蝕速率影響較大，當前的研究雖未能將每個因素的影響進行量化，但得出了巖石的溶蝕速率與自身CaO 含量呈一定的正相關關系，雖然在不同環境條件下正相關程度有一定的差異，但總的看來，當基巖CaO 含量相差17%時，其溶蝕速率相差14%，結合基巖的碳酸鹽巖純度可計算巖溶碳匯強度。

5 結 論

（1）使用埋放地的基巖試片估算了研究區不同土地利用類型的溶蝕速率及巖溶碳匯強度，并與前人使用標準溶蝕試片在該區的研究進行對比分析，發現不同土地利用類型、不同埋放深度等條件下，石灰巖試片比白云巖試片巖溶速率大14%，產生原因主要是受溶蝕試片CaO 和MgO 的相對含量控制；

（2）在不同研究區，由于巖性差異，采用標準溶蝕試片估算巖溶碳匯強度會造成結果的高估或低估，而基于埋放地基巖巖性的試片更能準確地代表當地的巖溶速率；

（3）溶蝕試片法與水化學法計算的巖溶碳匯結果往往存在差異，可能與采用的標準試片法巖性與當地基巖巖性不同有關，需要進一步研究確認。