南京农业大学学报 1999,22(3):49～52JournalofNanjingAgriculturalUniversity
土壤碳作为湿润亚热带表层岩溶作用的动力机制:
系统碳库及碳转移特征*
潘根兴1 曹建华2 何师意2 陶于祥1 孙玉华1 滕永忠1
(1南京农业大学资源与环境科学学院,南京210095;
2
桂林岩溶地质研究所及岩溶动力学开放实验室,桂林541004)
摘要 以桂林丫吉村岩溶实验场为例,分析了表层带岩溶系统中碳库组成,测定了各碳库的碳稳定性同位素丰度,表明土壤碳是系统中最大的碳库,生物的CO2吸收同化与土壤有机质分解导致的土壤CO2释放是系统中主导的碳流通过程,系统活动态碳组分主要由土壤碳贡献,从而揭示了土壤碳对表层岩溶作用的动力机制。关键词 表层岩溶系统;碳库;碳转移;碳稳定性同位素;土壤碳分类号 S153.1
Soilcarbonasdynamicmechanismforepikarstification
inhumidsubtropicalregion:Evidenceofcarbon
reservoirsandtransferinthesystem
PanGenxing,CaoJianhua,HeShiyi,TaoYuxiang,ShunYuhuaandTengYongzhong(CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,NanjingAgricUniv,Nanjing210095;2
KeyLabofKarstDynamics,MinistryofLandandNaturalResources,Guilin541004)
ABSTRACT TakinganexampleofGuilinYajiKarstExperimentSite,carbonreservoirsandtheirstableisotopeabundancewereanalysedoftheepikarstsystem,andCO2concentrationinairofplantsystemanditsrelationtosoilrespirationCO2emmissionweremonitored.Theresultsshowedthatsoilcarbonwasthebiggestcarbonreservoirinthesystem,plantCO2absorptionfromairandsoilCO2respirationemmissionwerethepredominantprocessofcarbonfluxesinthesystem.ThelabilecarbonformsmainlyexpressedasCO2inthesystemwasdominantlyderivedfromsoilcarbon.Consequently,thedynamicmechanismofsoilcarbonforepikarstsysteminhumidsubtropicalkarstregionwasrevealled.Keywords carbonreservoir;carbonstableisotope;carbontransfer;epikarstsystem;soilcarbon
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岩溶作用是与地球陆地碳循环有关的重要的地球表生作用。在地球表层生态系统的影响下,岩溶作用对全球第四纪尤其是全新世晚期碳循环表现出灵敏的响应有密切的关系
[3～5]
[1,2]
。已有的研究提出岩溶作用与土壤CO2
13
。笔者试图从表层生态系统碳库及其由系统空气CO2动态及C稳定性同位素丰度所指
示的碳转移特征的分析出发,阐明其土壤碳对于表层带岩溶作用的动力学驱动意义。
1 实验分析及其方法
研究区距桂林市东南8km,是一个典型岩溶峰丛洼地,为国土资源部岩溶地质研究所长期定位观测
的丫吉村岩溶实验场,母岩为泥盆系融县组灰岩(D3r),植被为石灰岩山地灌丛,覆盖度50%左右,植被层平均高度1.2m。选择由植被—土壤—岩溶泉—钙华构成的典型表层岩溶系统样块(图1),于1995～1997年间多次实地采集(或收集)植被、凋落物、土壤、土壤空气、土壤呼吸、土壤水、岩溶泉、钙
[6]
华等样品,作实验室碳分析及碳稳定性同位素测定。土壤及水中碳组分测定按《土壤理化分析法》进行,土壤空气CO2浓度用日本产GASTEC仪在野外就地进行,土壤呼吸测定采用Anderson[7]吸收阱法。碳
*国家自然科学基金资助项目(49272141)和岩溶动力学开放实验室资助项目。
收稿日期:1998-11-23
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稳定性同位素测定采用英国产MS902质谱仪在桂林岩溶研究所同位素实验室进行。并在夏季岩溶作用活跃季节用CO2红外吸收测定仪就地测定土壤呼吸与植被系统CO2浓度。
2 结果和讨论
2.1 表层带岩溶系统碳库
生态系统碳库由活动的和相对稳定的两部分构成。岩石碳库巨大但相对稳定,大气碳库为活跃运动态,但其CO2浓度也相对稳定。而活动态碳则是植物碳、土壤有机质碳、土壤及近地表空气碳、土壤水及岩溶泉碳。该实验场系统中各碳库的测定结果列于表1。
由此可见,表层岩溶系统中碳输入库为大气降
-
图1 表层岩溶系统示意图
Fig.1 Sketchdiagramoftheepikarstsystem
水、植物生长对大气CO2的吸收、岩溶作用对岩石的溶解。而输出为土壤呼吸排放,岩溶水HCO3的排出。总输入碳(C)达4.8t/a,其中大气降水与岩石溶解的碳(C)均只有0.2t/(hm2·a)。观测到输出的碳达5.2t/(hm·a),而岩溶水排碳作用仅占总输出的15%左右。因此,尽管岩溶作用相当活跃,但系统中碳运移与循环仍以与生物活动密切相关的CO2同化吸收和土壤有机质的分解及其CO2呼吸排放占主导地位。也就是说,尽管岩溶作用是一种自然界无机化学作用,但即使是桂林这样的活跃的亚热带湿润岩溶系统,碳的分布与转移及循环仍以生物活动为纽带的土壤碳转化为中心。土壤有机碳积累构成系统中最大的碳库,土壤呼吸排碳表现为该系统中最重要的碳流通途径。而岩溶作用及其对地球表层碳循环的影响是在这种表层生态系统碳转移与循环基础上的表层碳转移作用。
表1 表层岩溶系统碳库及流通量
Table1 Amountsofcarbonreservoirsandfluxesintheepikarstsystem
系统碳库与流通Carbonreservoirorflux场区大气(平均浓度)Freeaironsite大气降水Precipitation生物量(夏季)
Biomassinsummer生物量(秋季)
Biomassinautumn凋落物Litter土壤有机碳Soilorganiccarbon土壤空气中CO2Soilair土壤呼吸排放
Soilrespirationemission岩溶泉排出
Lay-outbykarstspring岩石溶解Rockdissolution
含量Content
CO2 380～400LL/L
C 2.4mg/L
C 356.0mg/g
C 443.0mg/g
C 345.6mg/g
C 16.11mg/g
C 12×103LL/L
CO2 188.8mg/(m·h)C 60mg/L
C 119.5mg/g
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库量或流通量Amountorrate
备注Remarks
1995～1997年各季现场测定平均值Meanofseasonalmeasurements
C 0.20t/(hm·a)
C 21.6t/(hm·a)
C 17.2t/(hm·a)
C 2.20t/(hm·a)
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C 202.0t/(hm·a)
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32年平均(prennialmean)1915mm
1995～1997年实物采集法平均值Meanofon-sitemeasurement实物采集法平均值
Meanofon-sitemeasurement实物采集法平均值
Meanofon-sitemeasurement精密剖面深度平均值Meanofprofilesbysampling
1995～1997年各季CO2观测平均值Meanofseasonalin-situmeasurements1995～1997年各季排放测定平均值Meanofseasonalin-situmeasurements水化学监测平均值
Meanofin-situmonitoring溶蚀速率平均值(1.86mg/cm2·a)Meanbyexperiment
depth-precision
CO2 25×10L/hm
C 4.5t/(hm2·a)
C 0.7t/(hm2·a)
2
C 0.2t/(hm·a)
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第3期潘根兴等:土壤碳作为湿润亚热带表层岩溶作用的动力机制:系统碳库及碳转移特征
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2.2 近地表植被系统CO2浓度日动态及其与土壤呼吸的关系
岩溶作用首先涉及空气CO2的作用,以往文献上以自由大气CO2浓度来讨论空气CO2对岩溶作用的驱动[8],对表层带岩溶系统的空气CO2动态研究甚少。笔者对1997年夏季晴日下近地表植被系统空气CO2浓度日动态及土壤呼吸日动态的测定结果列于图2和图3。可见,植被系统中空气CO2变动于410～620LL/L,这高于自由大气60～170LL/L,系统CO2浓度提高了15%～45%。并且其浓度在午夜达到最高值,而在早晨6时为最低值,与土壤呼吸CO2释放动态吻合。这揭示了是土壤-植被系统CO2而不是自由大气CO2驱动着表层带岩溶作用,土壤呼吸CO2释放促进着这种驱动作用。
图2 近地表植被系统空气CO2浓度日动态
(1997年7月)
Fig.2 DailydynamicsofairCO2concentration
inthesystem(July,1997)
图3 土壤呼吸CO2释放日动态
(1997年7月)
Fig.3 Dailydynamicsofsoilrespiration
emissionofCO2(July,1997)
2.3 表层岩溶生态系统碳库的稳定性同位素分析
笔者已发表了不同岩溶动力系统中13C同位素分析报告,根据同位素分馏原理提出了岩溶系统输出碳与其驱动力的关系[9]。对1995～1997年间采集的各库样品作13C同位素测定结果综合示于图4。可
13以看出:(1)C-3植物灌丛鲜体植物组织的DC‰
(PDB)为-28‰～-32‰,由于分解作用及相应的CO2逸出,在其进入土壤的进程中,各库不断富集重碳,土壤空气DC‰(PDB)为-22‰～-28‰,土
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壤水HCO-3的DC‰(PDB)-16‰～-19‰,揭示出生物作用为纽带的土壤过程对系统中碳转移的支配作用。(2)植被系统中空气CO2的DC‰(PDB)介于土壤空气与场区大气之间,而场区大气
13
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图4 表层带岩溶系统中各碳库13C丰度分布Fig.4 13Cabundanceofthecarbonreservoirs
intheepikarstsystem
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CO2的DC‰(PDB)为-15‰～-16‰,而不是文
献上报道的-7‰～-8‰[10,11]。根据同位素平衡原理,来源于土壤排放碳的百分率可由下式计算:131313
%+D%)DC‰(PDB)(系统空气)=DC‰(PDB)(土壤释放)×C‰(PDB)(大气)×(1-
对不同时间样品的结果计算表明,土壤释放碳在系统空气中占60%左右,这进一步支持了上述的结果,说
明近地表空气受到大气—土壤间CO2组分的交换与循环的强烈影响。因此驱动表层岩溶作用的CO2并非直接大气,而主要是表层生态系统中土壤碳。(3)岩溶泉及土壤无机碳的DC‰(PDB)介于-13‰～-16‰,重于土壤空气9‰～12‰,表层泉口钙华的DC‰(PDB)为-9.64‰,而场区灰岩的DC‰(PDB)为0.5‰。对同位素平衡的计算,同样得到岩溶泉碳67%来自土壤空气碳。这证实了土壤无机碳
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及岩溶输出碳并不是主要来自母岩[4],而是来自生态系统中土壤碳。这也为上节的碳库研究结果所支持。
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3 结 论
以上的研究结果证明湿润亚热带岩溶系统中碳库以植被和土壤碳库占优势,系统碳流通与循环以生态系统过程和生物作用影响下的植物碳吸收和土壤碳释放为主导,系统碳转移过程受到土壤碳的支配与控制。因此,土壤碳成为驱动和制约表层带岩溶系统碳转移的动力学机制。对于岩溶系统与碳循环的机理及其响应大气圈CO2变化的环境效应还需进一步作不同生态系统土壤碳转移及其动态的比较研究。
参 考 文 献
1 袁道先.现代岩溶学与全球变化研究.地学前沿,1997,4(1-2):10～24
2 BrownM.ExamplesofrecentIGCPresearch:Introduction.Nature&Resources,1994,30(3-4):8～273 徐胜友,袁道先.岩溶与人类生存·环境·资源·灾害.桂林:广西师范大学出版社,1996.82～90
4 PanGenxing,TaoYuxiang,ShunYuhua,etal.Somefeaturesofcarboncyclinginkarstsystemandtheimplicationforepikarstification.JChinGeog,1997,7(3):48～575 PanGenxing,TaoYuxiang,TengYongzhong,etal.Influenceofpedo-chemicalfieldonepi-karstificationinsubtropical
humidregion.ActaCarsologica,1998,27(1):175～186
6 中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析.上海:上海科学技术出版社,1981.132～135
7 AndersonJPE.SoilRespiration.In:Pech,etaleds.SoilAnalysis(PartÊ).Madison:SoilScienceSocietyofAmericaInc,1982.536～551
8 袁道先.中国岩溶学.北京:地质出版社,1993.23～30
9 刘再华,袁道先,何师意.不同岩溶动力系统的碳稳定性同位素和地球化学特征及其意义.地质学报,1997,71(3):
281～287
13
10DelauneLR.TheuseofDCsignatureofC-3CandC-4plantsindeterminingpastdepositionalenvironmentsinrapidly
acceretingmarshesofMississippiRiverdeltaicplain.ChemicalGeology,1986,59(2):315～320
1313
11李彬.洞穴化学沉积物中DC、DO对环境变迁的指示意义.中国岩溶,1994,13(1):17～30
(责任编辑 张耀栋 是雅蓓)
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