岩溶碳汇效应对植被的响应研究进展.pdf

植被是连接大气、水体、土壤及岩石的纽带,也是影响岩石风化碳汇效应的关键驱动因子之一。研究植被与岩石风化碳汇效应(特别是岩溶碳汇效应)的相互关系能进一步准确估算岩溶作用所产生的碳汇量并为大气C O2减排研究做出重要贡献。本文阐述了植被演替对岩溶碳汇效应影响的研究进展,分析了植被对岩溶碳汇效应的控制机制,并从生物作用、土壤理化性质、气候、径流变化及岩溶地区水文地质结构等方面详细分析了植被对岩溶碳汇控制因子的影响,重点探讨岩溶作用过程中水循环响应受植被影响的情况,最后从岩溶关键带的垂向结构研究、不同降水过程中植被对流域岩溶碳库影响、结构性的小尺度与宏观尺度的水文效应耦合研究、流域尺度植被演替对岩溶碳汇的影响及对人工调控的启示4方面提出未来研究的总体趋势和方向。关键词:碳中和;岩溶碳汇;植被;水循环;岩溶关键带中图分类号:P 6 4 2.2 5;X 1 7 3;X 8 3 1;X 1 6 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-2 3 2 1(2 0 2 3)0 4-0 4 1 8-0 0 1 1于 奭,蒲俊兵,刘 凡,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)4 1 9 h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)0 引言“碳中和”是我国能源资源与生态安全和经济转型的内在需求,相比发达国家,我国实现“碳中和”的年限更短,碳排放下降的斜率更大。因此除了在能源供应和消费端尽可能地使用非碳能源外,努力寻找其他固碳、增汇方式是国家及地方需求热点。在众多潜在渠道中,生态系统碳汇,特别是植被系统碳汇已经获得广大学者的认可1。然而,从关键带理论出发,植被系统碳汇的变化也会导致其生长区地下部分(植被根系、水、土壤、岩石)碳循环过程和碳汇通量发生改变。在流域植被系统碳汇效应的评估中,地下部分碳汇通量,特别是对环境变化敏感的碳酸盐岩风化碳汇(岩溶碳汇)常常被忽略,导致系统整体的碳汇效应评估存在遗漏项,数据存在较多的不足。森林系统可以将大气中部分二氧化碳固定于植被或土壤中从而达到减小大气二氧化碳浓度的目的。最新的研究揭示全球森林碳汇量(以C O2计)为(7.6 4 9)G t/a2。植被的覆盖程度(覆被)可通过人工方式进行调控进而增加生态碳汇量,这也是国内外增汇措施的重要方面,受到学者、政界的高度关注。岩溶地区生态系统服务功能提升的一个重要方面是退化植被的恢复和植被覆盖度的提升,这对于增加区域生态碳汇具有积极的作用。然而,当前的关注重点多集中于陆地生态系统恢复中植被系统和土壤系统的增汇效应及潜力3-6,并没有考虑植被恢复所导致的土壤层中C O2浓度的增加会通过物理、化学及微生物的作用加速水岩相互作用使得碳酸盐岩风化(岩溶溶蚀)能力增强,最终使得其碳汇强度增加的现象7。最新研究表明,碳酸盐岩风化过程可快速地响应地表环境的变化,诸如降雨和水文条件、土地利用方式、植被的覆盖程度、外源酸的输入等8。土地利用方式与覆被影响其碳汇的大小,可通过传统的水化学 径流法对岩石风化碳汇通量进行评估。计算公式可以简单表示为C S F=nQ D I C/A式中:C S F为岩石风化碳汇强度(或碳汇通量);A为流域面积;Q为流量;D I C 为水中溶解无机碳(D I C)的浓度;n为岩石矿物风化系数,对于碳酸盐风化,n=0.5,表示碳酸盐溶解形成的H C O-3中只有一半是大气成因的碳,而对于硅酸盐岩风化,n=1,表示硅酸盐岩风化形成的H C O-3中碳全部来自大气成因的碳(包括土壤C O2)9。从岩溶动力学来看,最常用的碳汇评估方法都离不开水体D I C浓度及径流量,这是驱动岩溶作用的最根本的两个要素。因此,在流域面积、岩性、多年平均降水及气候条件相同的情况下,岩石风化碳汇的强度很大程度上受到土地利用和覆被变化的影响。这是由于岩溶流域的碳汇能力主要取决于流域的水量和溶蚀岩石的C O2来源,二者均与土地覆盖有着密切的关系。绝大多数地表都有土壤的覆盖,而植被的根部能起到涵养水源、增加土壤微生物含量的作用,进而加速土壤有机质的分解并延长水岩相互作用的时间,使得Q及D I C 都有不同程度的变化,进而影响C S F值的大小,这些因素的共同作用使得植被对岩溶地质碳循环过程的影响至关重要,并调控地质碳汇特别是岩溶碳汇的强度。因此,研究植被与岩石风化碳汇效应(特别是岩溶碳汇效应)的相互关系能进一步准确估算岩溶作用碳汇量并为大气C O2减排研究做出重要贡献,也能够为应对全球气候变化的国家战略提供对策和科学依据。1 植被演替对岩溶碳汇效应的影响岩溶生态系统是受诸多因素协调作用形成的复杂陆地生态系统(图1)1 0,因此其岩石风化碳汇强度同样受控于诸多影响因子。土壤水分及C O2浓度、降雨的季节差异、植被特征、地下水运动过程及排泄速率1 0,以及碳酸源至风化界面的地球化学作用路径、速率及酸供应量等共同影响化学反应物的供给和传输,影响到达岩石表面的C O2量和风化产物移离反应场的速率,并最终影响风化速率1 1。而植被作为C O2在大气土壤/岩石最终流域出口这种垂直结构中的主要载体之一,其重要性不言而喻。岩溶动力系统中,植被是连接大气、水体、土壤及岩石的纽带,也是多圈层相互作用的重要载体。由于绝大部分岩溶作用发生在地球浅表层带,因此可用图21 2来表示此过程:(1)植被通过光合作用从大气中吸收C O2;(2)植物体的腐烂分解及土壤中微生物和根系的呼吸作用从土壤中吸收C O2,该过程使得土壤空气的C O2分压大大提高,其中一部分4 2 0 于 奭,蒲俊兵,刘 凡,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)灰色箭头粗细与风化速率受影响的强弱成正比。图1 灰岩土壤界面溶蚀速率影响因素的强弱及路径图(引自文献1 0)F i g.1 M a i n i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f t h e k a r s t i f i c a t i o n p r o c e s s a t t h e l i m e s t o n e-s o i l i n t e r f a c e.A d a p t e d f r o m 1 0.红色方框为植被能够直接或者间接影响水体D I C浓度及径流等的相关驱动因子。图2 水 岩 气 生界面碳循环模式(引自文献1 2)F i g.2 T h e t e r r e s t r i a l c a r b o n c y c l e.A d a p t e d f r o m 1 2.向空气中扩散,参与新一轮循环;(3)降雨通过土壤向地下渗流的过程中,发生C O2溶解作用,使得水体具备一定侵蚀性,随之在与碳酸盐岩地层接触过程中发生岩溶作用;(4)在地下水运动过程中,碳主要以D I C及T O C的形式随着水流转运至河流并最终进入海洋,在运动过程中部分返回大气而部分则转变为惰性有机碳被埋藏,形成稳定碳汇。植被能够直接或者间接影响水体D I C浓度,这个影响过程主要发生在上述前3个阶段,相关驱动因子主要包括生物作用、土壤相关理化性质、岩性、径流强度及气候等要素。这些驱动因子并非独立影响岩溶化学风化过程,而是相互影响相互作用。岩溶区植被顺向演替系列通常为裸岩及稀疏草丛草灌丛灌木丛灌乔常绿落叶阔叶混交林顶级群落1 3。岩溶区植被的进展演替或逆向演替会使得流域岩溶碳汇强度发生较大的改变。通常来说,岩溶区植被的进展演替过程中,随着生物量增加及根部深入土壤,土壤微生物含量增加,加速土壤有机质分解,产生大量C O2并溶解于土壤水中,这使得土壤水的溶蚀能力得以加强,从而土下碳酸盐岩溶蚀能力增强,岩溶碳汇强度增大。广西马山弄拉和重庆金佛山典型岩溶泉域的研究结果表明,不同土地利用方式下的土下溶蚀速率差异较明显,耕地、灌丛、次生林、草地和原始林溶蚀速率平均值分别为于 奭,蒲俊兵,刘 凡,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)4 2 1 h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)4.0 2 t/(k m2a)、7.0 t/(k m2a)、4 0.0 t/(k m2a)、2 0.0 t/(k m2a)和6 3.5 t/(k m2a)。原始林地土下岩溶作用碳汇量是次生林地的3倍,灌丛的9倍,从耕地或灌丛演化到次生林地,由岩溶作用产生的碳汇可提高5.7 1 7.0 2 t/(k m2a),若演化到原始林地则达2 4.8 6 2 6.1 7 t/(k m2a)1 4,这指示植被的进展演替对岩溶碳汇有显著的促进作用。章程等1 5在云南石林世界地质公园选择近原生滇青冈林(密枝林地)、云南松林地(人工辅助恢复林)、荒草地和石漠化地等4种土地利用类型及不同界面开展为期2年的标准溶蚀试片试验研究,发现密枝林土下溶蚀量远远大于其他3种土地利用类型,其土下溶蚀量随土壤深度增大呈现增加的趋势,且增幅相当显著,说明植被的进展演替可极大地促进岩溶作用的进行,提高碳酸盐岩溶蚀速率,增加岩溶碳汇量。周孟霞等1 6则通过不同种植年限人工经济林下土壤岩溶作用强度研究发现,不同种植年限李树人工林土下石灰岩溶蚀量为4 2 1 3 6.3 t/(k m2a),折算成单位面积碳汇量则为5 1 6.4 t/(k m2a),种植年限对土下石灰岩溶蚀速率具有显著影响。在桂林丫吉试验场,得益于自然封育过程中植被的恢复和气温的升高,土壤C O2含量在1 0年间约增加了2 6 6%,进而使地下水的H C O-3浓度显著增加1 7,进一步研究发现,植被的改变导致原有地下水输出的无机碳含量提高了2 7%,造成岩溶碳汇增加的幅度为1 9%2 3%1 8。这些基于野外观测的实际研究说明,岩溶区在地表植被恢复和碳汇增加的过程中,地下也同步发生着类似的增汇过程。相对应地,在植被被破坏或逆向演替过程中,植物根系被破坏,导致土壤的孔隙特别是非毛管孔隙明显减少,使得土壤含水率下降,易引发水土流失,土层减薄。岩溶区土壤的存在,对岩溶作用过程有如下重要贡献:不断提供C O2气体,保持水分,延长水岩相互作用时间;调节水的理化性质,影响岩溶作用强度以及提供“外源”的有机酸,加快岩溶作用进程等1 9。人为干扰下生态系统退化将导致植被群落逆向演替,导致生态系统碳汇量及岩溶碳汇量降低。例如,石漠化就是一个土壤流失导致岩溶碳汇减小的典型现象。石漠化是指水土流失而导致地表土壤损失,基岩裸露,土地丧失农业利用价值和生态环境退化的现象;其减汇原理在于不合理的人类活动使得植被遭受破坏,进而诱发土壤严重流失而引起基岩裸露,大气C O2不能够通过土壤和植被等载体加速岩石风化2 0,最终导致流域岩溶碳汇强度减小。对云南小江流域2 2年来土地利用变化分析得出,林地的地下水岩溶作用形成D I C的比例为4 8.8 4%,高于未利用地的4 7.6 6%,而林地和未利用地转为耕地后,这一比例分别降低8.5 9%和7.8 5%2 1。2 植被对岩溶作用相关控制因素的影响机制2.1 生物作用某些微生物对碳酸盐岩的风化具有促进作用2 2-2 3,并通过生物碳泵效应将岩溶作用中所产生的无机碳转化为内源有机碳2 4,因此岩溶区植被、土壤及水体中生物因素被认为是加速岩溶作用的重要因素之一。例如碳酸酐酶(C a r b o n i c A n h y d r a s e,C A)是一种广泛存在于自然界的金属酶,被证明对碳酸盐岩的溶解具有催化作用2 5。李为等2 6在不同岩溶生态系统的土壤样品中都检测到了C A,且其活性具有明显差异性。植被覆盖度高、群落结构完整的生态系统中土壤C A活性高,同一个生态系统中根际土C A活性较高。土壤微生物碳酸酐酶(C A)活性与土下岩溶作用速率有很好的相关性2 7-2 8。C A能增加C O2-H2O-碳酸盐岩体系对C O2的吸收速率和吸收量,可使灰岩和白云岩的溶解量至少增加1 8.9%和2 2.1%2 9。李强等3 0研究则表明岩溶区植物在水分充足的条件下,根系分泌的C A能催化C O2在水中的溶解,促进石灰岩溶解,加快成土速率,并通过固定根呼吸和土壤微生物分解释放的C O2产生岩溶碳汇效应。除此之外,植被与岩石还能直接相互作用,不仅加速岩石风化并导致碳循环加快,而且植物还能直接从H C O-3获取碳源,开辟新的光合作用及碳循环途径3 1-3 2。最新的研究成果也表明岩溶植被、土壤真菌和细菌中的C A对岩溶动力系统碳循环具有明显的促进作用,其是岩溶碳循环重要的研究内容之一2 7-2 9。在岩溶区水体中C A活性显著高于非岩溶区,且在季节上表现为夏秋高于春季,这导致C A活性和H C O-3浓度、碳汇通量显著正相关3 3。2.2 土壤理化性质岩溶区土壤是岩溶生态系统的载体,其理化性质对岩溶作用速率、碳汇通量等具有显著的影响,且也受到地表植被覆盖度和人类活动的影响。姜鑫4 2 2 于 奭,蒲俊兵,刘 凡,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)等3 4则通过人工神经网络法(a r t i f i c i a l n e u r a l n e t-w o r k s)识别出岩溶地区影响岩石溶蚀速率的主导因子分别是土地利用方式、土壤孔隙度、土壤容重、土壤厚度、土壤质地、土壤含水量、土壤有机碳含量、石砾含量和土壤p H值等。土壤有机质对碳酸盐岩溶蚀与土壤肥力的改善具有明显的促进作用。土壤容重、土壤机械组成和土壤含水量等直接影响到土壤孔隙度与孔隙大小分配、土壤的穿透阻力及土壤水肥气热变化,对土壤物理性质如土壤通气、持水性质和坚实度等产生显著影响,进而加速土壤有机质图3 气候变化及植被恢复对岩石风化过程的复合影响机制(引自文献4 4)F i g.3 C o m b i n e d e f f e c t s o f c l i m a t e c h a n g e a n d v e g e t a t i o n r e s t o r a t i o n o n r o c k w e a t h e r i n g p r o c e s s.A d a p t e d f r o m 4 4.的分解,提高土壤的溶蚀速率3 5。此外,部分颗粒状的碳酸盐矿物或次生碳酸盐岩颗粒增加了比表面积,有更多的空间与水及C O2反应,反应速率大,进一步增强了岩溶作用3 6-3 8。上述土壤理化性质与覆被的类型及种类密切相关。以土壤含水量为例,土壤水分变化不仅会改变土壤通透性、土壤p H值和土壤中可溶性有机质,而且还影响土壤有机质的分解,进而影响微生物的品种产生、数量和生命力3 9,而植被则通过涵养水源(土壤水),加速土壤有机质的分解并延长水岩相互作用的时间,使得土壤及岩石界面岩溶作用更强。由于不同土地利用方式下的岩溶环境和水土资源均存在差异性,因此,开展植被对土壤主要理化性质影响研究及对应土壤深度溶蚀实验对了解碳汇过程调控机制的研究就显得十分重要。2.3 气候岩溶作用能快速地响应外界气候、环境的变化4 0-4 3,而植被会在此过程中形成复合的影响机制(图3)4 4。对于气候水文因素,降雨量直接决定了区域的水文条件,是补充土壤水分的最重要来源,进而直接影响着植被生长和岩石风化的程度。一般而言,湿热的环境既有利于植被的生长,也有利于岩溶作用的加强。在此环境下,植被的生长一方面受根系的呼吸作用影响,生物活动加剧,从而导致土壤C O2增强4 5,另一方面蒸腾作用的加强会使植被根系吸水作用增强,进而使土壤水分聚集,土壤含水率上升,导致土壤水与岩石间接触时间更长,加强岩溶作用。此外,植被根系能够分解腐殖质并分泌有机酸,使得区域的水溶液具有更强的溶蚀性,能够促进岩石化学风化的进一步增强。不仅如此,凋落物覆盖在土壤表面,通过拦截辐射以及使土壤与大气温度隔离,能够产生对土壤保温的效果,进而使得土壤中岩石化学风化过程处于潮湿、温暖的环境,岩石风化过程增强的同时,分解出的矿物质等元素又会被植被吸收,促进植被生长,进而增加植被光合作用产生的碳汇,通过上述的影响机制形成了植被 岩石风化碳汇之间的一种正反馈效应4 4。有研究指出,如果未来全球继续变暖,更高的全球平均温度在低纬度将可能限制碳酸盐风化,对岩溶作用产生负反馈4 6,而Z e n g等4 7在对板寨的降雨、径流和土地覆被对碳酸盐岩风化影响的研究中发现植被在岩溶生态系统中对碳酸盐岩溶蚀起到的促进作用能够抵消温度/气候所起到的负反馈。于 奭,蒲俊兵,刘 凡,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)4 2 3 h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)2.4 径流变化流域水循环通常被认为是岩溶碳汇通量的主控因子4 8。在降水事件中,流量的相对增幅远大于H C O-3 的相对减幅(因稀释效应),流域化学稳定性行为导致岩溶碳汇通量与流量间具有极高的线性相关性4 4,4 9-5 0,这种现象使得利用低频率测定的碳酸氢根及钙、镁离子浓度与高频率监测的流量数据便可估算典型岩溶流域的岩溶碳汇通量及化学剥蚀速率5 1。然而,地表覆被变化能够明显地改造地表条件而使得地表的水文过程也发生相应的变化,如对蒸散发、土壤湿度和土壤入渗率等的影响,进而制约流域地表/地下水的产出。K a n g等5 2在贵州荔波原始森林中的研究发现,森林植被通过蒸腾作用在林区激发二次降水使林区降水量明显增大并能对强降水产生截流消洪作用,有效增强岩溶作用和岩溶碳汇量。虽然森林植被对水文过程的影响较为显著,然而森林对流域水循环特别是径流的影响存在不同地域不同时段所得的结果大相径庭5 3甚至相悖的情况5 4-5 5。通常情况下,森林覆盖度降低会导致蒸发散降低,从而减弱植冠层的蒸腾作用,使收入的水分增大,增加了产流量;而在长江流域则出现相反的现象,石培礼和李文华5 3分析认为长江流域山高谷深,气候湿润,蒸发力与实际蒸发量接近,在气候和地貌综合影响下,植被对水文过程的影响并非唯一重要因素。综上,虽然径流是岩溶碳汇评价中最重要的因素之一,但是由于岩溶过程中还涉及碳元素不同界面的迁移过程,因此植被变化引起的径流改变对岩溶碳汇的影响存在很大的不确定性7。同时,虽然在岩溶地区可以通过人为措施改变土地利用方式使其正向变化能增加植被、土壤及岩溶碳汇已有定论1 2,5 6,但植被的林冠层对降雨的初次分配作用及植被的地被物层对降水的再分配受到降雨强度、植被种类、土壤厚度等多方面的影响,因此这种降水地表径流壤中流地下径流垂直型小尺度植被水文效应与宏观尺度的水文效应及碳元素在各圈层的耦合依然值得深入研究。2.5 岩溶地区水文地质结构在中国西南岩溶地区,表层岩溶带普遍较为发育,特别是裸露型岩溶峰丛山区的岩溶含水系统,表层岩溶带具有明显的水文调蓄功能5 7。表层岩溶带是地表强烈岩溶风化过程的产物,岩溶风化剥蚀长期作用形成了丰富的空间可以保持水土,促进生物繁育,影响降雨入渗、植被蒸散发、产流等多个过程5 8-5 9。这就导致了西南岩溶地区岩溶碳汇强度受水文地质结构影响明显。首先,植被分解产生的有机酸可造成根部周围的低p H值微环境,从而导致表层岩溶带局部化学风化速率增大,形成更为破碎和富水的区域6 0。另外,树木的根系通过岩溶裂隙延伸到表层岩溶带中,根劈作用会增加表层岩溶带中局部裂隙的发育程度,进而加速岩溶作用发生。其次,大量的植被凋落物也会改变地表粗糙度进而影响地表产流系数,改变表层带的入渗补给量和调蓄过程。这就使得不同的降水 水文过程中水体会在根系 土壤 岩溶裂隙界面形成局部聚集,局部的水循环周期可能会被改变,表层岩溶带储水量增加,调蓄能力增强4 5,水岩相互作用更加充分。最后,植被还会通过冠层截留和穿透雨影响降雨的模式,形成以根部和大孔径为主的快速入渗的树干径流和缓慢入渗的穿透雨6 1。林下降雨模式的出现同样会影响表层岩溶带径流产生的降雨强度和降雨量阈值。3 植被影响岩溶碳汇对水循环的响应从上文可知,无论是生物作用、土壤理化性质、气候都以植被为纽带,同与水循环相关的岩溶作用密切联系,加之碳汇通量的经典计算方法中,土壤的异质性导致小区域埋放试片的代表性较差,通常需要大规模埋放试片确保其具有代表性,因此水化学径流及基于此方法的计量平衡(正演模型及反演模型)法是当前较为主流的评估方法,并值得深入讨论其准确性和精准性。虽然水化学 径流法及其相似算法使用更为普遍,但其也存在一些制约条件,例如:前期需要详细调查和监测以明确流域边界和最终出口及不同降雨导致的地下水流域边界的变化,流域面积过大导致的小气候、土地利用方式多样性,含水层介质的多样性等。为克服上述这些制约条件,有学者提出构建大型模拟试验场用于梳理相关影响要素并定量研究气候变化对水 碳通量的控制作用6 2。然而试验场的研究6 3与传统认识却有较大的差异,即生物量最大的草地,其岩溶作用碳汇强度最小,指示生物量较大的自然覆被(林地、草地)生命活动旺盛,生产力高,使得蒸散强烈,导致更多水4 2 4 于 奭,蒲俊兵,刘 凡,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)的损失6 4,并且其表层植物残体和有机质覆盖较多、土壤上部密度较小等特点截留了更多的降雨并拥有较好的持水能力,这些水分的积累也潜在地导致蒸散加强,最终降低径流的入渗率。研究同时也发现裸岩地的岩溶作用碳汇强度最大,可能原因是:生态状况极差的裸岩地和荒地等土壤上部(或岩石)基本无植被覆盖,其蒸散量远远低于自然植被或农业用地,其径流损失也较小。因此,在考虑生态系统修复时,不仅需要考虑生物量增加带来的增汇效应,还要考虑径流强度降低带来的减汇效应。这种由植被正向演替导致径流强度降低而出现的减汇效应在自然情况下也同样存在。如分析全球5 0 4条流域的观测数据后发现近年来植被的恢复明显造成了径流5 2%的损失6 5,特别是林地的增多对降低流域径流产出的效果最为明显。Z h a n g和S c h i l l i n g6 6对两口观测井1 2 2 d的水位测流数据及覆被对地下水位、土壤水分、蒸散和地下水补给的影响进行了研究,发现植物蒸散发作用降低了土壤水分,从而减少了地下水的补给,最终降低了地下水位。综上,植被正向演替时,水分在土壤中滞留时间变长,植物生长拦截水流及蒸散发作用增强,必然会使流域最终出口流量减少或地下水径流强度减弱,但是在这个过程中,土壤C O2浓度上升及水岩相互作用时间变长导致水中的D I C浓度变大6 7,即此过程中,牺牲了径流深度,提高了D I C浓度。两者在数量级上的差别往往使这种土地利用方式对岩溶碳汇强度的影响评价变得困难。为厘定土地利用/植被变化导致土壤呼吸强度与径流变化对岩溶作用碳汇强度的影响,学者在此方面进行了进一步研究。由于D I C浓度(D I C)和地下水径流(R D)的变化幅度不同,甚至可能存在数量级上的差异,加上无机碳通量(C S F)的计算是乘法,因此利用D I C 和R D变化的绝对值来评估C S F可能的变化趋势是不妥当的。Z e n g等6 8在普定沙湾试验场对不同土地利用方式下的碳酸盐碳风化汇通量进行研究,首次提出土地利用方式对碳汇强度影响指数(L C I C),用于整体评价二者,即土地利用方式改变(植被变化)导致的D I C浓度上升和地下水径流强度下降需要通过明确L C I C后才能用于碳通量评估。如果|L C I C|1,说明土地利用方式的变化导致D I C浓度增大率高于径流强度的减小率,在这种情况下,岩溶碳汇强度增强。但是上述研究还存在以下问题尚未完全解决:首先,岩溶地区植被的正向演替过程较长,有些区域植被恢复过程时间长达几年甚至数十年以上,所有的植被类型发育成熟的监测还需要进一步确认;其次,该研究基于空间尺度较小的模拟试验场进行,在实际流域碳汇评估过程中,诸如气候条件和土地利用复杂性等输入信息的差异并没有很好地被考虑;最后,对不同程度的降水事件对流域岩溶碳库的影响刻画不够细致。综合上述分析发现,自然植被生长对流域径流影响下的岩溶作用碳汇的影响存在很大的不确定性,植被变化如何厘定尚不明确,特别是植被正向演替导致的土壤呼吸强度与径流的变化对岩溶作用碳汇强度影响的贡献率尚不清楚。因此植被的正向演替对岩溶作用所产生的碳汇强度的影响还值得进一步深入研究。4 未来工作展望为进一步揭示植被演替过程中岩溶碳汇效应的演变,未来可针对以下方面开展相关工作。4.1 基于岩溶关键带的垂向结构研究岩溶地下水的迁移一般遵循“大气降水植被土壤岩石(岩溶管道或裂隙)流域出口”的顺序,此过程发生于岩石、水、土壤、大气、生物5圈交汇地带(岩溶关键带,如图4所示)6 9,受岩溶动力作用过程的影响,对环境变化具有较强的敏感性,并调节着岩溶区的自然生境,决定着维持生命的资源供应7 0。因此,从垂直结构性的水文效应及碳元素在各圈层的迁移途径入手,利用植被作为深入耦合水循环和岩溶作用的纽带,更利于刻画植被对岩溶碳汇效应影响的模型。4.2 不同降水过程中植被对流域岩溶碳库影响水循环过程对流域岩溶碳库的影响至关重要,而植被则在