Karst dissolution rates of carbonate rocks in north-south geographical boundary of China—the Qinba Mountain Area
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摘要:
溶蚀速率作为反映岩溶作用强度的一个量化数据，其研究有助于岩溶区生态系统的恢复，对石漠化治理研究也有较为重要的意义。陕西秦巴地区是中国地理上重要的南北分界线，其气候、生态环境与南方存在明显差异，为应对日益严峻的岩溶生态环境退化问题，亟需针对陕西秦巴地区开展岩溶作用的研究。研究选取林地、灌丛、草地三种植被类型，利用标准溶蚀试片法获得溶蚀速率，分析不同植被类型、气候条件对溶蚀速率的影响，以及溶蚀速率与石漠化程度的关系。结果表明：三种植被类型地下平均溶蚀速率表现为林地＞灌丛＞草地的规律。降雨与溶蚀速率有显著的正相关性，相关系数R=0.84，而气温与其相关性不显著。在发育石漠化区域的溶蚀速率对比中，发现人类活动越频繁的地区，溶蚀速率越大，石漠化程度越高。
Abstract:The karst area in the south of China is one of the three major karst distribution areas in the world. But the economic development of the karst mountainous area is severely restricted by the fragility of its environment and unreasonable disturbance of human activities. As quantitative data reflecting the intensity of karstification, karst dissolution rates can be studied to facilitate the restoration of karst ecosystem and control of rocky desertification. Especially in recent years, research on rocky desertification control and ecological restoration in karst areas of Southwest China has been achieved with fruitful results, and hence is widely concerned by many domestic scholars on karst ecological characteristics and vulnerability, rocky desertification control and other issues. The Qinba area of Shaanxi Province is an important dividing line between the north and south of China in a climate of subtropical continental monsoon. It is also known as the "central water tower" and has a large sinkhole group at high latitude. Its special geographical location obviously differentiates the climate and ecological environment between the north and south. At the same time, carbonate rocks are widely exposed in the Qinba area, especially in places such as Zhen'an, Shanyang, etc. Unreasonable human activities have destroyed the karst ecological environment, making rocky desertification prominent. By analyzing dissolution rates from the aspects of vegetation, climate, and human factors, we explore the impact of regional environmental changes on karst formation, which may provide data support for ecological restoration, karst carbon sequestration, and rocky desertification control, and may also fill the gap in the study of karst formation in the Qinba area of Shaanxi Province.
The three representative vegetation types—woodland, shrub and grassland—were selected in field dissolution tests in the study area. In this study, we used standard dissolution specimens (square test pieces with the side length of 4 cm and thickness of 0.3 cm) of crystalline limestone from the Late Triassic Wujiaping Formation (P3w) in Xiaonanhai town, Hanzhong City. Each vegetation type was divided into 5 layers (100 cm in the air, surface, 20 cm under the soil, and 50 cm and 100 cm under the soil). Three standard dissolution test pieces were places in each layer. After a full hydrological year from March 31, 2021 to October 20, 2022, a total of 806 dissolution specimens were retrieved, and the amount and rate of dissolution of each specimen were obtained. The effects of vegetation types, depths, rainfall and temperatures on the karst process and the relationship between karst dissolution rates and degrees of rocky desertification were comprehensively discussed.
The results showed that there were significant differences in subsurface dissolution rates among vegetation types. The average underground dissolution rate of forest land was the highest, followed by that of shrub land. The rate of grassland was the lowest. It was found that the dissolution rate of forest land in the same layer was higher than those of shrub and grassland, and the underground dissolution rate of shrub was higher than that of grassland. The organic carbon contents of different vegetation types and the changes of soil physical and chemical properties by vegetation are the fundamental factors that affect the direction and intensity of the karst process. At the same time, we analyzed the influence of rainfall and temperatures on dissolution rates in different regions. The results showed that there was a significant positive correlation between rainfall and dissolution rates (R=0.84), indicating that rainfall plays a key role in karstification. Rainwater absorbed CO2 from the air during the process of falling to the surface. During infiltrating from the surface to the soil, rainwater combined with CO2 released by plant root respiration and produced by microbial metabolism to form carbonic acid after it absorbed CO2 in the process of falling to the surface. Consequently, the continuous dissolution of carbonate rocks by both surface water and groundwater containing carbonic acid led to the development of rocky desertification. The correlation coefficient between temperatures and corrosion rates is 0.45, which indicates that the temperature is not an important factor affecting the dissolution rate.
The formation of rocky desertification is the result of the joint action of natural factors and human factors, and unreasonable human activities are the main factors. A comparative study on dissolution rates of different degrees of rocky desertification in the Qinba area shows that dissolution rates increase with the increase of rocky desertification degrees as follows, severe rocky desertification>moderate rocky desertification>mild rocky desertification. This phenomenon is more obvious in areas with mild rocky desertification, for example, the dissolution rates of Beiyang Mountain in Zhen'an are three times as much as those of the areas mostly distributed with mild rocky desertification. Besides, the aggravation of rocky desertification is often accompanied by extensive agricultural production patterns and severe ecological environment damage. It can be seen that in densely populated areas of karst mountainous areas, people's transformation of the karst environment is the main reason for the aggravation of rocky desertification, and the higher the dissolution rate is, the higher the degree of rocky desertification becomes.
The study of dissolution rates in the Qinba area of Shaanxi Province shows that with the forward succession of vegetation, dissolution rates of carbonate rocks will increase. Rainfall can promote the dissolution of carbonate rocks, which is one of the important factors affecting karstification. Moreover, rocky desertification is the result of the interaction of carbonate rock dissolution and human disturbance, and human factors play the main role.
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0. 引 言
岩溶地区是我国典型的脆弱生态系统之一[1-3]。特殊的地质背景与较强的降雨环境，使岩溶区碳酸盐岩具有了较强的可溶性[4-5]，促进了溶蚀作用的进行[6]。加之人类活动的干扰、资源的不合理利用、植被的破坏，导致了岩石裸露、土地退化的石漠化现象，造成了生态环境的严重破坏[7-10]，严重制约了岩溶山区的经济发展。
为了更好地修复与重建岩溶区生态系统，前人针对西南地区岩溶作用的影响因素与岩溶发育机理研究开展了大量的工作，如分析不同土地利用方式下土壤理化性质的改变，对岩溶作用影响的强度与差异[11-15]；研究气温、降雨、季节性差异等自然因素对溶蚀速率的影响[16-21]；研究土壤CO2浓度时空变化规律对岩溶发育的驱动作用[16,22-26]。西南地区岩溶发育特征与岩溶作用影响因子的研究已取得了丰硕成果，其中关于植被与溶蚀速率的研究成果也颇多[27-31]。
相比西南地区岩溶作用的研究进程与科研成果，陕西秦巴地区仅在区域构造[32-36]、岩溶地貌[37-38]、水文地质[39-40]、地球化学[41-44]等方面对岩溶区进行了探索，岩溶作用的研究仍处于起步阶段，特别是不同植被条件下，结合气候等自然因素对岩溶作用影响的研究，以及石漠化程度与溶蚀速率的对比研究鲜有报道。陕西秦巴地区地处中国地理南北分界线，因其特殊的地理位置，区内发育纬度最高的天坑群，也造就了南北气候、地形等诸多差异。作为“中央水塔”的秦岭有着调控南北方降水的重要作用，它阻挡了西伯利亚寒潮的向南入侵，北上与南下的大型天气系统在此交锋，秦岭以北是温带季风气候带，气候干旱，年降雨低于800 mm；而秦岭以南则是亚热带季风气候，降雨充沛，年降雨量高于800 mm[45]。为应对日益严峻的岩溶生态环境退化问题，针对陕西秦巴地区岩溶作用的研究至关重要。
岩溶作用往往通过溶蚀速率来定量表示[17]，溶蚀速率能反映不同岩溶环境下岩溶作用的强弱差异，这也为岩溶现象提供了数据支撑。本文借鉴国内相关研究经验，利用标准溶蚀试片法[46]开展碳酸盐岩溶蚀速率试验研究，探讨植被、气候等不同自然因素对溶蚀速率的影响，以及溶蚀速率与石漠化发展的相互作用。
1. 研究区概况
陕西秦巴地区位于陕西省南部（N31°42′~34°45′，E105°29′~111°15′），北靠秦岭、南倚巴山，东西长400~500 km，南北宽180~380 km[47]，地处秦岭—印支褶皱带，曾受到加里东、印支、燕山和喜马拉雅等多次构造运动的塑造，受其构造影响，区内褶皱、断裂发育。由于构造升降运动频繁，又经多次海水浸漫，从前震旦纪至三叠纪中世，各时代都不同程度有碳酸盐岩的沉积[40]，其中以寒武纪和奥陶纪最为发育。
区内山体海拔一般在1 000~3 700 m，最高峰太白山3 767 m，总体山势北陡南缓。秦巴山区属亚热带大陆性季风气候，植物多样性突出，以栓皮栎林和锐齿栎林为该区的优势植被[48]。本区雨量充沛，气体湿润，年均气温12~15 ℃，最冷1月平均气温0~3 ℃，最热7月平均气温24~27.5 ℃，溶蚀试片试验年份（2021—2022年）的年平均降雨量各试验点有所差异，其中石漠化最为严重的镇安、山阳两地年降雨量为882~1 267 mm，安康地区年降雨量约1 042 mm，汉中地区年降雨量约1 136 mm，宝鸡地区年降雨量约745 mm，陕西秦巴地区雨季多出现在4—10月，占该区全年降水量的75%左右[49]。
2. 研究方法
2.1 试片试验
本研究采用标准溶蚀试片法，此方法由袁道先院士在20世纪80年代末引进国内[46]，并在IGCP299项目（1990—1994）中得到广泛引用，其主要目的是对比不同地质、气候和水文条件下岩溶作用的强度及其差异。前人在西南地区用该方法进行了岩溶作用机理分析[11,30,50]、不同岩性试片溶蚀速率的差异对比[51-52]、植被类型对溶蚀速率的影响等研究[53-54]，以及气候条件对溶蚀速率的影响[55-56]，并运用该方法提高了岩溶区碳汇估算的精度以及碳汇/源评估的准确度[57-58]。
为使其结果具有可比性，统一使用取自汉中市南郑区小南海镇晚三叠系吴家坪组（P3w）晶质灰岩磨制标准溶蚀试片（试片为正方形，边长4 cm，厚0.3 cm）。选取林地、草地、灌丛三种典型的植被类型，将试片埋放于有代表性的不同层位（空中100 cm、地表、土下20 cm、土下50 cm、土下100 cm），每种植被类型区每个层面放置3块，放置一个水文年后（2021年3月31日至2022年10月20日），取出烘干称重，通过公式可计算出单位面积年溶蚀量或年绝对溶蚀量[46]。计算公式如下：
ER=(W1−W2)×107/T/S 式中：ER-日单位面积溶蚀量（mg·m−2·d−1）；W1-试片初重（g）；W2-试片称后重量（g）；T-埋放时间（d）；S-试片表面积（约36.8 cm2）。
2.2 试片称量
试片称重在陕西省地质调查实验中心化学分析所进行，主要分为埋前、满1个水文年称重两个阶段，均要求称重前对试片进行4小时干燥处理（满一个水文年试片干燥处理前需进行去离子水清洗），再经过108 ℃、8小时的烘箱烘干，随后取出放置于干燥箱中使其达到常温，按照实验室操作规范在称量间利用电子天平（万分之一天平，称重误差范围小于0.1%）对其进行称重实验。两个阶段各进行2次称量实验，并记录2次称重结果。
称重环节要尽量避免试片长时间暴露在空气中，并对两次试片重量数据认真比对，差值超过允许误差范围内的试片，首先要矫正电子天平，再严格遵循称量操作技术规范，对这类试片进行多次称重测量。
3. 结 果
3.1 溶蚀试片分布
本研究共在陕西秦巴岩溶区埋设47处具有代表性的测试点，其中草地15处、林地15处、灌丛17处（表1），1个水文年后，共获得598个试片溶蚀量数据。
表 1. 陕西秦巴地区溶蚀速率测试点分布情况一览表Table 1. Distribution of dissolution rate test sites in the Qinba area, Shaanxi Province植被类型 镇安 山阳 旬阳 宁强 洛南 南郑 商南 陇县 平利 岚皋 草地 5 2 1 0 3 1 0 2 1 0 灌丛 6 1 2 1 3 0 1 1 1 1 林地 6 3 1 1 1 0 1 1 0 1 | Show Table
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各区县测试点数量差异是岩溶山地土层厚度及人为因素所导致。林地、灌丛多见但各地区土层厚度不同，少数地区土层厚度不能满足埋设条件。而草地在三种植被类型中分布最少，多位于平缓地带的居民活动区域，后期有被破坏的可能性，个别地区未埋设草地类型试验点也是此原因。
岩溶地区岩层由碳酸盐类岩石（灰岩、白云岩）组成，所以溶蚀速率测试点多布置于碳酸盐岩地层出露区。考虑到本区石漠化的强弱差异，岩溶速率测试点的数量布置也有所侧重，镇安−山阳一带石漠化程度较其它地域最为严重，且石漠化分布面积广、程度等级高，溶蚀速率测试点布置也较多。具体的空间分布见图1。
3.2 秦巴地区溶蚀速率
本研究分别在三种不同植被类型条件下，对埋设的标准试片样1个水文年后重量损失进行统计（表2），并通过计算获得了598个单位面积年溶蚀量数据，也就是溶蚀速率。
表 2. 秦巴地区各县区不同层位标准试片重量损失汇总表/gTable 2. Summary of the weight loss of standard test pieces at different strata in different counties of the Qinba area/g埋设层位 镇安 山阳 旬阳 洛南 宁强 陇县 岚皋 商南 平利 空中 0.035 3 0.020 3 0.020 6 0.018 6 0.022 4 0.016 5 0.008 6 0.019 9 0.015 6 地表 0.078 5 0.047 0 0.019 4 0.020 9 0.042 6 0.020 9 0.004 9 0.027 2 0.010 7 地下20 cm 0.149 5 0.113 6 0.059 3 0.031 4 0.122 2 0.003 1 0.090 3 0.026 2 0.039 7 地下50 cm 0.173 5 0.144 9 0.068 6 0.037 0 0.107 6 0.004 9 0.117 6 0.009 2 0.044 3 地下100 cm 0.216 8 0.148 3 0.073 4 0.008 4 0.254 4 0.063 1 0.028 5 0.008 4 0.031 4 平均失重 0.130 7 0.094 8 0.048 3 0.023 3 0.109 8 0.021 7 0.045 0 0.018 2 0.028 3 | Show TableDownLoad:
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从表2可以看出，各地的试片失重量大体上表现为空中到地下依次递增的趋势，其中洛南地区空中到地下50 cm处为递增，但100 cm处失重量均小于其他各层位，商南失重量表现为地上先增大，地下又减少的规律。总体来看空中与地表失重量差异不明显，但空中、地表与地下差异较大。50 cm及以上各层位镇安的试片失重量均为最大，100 cm处宁强最大，各地区试片平均失重量镇安最大为0.130 7 g，是商南县平均失重0.018 2 g的7倍多。
选取了中度−重度石漠化的镇安、轻度−中度石漠化的洛南以及轻度石漠化的旬阳三地，具有代表性的三种植被类型的溶蚀速率各1处（表3）。发现年平均溶蚀量数据差异明显，不同植被类型条件下，空中溶蚀速率以镇安林地1.514 9 mg·cm−2·a−1最大，洛南灌丛0.319 3 mg·cm−2·a−1最小；地表溶蚀速率以镇安灌丛3.463 3 mg·cm−2·a−1最大，旬阳灌丛0.094 7 mg·cm−2·a−1最小；地下20 cm溶蚀速率以镇安灌丛6.131 3 mg·cm−2·a−1最大，洛南灌丛0.047 6 mg·cm−2·a−1最小；地下50 cm溶蚀速率以镇安林地6.391 3 mg·cm−2·a−1最大，洛南灌丛0.025 1 mg·cm−2·a−1最小；地下100 cm溶蚀速率以镇安灌丛10.985 mg·cm−2·a−1最大，洛南灌丛0.114 1 mg·cm−2·a−1最小。
表 3. 镇安、旬阳、洛南三地不同植被类型各层位溶蚀速率统计表Table 3. Dissolution rates of different vegetation types and strata in Zhen'an, Xunyang and Luonan区域 植被类型 层位 W1 W2 1个水文年试片失重/g 年溶蚀速率 /mg∙cm−2·a−1 镇安 Ⅰ 空中 — — — — 地表 11.327 5 11.286 9 0.040 6 1.103 7 地下20 cm 10.990 0 10.793 9 0.196 2 5.330 2 地下50 cm 11.348 5 11.158 7 0.189 8 5.158 3 地下100 cm 11.463 5 11.156 6 0.306 8 8.337 4 镇安 Ⅱ 空中 11.918 9 11.901 4 0.017 5 0.475 1 地表 12.395 0 12.267 6 0.127 5 3.463 3 地下20 cm 11.805 4 11.579 7 0.225 6 6.131 3 地下50 cm 12.005 4 11.822 9 0.182 4 4.957 9 地下100 cm 11.936 9 11.532 7 0.404 3 10.985 1 镇安 Ⅲ 空中 11.686 0 11.630 3 0.055 8 1.514 9 地表 11.672 3 11.614 2 0.058 1 1.579 3 地下20 cm 11.760 1 11.537 6 0.222 5 6.045 3 地下50 cm 12.192 1 11.956 9 0.235 2 6.391 3 地下100 cm 11.963 5 11.655 2 0.308 3 8.378 2 洛南 Ⅰ 空中 — — — — 地表 12.111 1 12.074 0 0.037 1 1.006 8 地下20 cm 12.225 9 12.112 7 0.113 3 3.077 4 地下50 cm 12.051 3 11.852 9 0.198 4 5.391 8 地下100 cm / — — — 洛南 Ⅱ 空中 12.346 2 12.334 5 0.011 7 0.319 3 地表 11.464 8 11.457 3 0.007 5 0.203 8 地下20 cm 11.785 4 11.783 6 0.001 8 0.047 6 地下50 cm 11.574 8 11.573 9 0.000 9 0.025 1 地下100 cm 11.975 4 11.971 2 0.004 2 0.114 1 洛南 Ⅲ 空中 12.255 9 12.240 3 0.015 7 0.425 7 地表 12.590 4 12.563 0 0.027 4 0.744 6 地下20 cm 11.743 5 11.677 8 0.065 7 1.786 0 地下50 cm 11.213 8 11.198 2 0.015 6 0.423 9 地下100 cm 11.650 4 11.640 9 0.009 5 0.259 5 旬阳 Ⅰ 空中 12.376 6 12.360 9 0.015 7 0.426 0 地表 11.238 9 11.196 9 0.042 0 1.142 7 地下20 cm 11.984 1 11.820 1 0.164 1 4.458 8 地下50 cm 12.254 2 12.026 5 0.227 6 6.185 2 地下100 cm 12.364 4 12.141 1 0.223 3 6.067 5 旬阳 Ⅱ 空中 10.771 8 10.750 3 0.021 5 0.584 2 地表 12.138 4 12.134 9 0.003 5 0.094 7 地下20 cm 12.434 9 12.380 7 0.054 1 1.471 0 地下50 cm 12.599 8 12.585 5 0.014 3 0.389 5 地下100 cm 12.296 0 12.262 8 0.033 1 0.900 8 旬阳 Ⅲ 空中 11.930 6 11.915 4 0.015 2 0.413 9 地表 11.804 0 11.784 7 0.019 3 0.524 5 地下20 cm 11.537 9 11.519 9 0.018 0 0.489 8 地下50 cm 12.203 5 12.185 9 0.017 6 0.479 6 地下100 cm 11.535 5 11.502 3 0.033 1 0.900 1 注：①植被类型栏，“Ⅰ”为草地；“Ⅱ” 为灌丛；“Ⅲ”为林地；②“—”为试片丢失无数据。
Note: ①Vegetation type part, "Ⅰ" represents grassland；"Ⅱ" represents brushwood；"Ⅲ" represents forest land；②"—" represents that test pieces are lost, no data.| Show TableDownLoad:
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4. 讨 论
4.1 不同植被类型、层位的溶蚀速率
不同植被类型条件下碳酸盐岩的溶蚀量差异较大[17]，甚至相同植被类型条件下不同深度的溶蚀量也存在较大差异，已有研究表明，植被的正向演替加快了岩溶作用的进行[30]。植被生长过程中分泌的大量有机酸[59]以及呼吸排放的CO2使土壤的PH值降低，从而促进了碳酸盐岩的溶蚀作用[28]。
不同植被类型条件下林地各层的溶蚀速率明显高于灌丛与草地，灌丛与草地的地上溶蚀速率几乎相同，但灌丛地下的溶蚀速率增大趋势明显高于草地（如图2）。三种植被类型以林地100 cm处的溶蚀速率4.517 5 mg·cm−2·a−1最大，灌丛地下20 cm处2.397 6 mg·cm−2·a−1最小，溶蚀速率整体呈现林地＞灌丛＞草地的大致规律，表明了不同植被类型对溶蚀作用强度有较大的影响，罗建[60]等、黄奇波[61]等在西南地区不同植被类型条件下溶蚀速率研究也证实了该结果。
图 2. 不同植被类型条件下溶蚀速率与土壤深度的关系Figure 2. Relationship between dissolution rates and soil depths under different vegetation types从表4可以看出秦巴地区同类型植被条件地下5个层位的溶蚀速率均表现为：空中到地下100 cm溶蚀速率随试片埋藏深度的增加有较明显的变大趋势，其中空中和地表相比变化在2倍范围之内，地下各处相差不超过1倍，但地上与地下的差异较大，地下平均溶蚀速率3.196 0 mg·cm−2·a−1是地表、空中平均溶蚀速率0.972 2 mg·cm−2·a−1的3倍之多，这与刘宏和吴文青[62]在路南石林的结果相似。
表 4. 不同植被类型条件下溶蚀速率/mg·cm−2·a−1Table 4. Dissolution rates under different vegetation types/mg·cm-2·a−1植被类型 空中 地表 地下20 cm 地下50 cm 地下100 cm 地下平均溶蚀速率 草地 0.546 0 1.004 9 2.564 9 2.917 2 2.991 4 2.824 5 灌丛 0.558 3 1.017 4 2.397 6 2.903 9 3.733 8 3.011 8 林地 0.832 2 1.874 1 3.060 4 3.676 9 4.517 5 3.751 6 | Show TableDownLoad:
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但在不同层位的溶蚀速率，北方与西南地区存在两种截然不同的趋势（表5），西南地区岩溶作用均呈现了地下大于地表，而北方则表现为地表大于地下的特征[63]。前人通过研究发现，西南地区降水充沛，雨水下渗强度大，与土壤中CO2结合成碳酸[64]，加快了土下试片的溶蚀作用，故西南地区溶蚀速率地下高于地表，而北方常年相对干旱，降雨量大不如南方各地，雨水向地下渗透能力较弱，导致土壤水的化学溶蚀作用也较弱，而地表试片的溶蚀主要受较强的物理风化作用[65]，故地表的岩溶作用要强于地下。
表 5. 我国南方、北方野外溶蚀试片不用深度溶蚀速率对比表/mg·cm−2·a−1Table 5. Comparison of dissolution rates at different depths of field dissolution test pieces in South and North China/mg·cm-2·a-1| Show TableDownLoad:
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4.2 气候因素对溶蚀速率的影响
溶蚀作用是水吸收了大气或土壤中的CO2形成了碳酸，再与碳酸盐岩发生的化学溶蚀作用[66]。已有研究表明，降雨对岩溶区溶蚀作用的影响最为直接与显著，降雨量越大，溶蚀量越大，即溶蚀速率越大[11,24,46]。
陕西秦巴地区的溶蚀速率远大于北方各省份，弱于降雨更为充沛、气温更高的南方各省份（表6）。其中桂林的溶蚀速率215.56 mg·m−2·d−1较临汾的溶蚀速率19.91 mg·m−2·d−1相差10倍之多，年降雨量最小的平凉、临汾两地也与桂林也相差4.5倍左右，说明降雨对溶蚀速率有显著的影响[60]。图3展示我国10个地区降雨与溶蚀速率具高度正相关关系，相关系数R=0.84（P=0.002，N=10），通过95%的置信度检验，也说明了降雨是影响试片溶蚀速率的重要因子之一。
表 6. 我国各地溶蚀速率与降雨、气温汇总表Table 6. Summary of dissolution rates, rainfall and temperatures in various parts of China| Show TableDownLoad:
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土壤水分是岩溶化学反应的重要条件[69]，水作为岩溶作用过程的重要介质，在土壤表层的下渗的过程中，水流携带较多的CO2，侵蚀能力增强。而土壤温度有利于根系呼吸和微生物代谢排放CO2，进而影响土壤CO2含量。已有实验成果显示[18,70]，雨季与旱季溶蚀速率具有明显的差异，雨季溶蚀速率要大于旱季溶蚀速率[21,61]。只是在不同植被类型条件下，降雨对溶蚀速率的响应强度上有所差别。一方面是由于不同植被土壤水分含量的差异，从草地到灌丛再到林地，随着植被条件的改善，土壤保水能力也随之提高[71-72]；另一方面是与CO2含量有关，雨季条件下温暖湿润的土壤环境有助于植物根系呼吸、微生物的新陈代谢[26]，加速了碳酸盐岩的溶蚀，因此降雨越多会导致溶蚀速率的增大。
有研究表明，随着温度的升高溶蚀速率变大[73-74]，温度的变化与土壤CO2浓度呈正相关[75-76]。在季节上表现为夏秋高，春冬低的特征[77-78]，温度升高不仅使植物的呼吸作用加强，还激发了土壤微生物的活性，加速了CO2的排放[79-80]。但在不同植被覆盖的条件下CO2含量也有较为明显的差异，草地空旷空气流通性好，近地表CO2含量为当地大气的CO2含量，而灌丛、林地的空气流通性较草地逐渐变差，能在局部范围内保持较高的CO2含量[64]，且灌丛与林地植物根系发达，延伸较草地更深，释放CO2更多。但与降雨相比，溶蚀速率与温度的相关系数R=0.45（P=0.19，N=10）（图4），未通过95%的置信度检验，相关性不显著，说明温度不是影响溶蚀速率的主要因素。温度相差1 ℃的汉中与桂林、昆明两地对比，汉中与昆明的溶蚀速率较为接近，但桂林的溶蚀速率却是汉中溶蚀速率的2.6倍，也反应了温度对溶蚀速率的作用不是十分明显[24]。因此，对比降雨和温度两个气候因素对溶蚀速率的影响，我们的研究数据支持降雨是引起南、北方岩溶发育巨大差异的关键因素[81]。
4.3 溶蚀速率与石漠化强度等级关系的探讨
研究区内选取了镇安、山阳、洛南、旬阳、陇县等地试片测试点进行溶蚀速率对比（图5），发现了镇安、山阳两地溶蚀速率变化范围在2~6 mg·cm−2·a−1之间，而旬阳、陇县、洛南区域的溶蚀速率基本都在2 mg·cm−2·a−1以下，且波动较小。镇安、山阳的平均溶蚀速率约3.321 mg·cm−2·a−1，是其他三地平均溶蚀速率0.490 3 mg·cm−2·a−1的约6.7倍。
在野外调查中发现镇安、山阳两地的岩溶石漠化现象较为严重，多处石漠化程度为中度−重度，其中以镇安北阳山的石漠化程度最为严重，且分布范围广。山阳的石漠化程度虽不及镇安，但多数仍为中度，少数重度。而旬阳、陇县、洛南等地的石漠化程度多为轻度，鲜有中度。
同时我们对5个区县的石漠化区域进行了人口密度、社会经济活动、植被演化规律、气候条件等诸多因素的对比，发现石漠化较为严重的区域均存在高强度的人类活动，且水资源缺乏。如石漠化最为严重的镇安北阳山，曾在20世纪60年代有过大规模的散养牲畜，导致山上植被荡然无存，加上人为肆意砍伐林木，导致石漠化现象加剧。石漠化同样严重的山阳县海螺宫村，在过去的几十年里，道路和住宅建设严重破坏了洼地及山体边坡植被，土层较厚的洼地则改造成了耕地。在气候条件基本一致的前提下，其他三地地表水系相对发育，石漠化区域人口密度及人类活动强度都要低于石漠化较严重的镇安、山阳两地。
此外，在镇安、山阳与旬阳、陇县、洛南、岚皋、宁强不同植被类型的溶蚀速率对比实验中发现了石漠化程度高的区域整体的溶蚀速率明显高于石漠化等级较低的地区（图6），且同种植被类型上也是石漠化强度高的地区溶蚀速率高于轻度地区。在以往石漠化碳汇效应的研究中[82-84]，发现了平均溶蚀速率随着石漠化程度的加强而增大[85]，这与秦巴地区溶蚀速率与石漠化程度的关系相呼应。石漠化的演化就是以地被物消失为开始，以自然或人工植被破坏为先导，以土壤侵蚀、地表水流失、碳酸盐岩溶蚀侵蚀为核心，形成石质荒漠的过程[86-87]。理论上溶蚀速率高的地区，在高强度的人类活动持续作用下更有利于石漠化的形成。
5. 结 论
（1）对陕西秦巴地区47处溶蚀速率测试点的分析结果表明：不同植被类型对溶蚀速率影响较大，从空中、地表到地下，溶蚀速率呈递增趋势，地上与地下溶蚀速率均呈现林地＞灌丛＞草地的规律。植被的正向演替过程、碳酸盐岩的溶蚀速率也随之增大；
（2）降雨量与碳酸盐岩的溶蚀强度密切相关，是影响溶蚀速率的重要因子之一，而气温与溶蚀速率的相关性较小。雨期较多的降雨，加之土壤根系呼吸排放的CO2与土壤较高活性的微生物，对碳酸盐岩的溶蚀有促进作用；
（3）由轻度石漠化到重度石漠化，溶蚀速率与溶蚀量也随之相应增大，潜在与轻度差异性不是特别明显，但中度−重度的镇安北阳山溶蚀速率是区内轻度−中度石漠化溶蚀速率的3倍左右。石漠化的形成与碳酸盐岩的溶蚀、高强度的人类活动持续作用密不可分，溶蚀量越大、人类活动越强烈，石漠化越严重。
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表 1 陕西秦巴地区溶蚀速率测试点分布情况一览表
Table 1. Distribution of dissolution rate test sites in the Qinba area, Shaanxi Province
植被类型 镇安 山阳 旬阳 宁强 洛南 南郑 商南 陇县 平利 岚皋 草地 5 2 1 0 3 1 0 2 1 0 灌丛 6 1 2 1 3 0 1 1 1 1 林地 6 3 1 1 1 0 1 1 0 1
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表 2 秦巴地区各县区不同层位标准试片重量损失汇总表/g
Table 2. Summary of the weight loss of standard test pieces at different strata in different counties of the Qinba area/g
埋设层位 镇安 山阳 旬阳 洛南 宁强 陇县 岚皋 商南 平利 空中 0.035 3 0.020 3 0.020 6 0.018 6 0.022 4 0.016 5 0.008 6 0.019 9 0.015 6 地表 0.078 5 0.047 0 0.019 4 0.020 9 0.042 6 0.020 9 0.004 9 0.027 2 0.010 7 地下20 cm 0.149 5 0.113 6 0.059 3 0.031 4 0.122 2 0.003 1 0.090 3 0.026 2 0.039 7 地下50 cm 0.173 5 0.144 9 0.068 6 0.037 0 0.107 6 0.004 9 0.117 6 0.009 2 0.044 3 地下100 cm 0.216 8 0.148 3 0.073 4 0.008 4 0.254 4 0.063 1 0.028 5 0.008 4 0.031 4 平均失重 0.130 7 0.094 8 0.048 3 0.023 3 0.109 8 0.021 7 0.045 0 0.018 2 0.028 3
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表 3 镇安、旬阳、洛南三地不同植被类型各层位溶蚀速率统计表
Table 3. Dissolution rates of different vegetation types and strata in Zhen'an, Xunyang and Luonan
区域 植被类型 层位 W1 W2 1个水文年试片失重/g 年溶蚀速率 /mg∙cm−2·a−1 镇安 Ⅰ 空中 — — — — 地表 11.327 5 11.286 9 0.040 6 1.103 7 地下20 cm 10.990 0 10.793 9 0.196 2 5.330 2 地下50 cm 11.348 5 11.158 7 0.189 8 5.158 3 地下100 cm 11.463 5 11.156 6 0.306 8 8.337 4 镇安 Ⅱ 空中 11.918 9 11.901 4 0.017 5 0.475 1 地表 12.395 0 12.267 6 0.127 5 3.463 3 地下20 cm 11.805 4 11.579 7 0.225 6 6.131 3 地下50 cm 12.005 4 11.822 9 0.182 4 4.957 9 地下100 cm 11.936 9 11.532 7 0.404 3 10.985 1 镇安 Ⅲ 空中 11.686 0 11.630 3 0.055 8 1.514 9 地表 11.672 3 11.614 2 0.058 1 1.579 3 地下20 cm 11.760 1 11.537 6 0.222 5 6.045 3 地下50 cm 12.192 1 11.956 9 0.235 2 6.391 3 地下100 cm 11.963 5 11.655 2 0.308 3 8.378 2 洛南 Ⅰ 空中 — — — — 地表 12.111 1 12.074 0 0.037 1 1.006 8 地下20 cm 12.225 9 12.112 7 0.113 3 3.077 4 地下50 cm 12.051 3 11.852 9 0.198 4 5.391 8 地下100 cm / — — — 洛南 Ⅱ 空中 12.346 2 12.334 5 0.011 7 0.319 3 地表 11.464 8 11.457 3 0.007 5 0.203 8 地下20 cm 11.785 4 11.783 6 0.001 8 0.047 6 地下50 cm 11.574 8 11.573 9 0.000 9 0.025 1 地下100 cm 11.975 4 11.971 2 0.004 2 0.114 1 洛南 Ⅲ 空中 12.255 9 12.240 3 0.015 7 0.425 7 地表 12.590 4 12.563 0 0.027 4 0.744 6 地下20 cm 11.743 5 11.677 8 0.065 7 1.786 0 地下50 cm 11.213 8 11.198 2 0.015 6 0.423 9 地下100 cm 11.650 4 11.640 9 0.009 5 0.259 5 旬阳 Ⅰ 空中 12.376 6 12.360 9 0.015 7 0.426 0 地表 11.238 9 11.196 9 0.042 0 1.142 7 地下20 cm 11.984 1 11.820 1 0.164 1 4.458 8 地下50 cm 12.254 2 12.026 5 0.227 6 6.185 2 地下100 cm 12.364 4 12.141 1 0.223 3 6.067 5 旬阳 Ⅱ 空中 10.771 8 10.750 3 0.021 5 0.584 2 地表 12.138 4 12.134 9 0.003 5 0.094 7 地下20 cm 12.434 9 12.380 7 0.054 1 1.471 0 地下50 cm 12.599 8 12.585 5 0.014 3 0.389 5 地下100 cm 12.296 0 12.262 8 0.033 1 0.900 8 旬阳 Ⅲ 空中 11.930 6 11.915 4 0.015 2 0.413 9 地表 11.804 0 11.784 7 0.019 3 0.524 5 地下20 cm 11.537 9 11.519 9 0.018 0 0.489 8 地下50 cm 12.203 5 12.185 9 0.017 6 0.479 6 地下100 cm 11.535 5 11.502 3 0.033 1 0.900 1 注：①植被类型栏，“Ⅰ”为草地；“Ⅱ” 为灌丛；“Ⅲ”为林地；②“—”为试片丢失无数据。
Note: ①Vegetation type part, "Ⅰ" represents grassland；"Ⅱ" represents brushwood；"Ⅲ" represents forest land；②"—" represents that test pieces are lost, no data.
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表 4 不同植被类型条件下溶蚀速率/mg·cm−2·a−1
Table 4. Dissolution rates under different vegetation types/mg·cm-2·a−1
植被类型 空中 地表 地下20 cm 地下50 cm 地下100 cm 地下平均溶蚀速率 草地 0.546 0 1.004 9 2.564 9 2.917 2 2.991 4 2.824 5 灌丛 0.558 3 1.017 4 2.397 6 2.903 9 3.733 8 3.011 8 林地 0.832 2 1.874 1 3.060 4 3.676 9 4.517 5 3.751 6
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表 5 我国南方、北方野外溶蚀试片不用深度溶蚀速率对比表/mg·cm−2·a−1
Table 5. Comparison of dissolution rates at different depths of field dissolution test pieces in South and North China/mg·cm-2·a-1
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表 6 我国各地溶蚀速率与降雨、气温汇总表
Table 6. Summary of dissolution rates, rainfall and temperatures in various parts of China
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1. 贺凯凯，陈清敏，成星，杨治国，韩静，曹江涛，艾昊，张文硕. 中国西南及陕西秦巴地区岩溶石漠化研究进展. 中国岩溶. 2024(01): 147-162 . 
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