西南喀斯特坡地土壤厚度估算取得新进展

　　

　　土壤是生态系统的重要组成部分，对维持生态系统的结构和功能起着关键作用。土壤厚度的变化调控着生态系统的水分循环、养分循环和碳循环过程。对于西南喀斯特生态系统，土层往往较为浅薄且不连续、空间异质性极高，土壤和基岩的组合结构复杂多样，深刻影响着该区的生态水文过程。尽管团队前期研究揭示了土壤厚度在坡面产流过程、植物根区的供水能力以及植物的蒸腾特征等方面的控制作用，但对于喀斯特坡地土壤厚度及其储量的空间分布特征依然不清楚。目前，喀斯特地区土壤厚度的估算大多沿用非喀斯特地区的探测方法（如广泛使用的测钎法、土钻法）或模型模拟，而关于基岩分布对土壤探测及其空间分布的独特影响尚未得到充分认识。这极大制约了我们对喀斯特地区岩土结构主控的水文过程及生态功能的深入理解。因此，亟需更精确地调查喀斯特地区土壤的空间分布，明确地下岩石分布对土壤厚度估算的影响。

　　针对上述问题，中国科学院亚热带农业生态研究所陈洪松课题组依托环江喀斯特生态系统观测研究站，以西南喀斯特区南北样带（22.5 至29.1 N）观测平台建立的6个站点30个喀斯特样地（20 30 m²）为对象，利用电阻率层析成像仪（ERT）在样地内进行岩土电阻率的测定，基于土壤和岩石显著差异的电阻率分布探明土壤和岩石的组合结构，并结合测钎法，揭示土壤厚度在样地尺度和样带尺度上的空间变化规律。

　　研究结果发现，ERT方法能够很好地刻画喀斯特地区岩土界面的分布，但测钎法存在基岩障碍效应，即测钎经常测到分布于土壤中的岩石而误以为是真正的土层底部基岩，从而低估了土壤厚度。所有观测点中这种基岩障碍效应占了29%。在无基岩障碍效应的地方，ERT方法推测的土壤厚度与测钎法估算的土壤厚度相当吻合（R2=0.79, 图1）；但在有基岩障碍效应环境下，测钎法探测的土壤厚度则被严重低估，在整个6m深的探测剖面中土壤厚度平均被低估约0.31m。因此，在裂隙发育程度较高的喀斯特地区，传统测钎方法可能容易低估实际的土壤厚度。研究建议采用传统测钎方法估算土壤厚度时需要加密测钎测量点或参考本研究建立的测钎法与ERT方法的经验关系（图1e）予以校正。

　　此外，在样地尺度和样带尺度上，土壤厚度在垂向和横向的空间变异性均很高。平均土壤厚度变化范围介于0.20-1.97m之间，所有观测站点的平均土壤厚度约为0.86m（图2b）。等效土壤厚度（观测样地三维空间内所有土壤平铺在样地平面内的厚度，剔除了岩石对土壤厚度估算的影响）的变化范围为0.11-1.62m，平均值约为0.51m。在6个观测的站点，从北至南土壤厚度、等效土壤厚度和土壤储量呈递减的变化趋势。这种空间变化趋势与基岩出露率、坡度、年均降水量和年均气温密切相关(图3)。其中，基岩出露率越高，土壤厚度和储量越小，且能解释52%和61%的土壤厚度和土壤储量的变化。土壤厚度和储量随年均降水量和气温的增加而递减，这表明在喀斯特地区相对较高的降水量和气温有助于基岩风化和土壤侵蚀，从而导致土壤厚度的减少。本研究强调了基岩地形及其分布对土壤探测和分布的重要影响，对于喀斯特关键带岩土结构主控的土壤空间分布及与之相关的土壤侵蚀、土壤储水量和碳储量的研究具有重要的指导意义。

　　研究结果以Improving soil thickness estimations and its spatial pattern on hillslopes in karst forests along latitudinal gradients为题，发表在中国科学院一区Top期刊Geoderma上。研究得到国家自然科学基金重点基金（41930866）、青年基金（42107103）、中国科学院青年创新促进会优秀会员项目（Y2022095）等项目的支持。

　　论文链接

　　

　　图1 基于测钎法（a）和ERT法(b,c)探测土壤厚度的示意图，以及两种方法在测点和剖面尺度上估算的土壤厚度对比(d,e)，（a）中红色虚线框内展示了基岩障碍效应，（b）中橙色箭头表示出露基岩位置，（c）中箭头表示测钎法的测点位置，其中红色箭头表示存在基岩障碍效应。 

　　

　　图2 站点内土壤厚度的空间分布特征（a,以站点3为例），以及基于ERT估算的6个站点土壤厚度、等效土壤厚度和土壤储量的变化(b，c) 

　　

　　图3 土壤厚度和储量与年平均降水量，年平均气温、基岩出露率和坡度的关系