桂林巖溶試驗場位於亞熱帶季風區，是典型的峰叢窪地。年平均氣溫18.8℃，年平均降雨量1915.2毫米，降雨分布不均。4-8月總降雨量占全年降雨量的70.32%，9-3月降雨量占全年降雨量的29.68%。構成場地峰叢窪地的巖溶地層為上泥盆統容縣組(D3r)，主要巖石成分為淺灰色至白色致密純中厚泥-亮粒狀灰巖。場地內第四系地層主要為殘積物，主要為灰褐色、褐色和褐色石灰土。山地上部土層較薄，山坡土層較厚，可達1 ~ 1.5m，窪地土層厚度可達5 ~ 6m，土壤覆蓋率30%左右。用簡易比重計法測得的坡地土壤質地見表3-11。
表3-11桂林巖溶試驗場不同層次坡面土壤質地(wB/%)
立地覆蓋次生灌木群落，高2 ~ 2.5m，多刺，革質，小葉，喜鈣，耐旱。主要樹種有樟樹、廣西的林莽、黃荊、火棘、竹葉椒、紫草、大理石、巖楓、崖棕、巴豆、南天竹、毛竹、楊梅、龍須草、桂林紫草、芽毛、毛竹。覆蓋率60% ~ 80%。
為了揭示土壤微生物活動與巖溶生態系統運行的關系，除了對溫度和降雨量進行動態監測外，還選取了土壤微生物代謝指數和巖溶發育強度指數進行監測。土壤微生物的代謝指標有:土壤剖面CO2濃度、土壤呼吸、土壤微生物生物量碳和土壤水溶性有機碳；巖溶發育的強度指標是土壤下碳酸鹽巖的溶解速率。其監測方法:
土壤剖面CO2濃度:采用自制的土壤CO2采集裝置(何士毅，1997)進行監測，使用日本Gestec公司生產的Gastec真空泵和專制型CO2試管。觀察期為每月1次。
土壤呼吸:用堿吸收法測定土壤呼吸速率(AL Page等，1991)；
土壤微生物生物量碳和土壤水溶性有機碳:每月按0 ~ 20~50cm和20~50cm深度取土壤樣品，冰箱保鮮；通過氯仿熏蒸培養提取土壤微生物生物量(Vance E D等人，1987)。土壤水溶性有機碳總有機碳分析儀(陸如坤，1999)；
碳酸鹽巖的溶解速率:用標準溶解試片觀察巖石的溶解速率。
(1)土壤微生物量碳的月動態
土壤微生物是陸地生態系統的重要組成部分。在其生命活動過程中，它不斷吸收環境中的碳，並向外界釋放不同形式的碳成分。因此，微生物調節土壤環境中的碳循環和生物可利用養分的供應，與陸地生態系統的初級生產力密切相關(Jen Kissons et al .，1992；Zak D R等人，1990).在以往的研究中，人們關註了陸地生態系統類型(森林和草地)、農田耕作措施(Salinas-Garcia J R等，1997)和管理模式對土壤微生物生物量的影響。然而，巖溶動力系統中土壤微生物的生態觀測及其代謝產物CO2和DOC(溶解有機碳)對巖溶生態系統的驅動作用卻沒有得到足夠的重視。
從微生物生物量碳的月變化(以埡口0-20 cm深度的土壤微生物生物量碳為例)(圖3-29)來看，土壤微生物生物量碳與氣溫動態呈顯著負相關，即土壤微生物生物量碳在炎熱的夏季最低(304mg/kg)，在寒冷的冬季最高(116544)。微生物生物量碳和降雨量之間似乎沒有明顯的對應關系。對這壹現象的正確認識將加深對土壤環境中生物驅動巖溶發育機制的理解。
圖3-29桂林巖溶試驗場埡口0 ~ 20 cm土壤微生物量碳動態與氣溫和降雨量的關系。
Ⅰ.土壤微生物的基本特征
土壤微生物是土壤環境中極其活躍的活性成分。雖然其含量僅為土壤有機碳的65，438+0% ~ 4%，但土壤微生物具有極高的繁殖能力和極短的生命周期。在良好條件下，細菌的生命周期只有20 ~ 30 min，真菌幾個小時就能更新。傷亡微生物是新微生物最好的營養來源。也是最容易分解成最終產物CO2的(丸本莉子T，1984)，因此有理由認為微生物傷亡是土壤呼吸產生CO2的重要來源之壹。在影響土壤微生物生物量動態變化的因素中，溫度是主要因素(Grisi B，1998)，土壤幹濕交替是加快土壤微生物生物量循環速度的重要動力(McGill W B等，1986；Ross D J，1987)，因為大多數土壤微生物不能適應低土壤濕度(Reid D S，1980)。因此，可以認為土壤微生物是土壤環境中物質循環的“不斷更新的動力驅動者”。“不斷更新”是指土壤微生物的生命周期極短，舊的微生物不斷被新的微生物取代；“動力驅動”是指微生物是土壤環境中有機質(包括微生物本身)分解產生代謝產物的直接驅動力，活的微生物群落是不斷變化的。
Ⅱ.對土壤微生物生物量碳夏季最低，冬季最高的認識。
冬季雖然氣溫低，降雨量少，但低蒸發可以保持土壤水分高，同時土壤幹濕交替的頻率也很小，降低了土壤微生物生物量的周轉率，延長了周轉期，積累了土壤微生物生物量。其次，在秋冬季，雕落物的增加和新鮮有機質的輸入可以刺激微生物生物量的增加。14C標記示蹤技術揭示了土壤中植物殘體的分解首先轉移到微生物中(Van Gestel et al .，1993)。
(2)土壤微生物生物量碳與土壤呼吸和溶解有機碳的關系。
Ⅰ.土壤呼吸的月動態
土壤呼吸是指土壤中生物和代謝實體在代謝過程中吸收氧氣和釋放CO2的強度。它有兩個來源。生物來源:土壤微生物、土壤植物的根、土壤原生動物的呼吸；土壤環境中有機碳的化學氧化。在這些來源中，土壤微生物的呼吸作用是主要的(鄭宏遠，1996)，所以土壤呼吸的強度可以反映土壤中有機質的分解和土壤中有效養分的狀況。長期以來壹直被認為是土壤微生物總活性的指標，也是評價土壤肥力的指標之壹(李，2000)。在喀斯特地區土壤生態系統中，土壤呼吸產生的CO2及其在土壤中的遷移不僅與全球碳循環密切相關(藤來，1999；Wallace S B等，1991)，而在巖溶地區，它能在近地面產生高濃度的CO2，促進巖溶發育(劉在華，2000；曹建華等人，1999)。
圖3-30桂林巖溶試驗通道下20cmCO2濃度、土壤呼吸與排放速率、降雨量和氣溫的關系。
土壤呼吸排放的時間動態可分為三個不同的階段(圖3-30):①1前的3-8月，隨著溫度和降雨量的增加，土壤呼吸強度從4月6日的103.56mg CO2/m2·h逐漸增加到7月1日的229.52mg CO2/m2·h。從另壹個角度來看，隨著溫度和降雨量的增加，土壤的生物活性被激發，從而導致土壤呼吸的增加。②8月份，雖然氣溫維持在較高水平，但土壤呼吸強度有所波動，尤其是9月份為1，81.94mg CO2/m2·h，9月25日降至1，34.35mg CO2/m2·h。65438年10月26日漲到158.61mg CO2/m2·h。這種大反彈現象與降雨分布不均有關:9月25日之前，1月降雨量僅為3.9mm，而10年9月26日至6月26日降雨量為259.4mm .③165438+10月之後，隨著氣溫的降低，降雨量較少，但分布大體均勻，土壤呼吸持續減少，下降趨勢壹直持續到2月。土壤呼吸排放速率的最高值出現在7月1日，為229.52mg CO2/m2·h，最低值出現在2月22日，為41.05mg CO2/m2·h..從以上分析結果來看，土壤呼吸與月平均氣溫和月降雨量呈正相關，土壤呼吸與氣溫的關系更為明顯(圖3-31)。
圖3-31桂林巖溶試驗場土壤呼吸速率與氣象的關系
Ⅱ.土壤呼吸與土壤剖面CO2分壓的關系
土壤呼吸排放與土壤剖面CO2分壓之間存在明顯的正相關關系，相關系數r=0.74(圖3-32)。由上可見，土壤呼吸是壹個地區土壤微生物代謝排放、植被根系呼吸排放、土壤動物呼吸和土壤有機碳氧化產生CO2的綜合響應指標。因此，土壤呼吸可以用來指示區域生物活動的強度。巖溶是土壤環境中最活躍的，它與土壤環境中的CO2分壓密切相關。這就在喀斯特生態系統的運作和生物活動之間架起了壹座橋梁。
圖3-32土壤呼吸與土壤剖面CO2濃度的相關分析(CC=74.97SR+4190.8，r2=0.5476)。
(3)土壤DOC的月動態
土壤環境中的水溶性有機碳不僅是微生物分解有機質的代謝產物，也是微生物生長能量的重要來源(Kalbitz K等，2000)。根據以往的研究，在10℃以上，微生物活性隨著溫度的升高而增加，在25 ~ 35℃時達到最高水平(Paul E A et al .，1989)。此外，微生物活性與土壤水分密切相關。隨著土壤水勢的增加，微生物活性減弱，當土壤含水量與田間持水量相當時，微生物活性最強。壹般來說，真菌通常比細菌更能適應較低的溫度條件，真菌因其好氧性主要分布在淺層土壤中；同時，真菌比細菌更能耐受高土壤水勢(Salinas-Garcia J R等人，1997)。在對水溶性有機碳的貢獻中，細菌主要貢獻揮發性組分，真菌主要貢獻非揮發性組分(A D McLaren et al .，1984)。從圖3-33可以看出，土壤水溶性有機碳的變化有三個不同的階段:
1)從3月到7月，土壤水溶性有機碳的變化與土壤呼吸釋放CO2的速率保持壹致的上升趨勢。
2)8-6月165438+10月，氣溫維持在較高水平，但降雨量少，土壤易幹，大部分微生物不能耐受土壤幹化，土壤微生物活性大大減弱，結果導致土壤呼吸和土壤水溶性有機碳減少。這裏需要說明的是，10年9月27日至10月26日，259 mm的降雨量刺激了微生物的增殖，土壤呼吸速率有所回升，而水溶性有機碳呈現全年最低值。造成這種現象的可能原因是土壤長期幹燥後雨水的淋溶作用強於微生物代謝產生水溶性有機碳的速率。
圖3-33土壤微生物生物量碳、DOC與土壤呼吸的關系
3)6月11至次年2月，隨著溫度的降低，微生物活性逐漸降低，同時土壤呼吸速率持續降低，水溶性有機碳增加。
影響土壤水溶性有機碳的存在和遷移的因素很多。Kalbitz K等(2000)在總結論文《土壤中溶解有機質的動力學控制:綜述》中將影響DOC形成、遷移和演變的因素歸納為23種。包括:雕落物的輸入、土壤有機質的含量、土壤有機質的C ∶N比、其上生長的森林群落類型、真菌群落在微生物群落中的作用、土壤中鐵、鋁氧化物、氫氧化物和粘土礦物的含量、土壤pH、鹽基飽和度、硫酸鹽、磷酸鹽、多價陽離子、溫度、幹濕交替、水文條件、凍融(融雪)交替等。該書認為，對於壹個相對穩定的生態系統，影響土壤水溶性有機碳動態的主要因素有:
1)溫度:如果僅從結果來看，土壤水溶性有機碳與溫度的關系有相反的結果。首先，DOC含量在較冷的條件下較高(樸H C等，2000；何Z L等1994)；二是冬季DOC含量高於夏季(Ross D J等，1981；達爾瓦M等人，1991；小費等，1999).如果考慮降雨的淋溶稀釋過程，這種相反的現象就比較好理解了。從表層土壤DOC含量高於底層土壤可以認為微生物活性高，有利於DOC的產生。因此，筆者認為土壤中DOC的出現與溫度成正比，除非有機能量供應不足，受水文條件影響。
2)土壤水分:頻繁的幹濕交替是土壤DOC含量增加的驅動力(Haynes R J等，1991；Lundquist E J等人，1999).原因如下:幹旱導致微生物活性和分解能力下降，因為微生物不能耐受土壤幹燥，導致土壤微生物大量傷亡，微生物代謝產物可以在土壤中積累，土壤中DOC的微生物同化作用也降低，這些都有利於土壤再次濕潤時高濃度DOC的產生。因此，土壤中DOC的高含量往往可以在暴雨初期測得(Easthouse K B et al .，1992)。但當降雨量過大時，水體的物理淋溶稀釋作用強於微生物產生DOC的能力，會導致DOC濃度降低。
3)微生物群落的組成與變化:在土壤微生物群落中，Guggenberger等人(1994)和Mooller等人(1999)認為，與其他微生物群落相比，真菌群落在DOC產生中起著更重要的作用。壹方面，真菌在分解有機物的過程中通常不會完全降解，即產生大量的小分子有機化合物，這使得土壤另外，真菌比細菌更能耐受低溫和較高的土壤水分。這也是冬季土壤中DOC含量增加的原因之壹。
(4)土壤微生物量碳、土壤呼吸和土壤有機碳之間的內在聯系。
土壤微生物被認為是生活在土壤中的，體積小於5×103μm3的生物量是活的土壤有機質的壹部分(簡金森D S等，1981)。土壤微生物是驅動土壤碳遷移的“不斷更新的動力驅動者”。隨著環境的變化，土壤微生物群落不斷地由舊變新，分解外界物質和生物，吸收同化無機養分，合成自身物質，同時向外界釋放其代謝產物，賦予土壤肥力和生產力。也就是說，土壤微生物同時存在生長同化和滅絕分解的過程，這就是學術界日益關註的微生物生物量周轉。壹般來說，低溫時周轉期延長，高溫時則相反。據估算，北方森林土壤微生物生物量碳周轉周期為0.82a，溫帶森林為0.6a，熱帶森林為0.14a；。溫帶草原為0.64a，熱帶稀樹草原為0.34a(Smith J L等，1991)。
同時，有機能量的供應是制約土壤微生物生物量生長和活性的重要因素。異養微生物是生活在土壤環境中的優勢微生物，維持其生命活動需要大量的能量。根據何(1997)估算，陸地土壤微生物總生物量(以微生物生物量碳計)為6×1015gC，陸地土壤微生物生物量碳的平均周轉周期為0.42a，因此每年通過微生物的有機碳周轉為1.43× 106544。這個數據超過了每年以雕落物形式進入土壤的有機碳總量(3.7×1016gC)。土壤微生物獲得能量最快的來源是死亡和受傷的微生物、水溶性有機碳(DOC)和植物根系分泌物。這也是根際土壤微生物生物量明顯高於非根際土壤的原因(Eiland F等，1994)。
土壤呼吸釋放的CO2是土壤中大多數生物化學過程的最終產物。在植物生長的土壤環境中，土壤呼吸排放量主要由三部分組成:①植物的根系呼吸；②根際土壤微生物呼吸；③非根際微生物呼吸。根據Kelting D L等人(1998)的研究，它們對土壤呼吸的貢獻率分別為32%、20%和48%。土壤呼吸產生的CO2可以作為土壤有機碳礦化和土壤微生物活性的指標。鑒於以上監測結果和分析，土壤呼吸排放與土壤微生物生物量碳之間存在負相關關系(圖3-34)。與土壤呼吸相比，土壤DOC的產生、發生和遷移的因素越來越復雜，但從桂林巖溶試驗場的研究結果來看，DOC的月動態特征可分為兩個時期:在3-9月的暖雨期，土壤DOC和土壤呼吸具有相同的變化趨勢；10至次年2月秋冬低溫少雨期，土壤DOC和土壤呼吸變化趨勢相反。因此，從全年的統計分析來看，土壤DOC與土壤微生物生物量碳的相關性較差(圖3-35a)。如果從兩個不同的時間段進行相關分析，負相關是明顯的(圖3-35b)。
土壤環境中驅動巖溶發育的主要因素CO2和DOC與土壤微生物生物量碳之間的關系得到了野外實測數據的驗證。
圖3-34土壤呼吸、土壤DOC和土壤微生物生物量碳之間的關系
圖3-35暖雨期和低溫少雨期土壤DOC與土壤微生物生物量碳的相關分析。
3.2.4.2喀斯特表層帶植被群落演化不同階段對水循環的影響(廣西弄拉峰叢窪地植被恢復區對比野外試驗)
弄拉是廣西喀斯特峰叢窪地生態建設的成功範例之壹。選擇了40 a和20 a兩個不同的植被群落進行比較，監測了它們地表泉水的動態變化。藍靛塘泉域覆蓋樹木頂端群落，植被覆蓋率達95%。2006年4月5438+0至2002年5月斷水31d；；東王泉泉域覆蓋著灌木群落，植被覆蓋率為65%。停水兩次，42d，124d(圖3-36)。此外，藍靛塘泉的Ca2+濃度高於東王泉泉(圖3-37和圖3-38)，表明封山育林和恢復植被群落不僅增強了巖溶表層帶對水循環的儲存能力，而且有助於巖溶發育強度的增加。
不同植被覆蓋度對3.2.4.3巖溶生態系統碳循環影響的模擬
在巖溶生態系統中，巖溶和成土作用是壹對互補的地表地質過程。根據巖溶環境中土壤與生態系統發育的關系，潘根興等研究了桂林丫吉村試驗場土壤碳庫分布和碳轉移特征，表明植被的發育賦予了巖溶系統中的活性炭成分，從而驅動了巖溶生態系統的運行，加速了碳酸鹽巖的溶解和系統的碳循環(潘根興等，1999)。Kelting D L等人(1998)的研究結果表明，高等植物棲息時，根呼吸和根際土壤微生物呼吸在土壤呼吸的CO2排放中起主要作用(張福鎖等人，1995)。隨著高等植物的棲息和生態系統的演化，喀斯特生態系統土壤碳循環的特征發生了如下變化:
①雕落物的輸入使土壤中的有機質不斷得到補充；②植物根系活力增加了土壤活性有機碳的供應；(3)植物根系形成根際環境，激發根際微生物活動，從而形成微生物主導的根際碳循環微環境。
圖3-36弄拉蘭滇湯泉與東王泉水位動態變化對比
圖3-37東王泉和藍靛塘泉濃度動態變化特征
圖3-38東王泉和藍靛塘泉鈣濃度動態變化特征
研究植被覆蓋下的土壤碳轉移，是在地球系統科學理論指導下，將地球表面的地質生物過程和巖溶過程與系統碳轉移相結合的重要方向(袁道賢，1999)。為此，我們針對植被-土壤-碳酸鹽巖系統(圖版ⅰ-1)設計了三個簡易生長箱模擬試驗裝置。
生長箱模擬試驗裝置的主體是由5mm厚的聚丙烯塑料板制成的直徑50cm、高60cm的圓柱形土柱箱，箱底開有直徑2cm的出水口，用於排出“地下水”。用0.3毫米厚的三角鋼作為底架支撐。
測試的灰巖為桂林郊區應縣容縣組(D3r)灰巖，破碎成顆粒，粒徑2 ~ 6 cm，在箱底鋪展至10cm厚。土壤取自桂林市硯山鎮府河，發育於東崗嶺組(D2d)以上的A層土壤中。土壤以相等的數量填充在三個土壤盒中，厚度為45厘米。
黃楊木箱(樹箱):試驗的木本植物是我所花園中成熟的黃楊。黃楊木的根豐富而長，分布在整個土柱中。
麥冬土箱(稻草箱):供試草本為麥冬，麥冬根系集中在土壤中5 ~ 10 cm深度；
土箱(土箱):沒有植物覆蓋。
自制CO2收集裝置(何世義等，1997)安裝在土柱內三個不同深度(10cm，20cm和45cm)處。同時，收集箱體底部出水口排出的水進行化學分析。
監測指標和方法:土壤呼吸CO2排放采用堿吸收法(李，，2000)；土壤剖面中的CO2濃度由日本Gestec公司生產的GestecCO2泵和CO2試管監測。水體的pH值由Cole ParmerpH計算；鈣離子濃度測試盒；用德國默克公司生產的堿度測定；溫度計測量溫度；雨量管監測每天的降雨量。
實驗裝置安裝好後，放在喀斯特研究所的花園裏，接受自然降雨和光照。觀察和比較研究為期74d(4月3日至6月16)。實驗期間的溫度和降雨量如圖3-39所示。
圖3-39試驗期間的日平均溫度和降雨量
不同植被覆蓋下土壤-碳酸鹽系統排水的水化學特征(1)
在野外觀測中，巖溶泉水的動態變化是壹個受多種自然因素影響的復雜過程。在本次模擬實驗中(圖3-40)，三個系統巖溶水的動態變化具有相似的波動模式，符合溫度與降雨量的動態關系。然而，不同系統的巖溶水排放強度存在顯著差異。樹箱、草箱和土壤箱的平均濃度分別為4.64 mmol/L、2.69 mmol/L和2.61 mmol/L。整個試驗期間，降雨量為638.1 mm，巖溶水共排放8次，總排水量為樹箱110.6 L，草箱70.92 L，土箱67.56 L。因此，巖溶水排放總量分別為:樹箱522.95 mmol、草箱206.04 mmol、土箱196.23 mmol。
圖3-40樹箱、草箱和土箱排水中濃度比較
巖溶排水的pH值反映了土壤生物活動代謝產物DOC和CO2溶於水產生碳酸和土壤淋溶碳酸鹽巖的綜合結果。從圖3-41可以看出，無論氣候條件的影響，樹箱的pH值始終低於稭稈箱和土箱系統。模擬實驗過程中，樹箱的平均pH值為7.13；稭稈箱平均pH值為7.36；土盒的平均pH值為7.39。即樹箱的pH值比稭稈箱低0.23個單位，比土箱低0.26個單位。
圖3-41樹箱、草箱和土箱下巖溶排水pH值動態
圖3-42顯示了測試系統中巖溶排水Ca2+濃度的動態變化。可以看出，不同系統排放水中Ca2+的平均濃度，樹箱為111.36 mg/L，草箱為116.07 mg/L，土箱為114.265438+。說明不同植物處理對巖溶排水中Ca2+濃度沒有明顯影響。但總排水量分別為26.2 L、10.5 L、10.8 L，不同系統計算總排鈣量為:304.03 mmol在樹箱中；稻草箱為188.25 mmol；土壤盒為176 438+0 mmol。樹箱下Ca2+排泄量是稭稈箱的1.784倍，是土箱的1.827倍。同時，樹箱排放總量比草箱高153.82%，比土箱高166.45%。碳酸氫鹽的主要來源是生物活動和水巖作用的產物，因此可以認為隨著生物活動強度的增加，碳酸氫鹽濃度的增加會導致鈣離子排泄量相應增加。即隨著生物作用的加強，產生的代謝產物引起巖溶水pH值的降低和碳酸氫鹽的增加，促進了水巖相互作用和土壤中不同形態鈣的釋放，最終促成了石灰巖溶蝕的增加。
圖3-42樹箱、草箱和土壤箱地下水中Ca2+濃度比較。
(2)土壤呼吸和土壤剖面CO2濃度
土壤環境中的CO2是巖溶水的重要來源之壹，也是巖溶水具有侵蝕性的原因。從圖3-43可以看出，系統中不同植物處理下的CO2濃度存在顯著差異，盡管它們都顯示出隨氣溫和降雨量的波動。但是，在整個試驗過程中，樹箱土壤CO2濃度高於草箱和土箱。以土壤下20 cm深度的CO2濃度為例，實驗期間的平均CO2濃度為:樹箱14389×10 -6，草箱8222×10 -6，土箱5800×10 -6。與裸土相比，麥冬使土壤下CO2濃度增加了465，438±0.76%，而黃楊木增加了65，438±0.04%。從土壤呼吸排放CO2的速率來看(圖3-44)，樹箱的土壤呼吸速率遠遠高於草箱和土箱。試驗期間，樹箱土壤呼吸釋放CO2的平均速率為365，438+00.83 MGC/m2·h，草箱為65，438+065，438+04.64 MGC/m2·h，土箱為65，438+065，438+02.72 MGC/m2·h..根據土壤呼吸的平均排放速率，可以計算出實驗過程中樹箱、草箱和土箱的碳排放量:樹箱為104.438 gC，草箱為38.519 gC，土箱為37.875 gC(圖3-45)。計算公式為:
地質條件制約下的中國西南巖溶生態系統
式中:W——實驗過程中CO2排放的碳量；v-土壤呼吸的平均速率；S——接地箱的開口面積；t-實驗的持續時間。
圖3-43樹箱、草箱和土箱土壤下20cm處CO2濃度的動態比較。
圖3-44樹箱、草箱和土壤箱CO2排放速率的動態比率。
(3)利用碳穩定同位素示蹤技術估算碳酸鹽巖溶解作用。
利用碳穩定同位素和放射性同位素(Ineson Petal)研究土壤環境中碳的遷移已取得許多成果。, 1996;凱勒克等。,1998;BernouxM等人。,1998;Hesieh Yuch-Ping，1996；科龍齊斯等人。，2000)，利用碳穩定同位素認識和掌握巖溶動力系統的結構特征和運行規律也進行了探索(劉在華等，1997；潘根新等。,1997)。本文收集了土壤呼吸釋放的CO2-C和地下水釋放的-C，並測定了它們的碳穩定同位素，以估算生物作用對土壤溶解的貢獻。表3-12給出了5月15日和5月18日土壤排放的CO2-C和地下水排放的-C的碳穩定同位素值。
圖3-45實驗過程中樹箱、草箱和土箱CO2-C排放對比。
表3-12樹箱、草箱和土壤箱土壤呼吸釋放的CO2-C和地下水穩定同位素值
土壤呼吸排放的CO2主要來源於土壤微生物呼吸和植物根系呼吸。從表3-12可以看出，CO2-C同位素值較重，表明有碳酸鹽巖溶解的來源(CaCO3的δ13 C值為0.5‰(PDB))，樹箱產生的CO2-C的δ13C值較輕。如果將土壤呼吸排放的CO2-C的δ13 C值作為地下水中生物源的同位素值，則不同系統在地下水中的生物貢獻率可由下式得到:
地質條件制約下的中國西南巖溶生態系統
所得結果如表3-13所示。
表3-13地下水中生物源比例及碳酸鹽溶解量估算
碳穩定同位素示蹤結果顯示，地下水排泄的介質源和生物源比例高於碳酸鹽巖溶解源。與土箱相比，樹箱和草箱生物功能的增強並沒有帶來更大比例的生物源，而是帶來了更大數量和溶蝕量的碳酸鹽巖。
5月18土壤呼吸排放的CO2-C碳同位素值比5月15輕，說明生物作用增強。有理由推斷，更多的生物源CO2溶解在水中並作用於碳酸鹽巖。5月18地下水碳同位素值比5月15重，似乎意味著隨著生物作用的增強，地下水中生物源的數量增加，同時碳酸鹽巖溶解對地下水的貢獻更大。需要更多的數據來證實這壹點。
這個實驗的結果表明，由於植物根系的增加:
1)增加了土壤剖面中的CO2濃度。與單純土壤微生物作用(土壤箱5800×10-6)相比，樹箱(14389×10-6)增加140.08%，草箱(8220.08%)。
2)土壤呼吸釋放CO2的速率增加。與土箱(112.72 MGC/m2·h)相比，樹箱(310.83 MGC/m2·h)增加了175.75%，草箱(16544)。
3)地下水中濃度增加，與土壤箱(2.61 mmol/L)相比，樹箱(4.64 mmol/L)增加77.78%，草箱(2.69mmol/L)增加3.07%；
4)隨著地下水Ca2+排放量的增加，與土壤箱(196.23 mmol，176.01 mmol)相比，樹箱(522.95mmol，206.04mmol)分別增加了166.45%和72.73%。
5)降低地下水的pH值，樹箱(7.13)比土箱(7.39)低0.26個單位，草箱(7.36)低0.03個單位；
6)增加土壤下石灰巖的溶解量。根據地下水和土壤呼吸釋放的CO2-C穩定同位素示蹤結果，樹箱中碳酸鹽巖溶解量為21.875g，草箱中為9.571g，土壤箱中為6.748g..
實驗結果表明，植物生長促進土壤生物活性，進而影響土壤下石灰石的溶解和系統碳的去除。最後，其貢獻是加速了土壤-石灰巖系統的碳循環，放大了碳源和碳匯效應，進壹步支持了表層巖溶動力系統是壹個由氣候-水外部動力驅動的、以土壤-生物系統的碳轉移和循環為基礎的巖溶控制系統。