喀斯特生态脆弱区具有岩石裸岩率高、生境异质性高、土壤浅薄且分布不连续的特点，对全球气候变化具有重要的响应和指示功能^[1]。我国喀斯特地貌面积大约5.5×105 km2^[2]，主要分布在西南滇黔桂三省区。喀斯特峰丛洼地景观是锥状喀斯特景观的典型代表，也是热带、亚热带重要的景观类型之一^[3]。喀斯特峰丛洼地区地形复杂、土壤破碎化严重、石砾含量较高，其独特的地质背景、土壤性质、小生境气候、人为干扰及植被类型、覆盖率等因素导致不同植被群落土壤有机碳差异显著^[4]。近年来，一些学者采用传统连续性土壤的研究方法对喀斯特地区土壤有机碳密度进行了估算^[5,6]，由于未考虑到喀斯特土壤破碎化严重、分布不连续的特征，使得结果不能很好地反映实际情况；Zheng^[7]和Chen^[8]等采用钢钎测得土壤的平均深度，并基于此估算了其研究区有机碳密度，结果与传统方法相比更接近实际，并指出传统方法可能高估了喀斯特地区土壤有机碳密度，不适用于喀斯特地区土壤有机碳密度研究。然而，扦插法费时费力，而且还可能因局部小石块带来较大误差，因此土壤平均深度法也不能完全反映喀斯特地区土壤异质性的真实情况。目前，估算喀斯特地区土壤的有机碳储量时，获得土壤的实际分布特征是亟待解决的难题。寻求一种快速有效的方法探测喀斯特土壤的分布特征，对准确估算该地区土壤有机碳密度及储量具有重要意义。

探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是一种对地下的目标体或界面进行定位的电磁技术，它利用高频电磁波以宽频脉冲形式，由地面通过天线定向送入地下，经过电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面，被另一天线接收，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征推断地下介质的空间位置和形态结构^[9]，地下介质间的电性差异是利用探地雷达的先决条件。根据不同土层间的土壤特性差异，探地雷达技术已成功应用到非喀斯特地区土壤分布的探测并取得了较好的研究结果^[10,11]，在喀斯特地区探测土壤分布的研究还未见报道。喀斯特地区土壤与母质之间缺乏过渡层，其分界线明显，且土壤与母岩之间的岩性差异较大，具有采用探地雷达探测的先决条件。本课题组通过大量实验，发现探地雷达对喀斯特峰丛洼地土壤分布的探测是可行的^[12]，可以准确估测不同层次中土壤所占的体积比。本研究拟在喀斯特峰丛洼地上、中、下坡位和洼地，利用探地雷达探测土壤分布特征，结合土壤有机碳等土壤特性计算不同坡位土壤有机碳含量和密度，旨在为较准确地估算喀斯特峰丛洼地土壤有机碳储量提供参考方法。 1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于广西环江毛南族自治县下南乡古周村（24°54′42.06″~ 24°55′17.08″N，107°56′48.01″~107°57′35″E），该区为典型喀斯特峰丛洼地景观单元，属亚热带季风气候区，多年平均气温16.5~20.5 ℃，多年平均降雨量1 389.1 mm，雨季平均持续130~140 d，主要集中在4月至9月，10月至次年3月为旱季。该区地形起伏较大，海拔介于376 ~ 816 m之间^[13],土壤为碳酸盐岩发育而成的棕色石灰土。古周村土地总面积186.7 hm²，其中耕地17.3 hm²，主要集中在洼地^[14]，其上坡位和中坡位多为林地和灌丛，下坡位自2000年起实行退耕还林还草，现主要为自然草地、灌丛和人工林地；洼地基本为耕地,耕地以种植玉米、大豆和牧草为主，所施肥料主要为农家肥和尿素。 1.2 土壤探测和样品采集与测定

于2013年5月在研究区的上、中、下坡位和洼地各选取四个样方（图 1）。其中洼地样方设为5 m×5 m，上、中、下坡位的样方设为2 m×3 m。调查样方内植被情况，并确定植被类型，在样方内每隔0.5 m布设一条探地雷达探测的测线，即洼地每个样方11条测线，坡上每个样方5条测线，利用GPR按点测法测定土壤深度，道间距设为0.05 m，每个样方中所有测线的起点在一条直线上。GPR测定后进行开挖验证，每隔0.1 m验证一个深度值。在每个样方内随机选取3个点（均在测线上），进行剖面取样，每个剖面按0~10、10~20、20~30、30~50、50~70 cm和70~100 cm分层采样，16个样方共取剖面样214个；同时，采用环刀法测定各层土壤容重^[15]。记录各样方的海拔高度、经纬度、裸岩率和石砾含量等信息。各样方的基本信息见表 1。

图 1 喀斯特峰丛洼地样方分布 Figure 1 Distribution of quadrats in Karst peak-cluster depression area

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表 1 各样方的基本信息 Table 1 Basic information of each quadrat

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土壤分布探测采用MALA公司生产的ProEx系统探地雷达主机以及500 MHz屏蔽天线，采集软件为GroundVision 2。土壤样品经风干、磨细、过60目筛后，利用重铬酸钾外加热法^[15]测定有机碳含量。 1.3 数据处理

不同坡位、不同土壤层次和不同方法土壤有机碳含量的差异采用SPSS18.0软件进行单因素方差分析，显著性水平设定为α=0.05。

GPR数据利用Reflexw软件进行解读，在每条测线上生成每隔0.1 m一个土壤深度值，并利用公式（2）计算样方内每个层次土壤所占的体积分数。探地雷达法是根据土壤有机碳含量、各层土壤体积分数、容重和石砾含量等数据，利用公式（1）计算得到土壤有机碳密度。根据GPR探测的土壤深度值计算各样方中土壤的平均深度。平均深度法是根据土壤有机碳含量、容重、石砾含量、裸岩率和平均深度等数据，利用公式（6）^[7]计算得到土壤有机碳密度。

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在探地雷达实地探测中，一般将1/4波长厚度作为GPR天线的垂直分辨率下限^[16]。通常，岩土介质电磁波传播速率为0.06~0.15 m·ns^-1，本试验采用500 MHz的GPR屏蔽天线，因此其在岩土介质中探测的垂直分辨率在3~8 cm范围内。采用GPR对各个样方进行探测，并开挖验证，结果表明GPR探测结果与实地开挖一致。以中坡位第四个样方中第一条测线探测结果为例（图 2a），GPR探测得到的土石分布图中土壤和岩石的分界面比较明显，可以直接从图中判读出测线下不同位置土壤的深度，且土壤深度的GPR探测值和实测值结果相符，误差范围在0~10 cm（图 2b）。用探地雷达探测的土层深度值（y）与挖掘法得到的深度值（x）的相关性达到了极显著（y=0.918 1x+ 0.739 5，n=4100，R₂=0.912 6，sig=0.000）。这表明，在探测过程中，走线准确的情况下，GPR技术能较准确地估算土壤深度，并较好地反映了喀斯特地区土壤异质性的情况。

图 2 中坡样方四测线1的GPR探测图像（a），实地探测和开挖验证土壤深度对比图（b） Figure 2 Ground penetrating radargram under the first survey line in the fourth quadrats of midslope（a），and comparison of soil depths by GPR field detection and soil excavation（b）

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基于GPR数据，计算出每个样方内0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~50 cm、50~70 cm和70~100 cm每层土壤所占的体积比（表 2）。结果表明该峰丛洼地区上、中、下坡位的土壤主要集中在0~30 cm深度范围内，体积分数范围为72%±16%~78%±6%；而洼地的土壤则主要集中在0~70 cm，体积分数为64%±17%，并根据GPR测量的深度计算出每个样方内土壤的平均深度（表 2）。与常规利用钢钎测量喀斯特土壤深度的方法^[17]相比，该探地雷达探测方法可以在不破坏土壤环境的条件下，获得喀斯特地区土壤的深度，反映喀斯特土壤的异质性，并计算出不同层次土壤所占体积比，从三维立体的角度研究土壤的分布特征。目前该方法还处在方法的建立初步阶段，方法完善后，可以根据多个典型样区的探地雷达的探测结果，建立喀斯特土壤分布的模型，为土壤有机碳密度的估算提供基础数据。

表 2 GPR测得各样方中土壤的分布情况 Table 2 Soil distribution in each quadrat detected by GPR

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在垂直方向上，土壤有机碳含量具有明显的表聚性（图 3）。随土壤深度的增加，有机碳含量逐渐降低，在0~30 cm的深度范围内，土壤有机碳含量显著降低（P＜0.05）；深度大于30 cm，土壤有机碳含量缓慢降低，即在30 cm附近处有机碳含量出现转折点。这是由于植被凋落物分解后输入土壤的有机碳主要聚集在土壤表层，植物的根系也主要集中在0~20 cm土层内，随土壤深度的增加，植被凋落物和根系数量减少，土壤容重增加，因此植被对土壤有机碳含量的影响随深度增加而减弱^[18,19]。此外，坡地的表层土壤有机碳含量明显高于洼地，且由上坡至洼地有机碳含量呈现下降趋势（图 3），符合喀斯特峰丛洼地典型的“养分倒置”规律。其原因在于：①喀斯特峰丛洼地区坡地的植被多为草地、灌丛或林地，其生境湿润，每年都有大量的凋落物积累，有机碳含量相对较高；洼地的土地利用类型多为耕地，每年作物的种植和收割不利于土壤有机碳的积累。②坡地虽然具有较大的坡度，但其岩石出露率远远高于洼地，加上由于表层岩溶带的发育，容易形成封闭或半封闭的阴暗环境，有利于有机质的积累^[20]。③洼地其易旱易涝，淋溶强烈，加之频繁的人为活动加速了土壤有机质的矿化分解，有机碳含量相对较低^[21]。因此，在研究喀斯特峰丛洼地景观单元的土壤有机碳分布特征时，需考虑不同坡位土壤有机碳的异质性。

图 3 不同坡位土壤有机碳含量随土壤深度的变化 Figure 3 Changes of soil organic carbon content with soil depth at different slope positions

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在同一坡位，四个样方中同一土层的有机碳含量差异较大（表 3）。这是由于喀斯特峰丛洼地区的裸岩率、土壤厚度、植被类型差异较大，即同一坡位存在多种植被类型（见本文材料与方法）。不同植被类型下植被凋落物的释归量不同^[22]，植被根系的垂直分布也不同，其直接影响着土壤剖面各层次的有机碳含量，决定着土壤有机碳的垂直分布^[23]。研究表明：喀斯特峰丛洼地区不同植被类型下同一层次土壤有机碳含量差异表现为灌丛>草灌丛>草丛，因而造成了同一坡位不同样方间土壤有机碳的差异。对于洼地中的四个样方，尽管均为农耕地，但由于耕作管理模式不同，即施肥量、种植制度等差异造成W1和其他3个样方中土壤有机碳含量差异较大。因此，同一坡位土壤有机碳的研究需考虑植被类型、耕作管理模式不同带来的影响。

表 3 四个坡位各样方土壤有机碳含量 Table 3 Comparison of soil organic carbon content in each quadrat at four slope positionsc

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分别根据公式（1）和公式（6）的探地雷达法和平均深度法对样方土壤有机碳密度进行估算，结果见表 4。对于取样剖面深度不足1 m而样方内其他位置超过取样深度的有机碳密度，按取样剖面最深土层的有机碳含量和土壤容重进行计算。上、中、下坡位和洼地中0~20 cm内土壤有机碳密度范围分别为：3.72~4.14、2.69~4.17、2.34~3.64 kg·m^-2和2.67~3.11 kg·m^-2；而0~100 cm土深的有机碳密度范围分别为3.99~5.70、3.41~7.11、3.83~6.05 kg·m^-2和5.72~9.14 kg·m^-2（表 4）。0~20 cm内，土壤有机碳密度由上坡至洼地逐渐减小，上坡与洼地差异显著（P＜0.05）；而0~100 cm内，洼地土壤有机碳密度大于坡地，且差异显著（P＜0.05）。

表 4 两种方法计算的土壤有机碳密度及其比较 Table 4 SOCD calculated from two methods and their comparison

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Zheng等^[7]利用平均土壤深度法估算喀斯特峰丛洼地的土壤有机碳密度，其测量结果与传统方法相比，准确度大大提高。然而，土壤有机碳含量随土壤深度增加呈指数减小^[23]，喀斯特土壤分布在垂直和水平方向上异质性极大，不同深度有机碳含量差异较大，因此利用平均深度无法准确反映土壤分布的实际情况。本方法基于GPR技术测得每层土壤所占的体积分数计算土壤有机碳密度，得到的结果与利用平均深度法公式^[7]计算同一样方中0~100 cm的土壤有机碳密度无显著差异（表 4），平均深度法得到的有机碳密度均大于探地雷达法得到的有机碳密度，误差达到5.3%~14.5%；在0~20 cm差异也不显著，在洼地和中坡位中平均深度法得到的有机碳密度小于探地雷达法得到的有机碳密度，而在上、下坡位中前者均大于后者，相对误差为0.3%~14.0%。两种方法相比，在0~100 cm中的误差比在0~20 cm中的大，说明采用平均深度法计算土壤有机碳密度，掩盖了深层土壤的深度，忽略了土壤深度分布的差异性，为深层土壤有机碳密度的计算带来误差。本文的计算方法则避免了将土壤作为连续体或者利用平均土深而作为土壤分布带来的误差，其测定结果更符合实际情况。

本研究仅考察了有限的样方，在尺度上推时，建议结合样方和样线法综合计算较大尺度的裸岩率，进而计算出典型喀斯特峰丛洼地的土壤有机碳密度。 3 结论

本研究在不破坏土壤环境的前提下，采用GPR技术获得各个层次土壤深度信息，并计算得出各个层次土壤所占的体积分数，GPR探测获得的喀斯特峰丛洼地土壤分布情况与实地开挖验证的结果相符。基于此，建立了适合喀斯特峰丛洼地非连续性土壤有机碳密度的估算方法。该方法与“平均深度法”相比，更能客观反映喀斯特土壤分布的真实情况，获得的土壤有机碳密度也更为准确。