稳定碳同位素在湘中千佛洞上覆土壤-滴水-现代沉积物的迁移特征研究

通过对2021年1月~2022年10月期间,湘中千佛洞洞外大气-上覆土壤气-洞穴空气二氧化碳含量（pCO₂）及其碳同位素（δ¹³C_CO2）、8个洞穴水体（4个滴水、3个地下河水、1个池水）溶解无机碳同位素（δ¹³C_DIC）以及洞穴现代沉积物碳同位素（δ¹³C）的连续监测,初步获得了监测时段内千佛洞岩溶系统中δ¹³C在垂直方向上运移的变化特征,并得到以下3点主要认识：1）千佛洞上覆土壤气、洞穴空气pCO₂及δ¹³C_CO2表现出相似的季节变化特征,夏季pCO₂偏高,δ¹³C_CO2偏轻,冬季则相反。降水量和温度是土壤pCO₂及δ¹³C_CO2变化的主要影响因素;2）千佛洞洞穴水体δ¹³C_DIC值呈现显著的季节变化规律,夏季偏轻,冬季偏重,表明土壤pCO₂及δ¹³C_CO2对其影响较大,说明该洞洞穴水体δ¹³C_DIC可以较好地响应外界环境变化。此外,4个滴水点δ¹³C_DIC值在变幅和绝对值之间存在一定差异,这可能是受到不同滴水点的运移路径和滴水速率等因素的影响;3）千佛洞现代沉积物δ¹³C也表现出明显的季节变化特征,说明该洞现代沉积物δ¹³C可以较好地继承滴水中的δ¹³C_DIC信号。千佛洞的初步观测结果为利用该洞穴或者临近区域洞穴沉积物开展古气候重建提供了借鉴和参照。

     

重度石漠化区不同土地利用方式下土壤养分特征

本文以云南省蒙自市西北勒乡碧色寨村石漠化土地为研究对象,基于主成分分析法（PCA）研究岩溶石漠化区不同土地利用方式下的土壤养分特征。结果表明:（1）研究区土壤各养分指标变异系数介于0.14~1.76,不同土地利用方式下,土壤养分状况有较大差异;（2）研究区土壤12项养分指标可归结为3个主成分,所提供的信息占全部信息的90.69%,其中PC1主要包含了全磷、有效磷、速效钾和有效锰,PC2主要综合了有机碳、全氮、全钙和有效锌,有效铁对PC3具有较大的贡献。（3）对不同用地类型土壤养分的主成分得分进行排序,由大到小依次为火龙果地>林地>封育草地>玉米地,表明植树造林及火龙果种植等方式能有效改善石漠化区的土壤养分状况。建议对样区的石漠化治理应以封山育土为前提,以生态恢复为目的,通过种植火龙果与修复林地改善样区土壤状况,逐步形成生态环境与社会经济协调发展的石漠化综合治理体系。      

岩溶生态系统中的植物

岩溶生态系统是受岩溶环境制约的生态系统,是脆弱的生态系统,缺水、少土、富钙是岩溶生态系统无机环境的基本特征,植物与岩溶环境长期的相互作用,演化出独特的岩溶植物。岩溶植物具有喜钙性、石生性、旱生性,其多样性表现为少属科、寡种属和特有种,更有岩溶生态系统中特有的洞穴弱光带、天坑植物群落。植物是生态系统的生产者,肩负着生态系统的生产力、生态服务功能的重任,退化岩溶生态系统的修复,需要根据中国岩溶生态系统发育特色,探索发展具有仿自然特色的生态产业,走出岩溶区“绿水青山就是金山银山”的道路,完善中国岩溶生态系统理论。     

硫酸对典型岩溶流域碳酸盐岩溶蚀及碳循环意义:以广西平果岩溶流域为例

为探讨硫酸参与碳酸盐岩的溶蚀过程和对碳循环的影响,选择广西西南部平果县西南部右江中游以西典型岩溶流域,利用流域地表水和地下水水化学及碳同位素（δ¹³C_DIC）探讨了流域水化学特征及其主要影响因素,并利用水化学计量法对硫酸溶蚀碳酸盐岩的比例和对HCO₃^-离子的贡献比例进行了定量计算。结果表明：1）研究区水化学类型为HCO₃-Ca型,Ca²⁺和HCO₃^-是地下水和地表水最主要的阳离子和阴离子,水化学特征主要受碳酸盐岩化学风化作用的控制;2）地下水和地表水δ¹³C_DIC值介于-5.90‰~-16.62‰之间,大多数水样[Ca²⁺+Mg²⁺]与[HCO₃^-+SO₄^2-]当量平衡,[Ca²⁺+Mg²⁺]/[HCO₃^-]当量比值介于0.86~1.31之间,平均值为1.13,大部分大于1,表明除碳酸外,硫酸也参与了溶蚀碳酸盐岩;3）硫酸溶解碳酸盐岩对地下水（Ca²⁺+Mg²⁺）和HCO₃^-的贡献比例分别为0~46.88%和0~30.62%,平均贡献比例分别为20.08%和11.81%;对地表水（Ca²⁺+Mg²⁺）和HCO₃^-的贡献比例分别为14.67%~67.65%和7.92%~51.11%,平均贡献比例分别为38.88%和26.35%,显示了硫酸显著地参与了流域碳酸盐岩的溶蚀。硫酸参与流域碳酸盐岩的溶蚀改变了区域碳循环,这是全球碳循环模型应考虑的一个重要环节,不能被忽视。

     

岩溶区原始林土壤微量元素含量与有效特征

以贵州茂兰、海南俄贤岭、云南西双版纳勐远仙境国家公园和绿石林自然保护区内具有典型岩溶地貌特征的原始林为研究对象,调查岩溶原始林地土壤4种微量元素（Cu、Fe、Mn、Zn）全量和有效态含量。结果表明,岩溶区原始林地土壤全铜、全铁、全锰和全锌含量分别为0.03~0.08 g·kg-1、35.6~57.4 g·kg-1、0.74~5.83 g·kg-1和0.13~1.03 g·kg-1,均超过国家背景值的平均值。研究区土壤Cu、Fe、Mn和Zn有效态含量分别为1.09~3.51 mg·kg-1、11.6~62.9 mg·kg-1、48.3~173 mg·kg-1和4.17~37.6 mg·kg-1,根据土壤微量元素有效态评价标准,4种微量元素有效态含量均处于较高水平。原始林地土壤Cu、Fe、Mn和Zn的活化率均值分别为5.48%、0.10%、6.44%、4.19%,表明岩溶区森林土壤Cu、Mn和Zn供素水平高,Fe供素水平低。4个原始林地土壤微量元素有效性综合指数（Et）为茂兰（21.0）>绿石林（12.8）≈勐远（12.7）>俄贤岭（5.15）,且Et与全氮和有机碳含量呈显著的正相关。     

放牧对峰丛洼地植物-土壤C、N、P化学计量特征的影响

以西南典型岩溶峰丛洼地平果石漠化区为研究区,选取受放牧干扰和未受放牧干扰植被样地,开展放牧干扰对植物-土壤C、N、P元素生态化学计量学特征影响的研究。结果显示,（1）6种受放牧干扰样地土壤（0～20 cm）的C、N、P含量均值分别为6.27 %、0.57 %、0.088 %;植物根、茎、叶和凋落物C、N、P含量均值分别为442.15 g·kg-1、8.33 g·kg-1、0.73 g·kg-1。放牧干扰下,植物和土壤C、N、P含量减少,变异系数增大,容易导致石漠化发生和恶化;（2）6种典型样地土壤C∶N、C∶P、N∶P均值分别为10.76、73.94、6.76;植物根、茎、叶和凋落物C∶N、C∶P、N∶P分别为53.62、669.50、12.53。与无放牧干扰样地相比较,受放牧干扰的样地植物和土壤C∶N、C∶P、N∶P化学计量比呈下降趋势,放牧干扰在一定范围内能提高土壤P的有效性,但当N∶P比值减少到一定程度时,植物的生长受N限制。（3）恢复样地的土壤-植被C、N、P及其比值都优于干扰样地,放牧干扰能在短时间内造成环境迅速退化和石漠化的发生和加剧。禁牧后土壤和植物养分能在短时间内得到修复和改善,尤其是草本饲料类植物经短时间自然恢复后得以恢复正常生长发育。（4）在岩溶峰丛洼地石漠化区,土壤和植物的C、N、P、C∶N、C∶P、N∶P关系密切,相互之间具有促进或抑制的作用,共同影响植物的生长发育和石漠化演变方向。      

岩溶区农业种植对土壤有机氮矿化的影响

土壤有机氮矿化是供应无机氮的主导过程,研究其变化对于认识土壤氮素有效性和指导氮肥施用具有重要意义。本研究分别在云南建水、蒙自和勐腊岩溶区选取脐橙地、玉米地和橡胶地作为研究对象,并以临近未受人为扰动的草地或原始林地作为对照,采用15N同位素标记方法,研究了岩溶区草地或原始林地开垦种植农作物后石灰土有机氮矿化(MNorg)速率变化,并区分了易分解有机氮矿化(MNlab)和难分解有机氮矿化(MNrec)对MNorg的贡献。结果表明,原始林地土壤MNorg (8.94 mg N?kg-1 d-1)显著高于草地(1.41~2.46 mg N?kg-1 d-1),且均以MNlab为主。其中,草地MNlab对MNorg贡献率可达80.6%~93.1%,而在原始林地中该贡献率达到62.2%。岩溶区草地或林地开垦种植经济作物显著降低MNorg速率,其MNorg速率为0.53~0.89 mg N?kg-1 d-1,下降比例达62.5%~90.1%。这种差异主要受MNlab和MNrec影响,由草地开垦种植脐橙和玉米后土壤MNorg下降主要归于MNlab速率下降,而MNrec并未发生显著变化;原始林地开垦种植橡胶后土壤MNorg下降主要归于MNlab和MNrec速率的共同下降。岩溶区草地或原始林地开垦种植农作物后土壤有机碳、全氮、全磷、全钙和全镁含量及土壤田间持水量、pH、阳离子交换量均显著降低,且与土壤MNorg和MNlab呈显著正相关,表明农业种植对土壤理化性质的改变是影响矿化速率的重要因素。     

岩溶区砂糖桔短期种植对土壤氮转化过程的影响

利用¹⁵N同位素成对标记法并结合MCMC数值模型,研究岩溶区乔灌地开垦种植砂糖桔4年后土壤氮转化特征。结果显示：乔灌地开垦种植砂糖桔后,土壤有机氮矿化速率由2.93 mg N·kg⁻¹·d⁻¹显著下降至0.60 mg N·kg⁻¹·d⁻¹,土壤无机氮的供应能力降低,土壤有机氮矿化速率与土壤有机碳、全氮和全钙含量呈显著正相关性,与铁、铝、钾和黏粒比例呈显著负相关性;土壤铵态氮微生物同化速率由1.76 mg N·kg⁻¹·d⁻¹显著降低为0.10 mg N·kg⁻¹· d⁻¹,在砂糖桔地铵态氮微生物同化速率与有机氮矿化速率的比值仅为0.17。乔灌地土壤自养硝化速率高达11.06 mg N·kg⁻¹·d⁻¹,而硝态氮微生物同化作用微弱,硝态氮异化还原速率仅为0.64 mg N·kg⁻¹·d⁻¹,导致硝态氮净产生速率达到10.42 mg N·kg⁻¹·d⁻¹。由于土壤铵态氮浓度的降低和施肥导致土壤酸化不利于硝化细菌的活动,自养硝化速率显著降低至1.68 mg N·kg⁻¹·d⁻¹。岩溶区乔灌地开垦种植砂糖桔4年后土壤氮转化速率呈下降趋势。     

断陷盆地区不同土地利用方式土壤钙形态分布特征

选择云南省蒙自市西北勒乡碧色寨村具有典型岩溶地貌特征的草地、人工林地、玉米地（由草地开垦种植玉米2年）和火龙果地（由草地开垦种植火龙果5年）作为研究对象,采用连续浸提（BCR）提取方法测定不同形态钙含量,以探讨岩溶区不同土地利用方式下石灰性土壤钙形态特征及其影响因素。结果表明:土地利用方式显著影响了土壤全钙含量及其形态分布;草地土壤全钙和各形态钙含量均高于其他土地利用类型,玉米地最低;４种土地利用方式土壤钙的赋存形态主要为交换态（占总量的59.4%~74.8%）,有机结合态钙含量最低（占总量的0.5%~1.0%）;全钙和各形态钙与有机碳、全氮、全镁、阳离子交换量（CEC）、pH呈显著正相关,说明全钙和各形态钙与土壤物理化学性质是互相影响的。      

岩溶区和碎屑岩区林地和农田土壤氮矿化过程对比研究

通过15N标记法和MCMC氮素转化模型,研究了岩溶区(石灰性土壤)和碎屑岩区(红壤)林地和农田土壤易分解有机氮矿化(M易)、难分解有机氮矿化(M难)和总有机氮矿化(M总)速率.结果发现,土壤矿化速率受土壤类型和土地利用方式的显著影响.林地石灰性土壤M总 (3.71 mg N/kg)显著低于林地红壤(5.57mg N/kg),石灰性土壤MNab(1.81 mg N/kg)与MNrec(1.90 mg N/kg)相近,而红壤M易 (4.60 mg N/kg)显著高于M难 (0.96 mg N/kg).林地变为农田后,石灰性土壤M总显著提高,而红壤显著降低.与林地相比,岩溶区农田土壤M易提高了72.5%,而M难下降了33.7%.碎屑岩区农田土壤M易和M难分别降低至2.47和0.46 mg N/kg.岩溶区土壤CaO和MgO含量与M易呈显著负相关,而与M难呈显著正相关,表明岩溶区土壤钙镁含量是影响氮矿化速率的重要因素.