青木关岩溶流域土壤水水化学变化特征及其控制因素

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土壤水是联系地表水、地下水和生物地球化学循环的纽带,是物质运移、传输的载体,在“四水”的转化和物质循环中扮演着重要的角色。在岩溶区,土壤水是大气降水向地下水转化的重要途径,大气降水滞留地表后,一部分渗入土壤层,沿着土壤中的孔隙运移进入岩溶含水层,在这一过程中,水分子溶解土壤系统中有机、无机的溶质进入岩溶含水层,从而控制着岩溶水系统的地球化学特征。所以土壤水在岩溶区生态水文过程中扮演着重要的角色,对作为营养物质传输和迁移载体的土壤水进行研究具有重要的科学意义。碳素在岩溶生态系统中起着重要作用,士壤中生物活动产生高浓度的CO2,部分溶于渗透水,溶蚀碳酸盐岩矿物,产生溶解无机碳进入地下水中。由于生物、大气、地质等不同来源的碳具有不同的碳同位素组成,故可以根据碳同位素组成来示踪土壤水中生物地球化学过程。本文以重庆青木关岩溶小流域为研究对象,选取五种土地利用类型(草地Q1、旱地Q2、灌丛地Q3、退耕还林地Q4、竹林地Q5),按土壤发生层埋设土壤水取样器,并按10cm间隔采集土壤样品,在室内进行土壤水阴阳离子、DOC和碳同位素的测试,并对土壤的主要理化性质(土壤的机械组成、碳酸盐含量、水分、pH、土壤水溶性有机碳和无机氮等)进行了测试分析。讨论人类活动、土地刊用类型、地质背景、气候条件和土壤理化性质对土壤水化学的影响。分析了土壤水溶解无机碳含量(DIC浓度)及其稳定碳同位素组成((δ13CDIC值)的时空变化特征,以揭示岩溶土壤系统碳酸盐岩溶蚀作用及其碳汇效应。并得出以下主要结果:(1)土壤的含水量、有机碳、机械组成、酸碱性、碳酸盐含量等各种理化性质对土壤水水化学性质以及离子迁移方式有着显著影响。土壤pH值主要受到土壤母质、土壤发育程度、上覆植被以及人类施肥活动的影响,各土壤剖面pH值变化与土壤溶液的pH值变化一致,都表现为表层pH值稍低,随土壤深度增加,pH值稍增。在空间变化上都表现为:灌丛地>旱地>退耕还林地>竹林地>草地,表明了土壤对土壤水pH值的控制作用。不同土壤剖面土壤中wsoc和土壤水DOC在深度上都表现为表层高于底层,但在空间变化上则呈反相关关系。土壤中硝态氮受农业施肥活动影响显著,由于土壤中硝态氮易溶于水,所以土壤硝态氮含量与土壤水中的N03"的分布较为一致。表现为旱地>灌丛地>退耕还林地>竹林地>草地。由于土壤粘粒对阳离子具有极强的吸附性,土壤剖面中粘粒含量与土壤水中K+、Na+离子呈反相关关系。土壤水中DIC浓度与土壤剖面中碳酸盐含量变化有很好的相关性。各剖面土壤水DIC浓度依次为灌丛地>旱地>退耕还林地>草地>竹林地,在深度变化上,土壤水DIC也与土壤中碳酸盐含量有很好的一致性。(2)不同采样点土壤水有不同的水化学特征,同一采样点不同深度土壤水水化学性质相似。在富钙、偏碱性的岩溶土壤环境中,Ca2+和HC03"是土壤水中主要的阴阳离子。草地和竹林地点土壤水化学类型为Ca-SO4型,旱地和灌丛地土壤水化学类型为Ca-HCO3型退耕还林地土壤水化学类型为Ca-HC03·S04型。各采样点土壤水水温随季节变化明显,电导率均值依次为:569.281μs/cm(旱地)>547.89μs/cm(灌丛地)>397.33μs/cm(退耕还林地)>209.16μs/cm(竹林地)>131.46μs/cm(草地)。各采样点离子浓度受人类施肥活动、地质背景、降水、土地利用、土壤理化性质等因素影响表现出不同特征。(3)研究区不同植被类型下土壤水的DIC浓度和δ13CDIC值表现出明显的时空差异。草地和竹林地土壤水的DIC浓度和δ13CDIC值相对较低,分别为56.12mg/L和-17.22%‰,27.15mg/L和-16.56‰,指示其土壤水中DIC主要来源于土壤CO2而旱地、灌丛、退耕还林地土壤水具有较高的DIC浓度和δ13CDIc值,分别达153.88mg/L和-12.2‰,221.85mg/L和-11.9‰,127.11mg/L和-11.65‰,其中灌丛地和退耕还林地的δ13CDIC值与DIC浓度呈正比,且雨季较旱季偏高约4%‰-5%‰。根据δ13CDIC值,结合各植被类型下土壤水DIC浓度与其相应的土壤碳酸盐含量呈正相关,判断旱地、灌丛、退耕还林地土壤水中的DIC主要来自土壤中碳酸盐岩矿物的碳酸溶蚀,即岩溶土壤中存在着碳酸盐岩碳酸溶蚀作用,从而在一定程度上减少了土壤系统向大气排放的CO2量。
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