论文部分内容阅读
长期以来，酸沉降已经成为制约我国经济与社会协调发展的首要环境问题之一。酸性土壤中铝的活化、释放机制与氮的生物地球化学循环是研究酸沉降对地表生态的影响机制、确定生态系统酸沉降承载能力的难点和关键环节。有鉴于此，本报告以大气酸沉降及其生态影响为背景，在博士研究生期间现场观测和实验模拟等研究工作基础上，开展了如下两方面的研究工作：①以现场观测为基础，运用多元数理统计方法综合评价了影响土壤铝活化、释放过程的众多地球化学过程，突破了以往工作中只能基于某些化学机制对少数影响因素进行讨论的局限性。②选择典型森林土壤剖面，研究了土壤水溶性有机物(WSOC和WSON)的含量、形态及其C/N比值的分布特征，初步探讨了它们对土壤氮形态分布影响，为确定水溶性有机物在土壤氮循环中的作用开展了探索性研究工作。开展上述的研究工作有利于深入认识酸沉降对地表生态系统的影响机制，从而为科学计算生态系统酸沉降承载能力、合理控制酸沉降提供必要的理论基础和科学依据。
现场观测显示：IMPACTS(Integrated Monitoring Program on Acidification ofChinese Terrestrial Systems)项目各站点土壤水中单体铝(Ala)主要以无机铝(Ali)形式存在，大多数样品中有机铝(Alo)不超过10％，这与欧美的研究结果具有很大的差异。在pH3.6-5.6之间，Al3+与pH之间存在显著相关性，表层和底层土壤中pH-pAl拟合直线的斜率分别为1.28和2.00，明显偏离三水铝石等矿物的溶解平衡模式。
在国内率先尝试应用偏最小二乘法回归综合评价影响土壤铝活化、释放过程的诸多因素。结果显示：①各种影响因素在表层和底层土壤中具有不同的重要性：表层土壤中，土壤水离子强度(I)是影响铝浓度的首要因素，有机键合铝(Alorg)和无机键合铝(Alinorg)都是土壤水中铝的重要来源，但以前者为主；底层土壤中，土壤水H+浓度(pH)成为影响铝浓度的首要因素，土壤水中铝主要源自土壤无机键合铝(Alinog)；②无论是在表层还是底层土壤中，铝的活化、释放过程都显著受到离子交换过程的影响。③在研究区域内没有发现土壤有机物对铝活化、释放过程的显著影响。基于现场观测、数理统计以及前期的试验研究，我们首次建立了以离子交换过程为基础的铝活化模式，并且在研究区域内得到成功的应用。
在IMPACTS项目的五个小流域内，绝大多数土壤水中Ali/(Ca+Mg)摩尔比值小于临界值1.0。偏最小二乘法回归分析显示：表层中，土壤铝饱和度(AlS)是影响摩尔比值的首要因素，土壤铝饱和度愈高，摩尔比值愈高；底层土壤中，土壤水中无机铝(Ali)的浓度成为主导因素，摩尔比值随无机铝(Ali)浓度的增加而升高。综合分析后，我们认为：土壤铝饱和度(AlS)是影响Ali/(Ca+Mg)摩尔比值区域性差异的主要因素，土壤水中无机铝(Ali)浓度是导致同一流域Ali/(Ca+Mg)摩尔比值纵向变化的主要因素。
本文首次报道了我国西南地区酸性山地黄壤中水溶性有机碳(WSOC)和吸附态有机碳的剖面分布特征。雷公山和铁山坪流域水溶性有机碳的浓度在50-200mgC/kg之间，低于欧美灰化土和我国黄棕壤。水溶性有机碳都随着剖面深度的增加而降低，并未出现水溶性有机碳在底层土壤中富集的现象。吸附态有机碳的剖面分布特征与水溶态有机物存在明显差别。雷公山流域吸附态有机碳在剖面中上部(10-40 cm)浓度较高，而后逐渐降低；吸附态与水溶态有机碳的比值多在10-30之间，并且在20-30 cm处达到最大值。与雷公山相比，铁山坪流域吸附态有机碳的浓度较低，并且随土壤深度而降低；吸附态与水溶态有机碳的比值在5以下，但随土壤深度增加该比值有增加的趋势。因此，可以认为两个流域中有机碳都有在某一深度吸附的趋势，雷公山流域在上层20-30 cm处，而铁山坪流域在剖面底部。
本文首次报道了我国酸性土壤中水溶性有机氮和吸附态有机氮的分布特征。水溶性有机氮(WSON)浓度多在1-10 mgN/kg之间，在四个剖面的变化趋势与水溶性有机碳基本相似。雷公山流域中吸附态有机氮的浓度偏高(20-100mgN/kg)，并且在20-30 cm处达到最大值；吸附态与水溶态有机氮的比值在20-80cm处较高。铁山坪吸附态有机氮除表层外都在20 mgN/kg以下，吸附态与水溶态有机氮的比值随剖面深度略有增加，但都在10以下。所以同有机碳一样，有机氮有在土壤中吸附的现象。从吸附态与水溶态有机氮的比值来看，有机氮的吸附比有机碳更为显著。
吸附态和水溶态有机物的C/N比值具有不同的变化趋势。多数水溶态有机物C/N比值都在10-40之间；研究的四个剖面中C/N比值在20-60 cm之间具有低值，在这一区间之下C/N比值开始增加，说明氮在20-60 cm深度区内的水溶性有机物中相对富集。除表层外，雷公山流域吸附态有机物C/N比值低于水溶态有机物，尤其是在底层(60-90 cm)。因此，除表层外，雷公山整个剖面中吸附态有机物比水溶态有机物中更富集氮素。铁山坪流域吸附态有机物C/N比值在剖面中上部(0-50 cm)较高(＞30)，50 cm以下C/N比值开始下降并低于水溶态的C/N比值，说明剖面底部吸附态有机物中氮的富集程度较高。吸附态有机物中氮相对富集这一现象在其它文献中还未见报道。
本文首次对比研究了不同提取物中水溶性氮的形态分布，结果发现；负压渗漏计(Lysimeter)所采集的土壤水中NO3--N是主导形态；铁山坪流域土壤水中各种氮形态的浓度都远高于雷公山流域。两个流域土壤水提取物中总氮的浓度差别不大，氮的形态分布也基本相似；KH2PO4能够提取吸附态的有机物，因此KH2PO4提取物中有机氮的比例显著增加。无论是在水提取物还在是KH2PO4提取物中，氮的形态分布具有一个共同的特点：有机氮所占的百分比在剖面中部某一深度达到最大，这种趋势在水提取物中尤为明显。
我们首次发现：WSOC、NO3-N、NH4-N、C/N比值四个因素对水溶性有机氮影响的相对重要性依次降低。其中，WSOC和NO3-N是影响水溶性有机氮的最主要因素。根据水溶性有机氮的非生物形成机制及其在土壤中的吸附过程，本次研究中水溶有性机物的分布特征可以得到较好的解释。