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矿物风化是植物所需矿质养分的主要来源,是重要的酸沉降缓冲机制,也是大气CO2消耗的重要途径。当前环境条件下,酸沉降不断增加,植物快速生长,开展这些因子对当前土壤矿物风化的影响研究尤为必要。然而,过去很多研究忽略了植物对矿物风化的影响,且有关研究主要集中在欧洲和北美(温带和寒带地区),对热带和亚热带地区的研究少见报道,而且植物驱动矿物风化的影响多为定性研究,不能系统了解植物对矿物风化的贡献。此外,虽然前人开展了大量酸沉降对矿物风化的影响研究,但往往只考虑H+直接输入的影响,未考虑氮、硫迁移转化对H+平衡的影响,不能全面认识酸沉降对矿物风化的作用机理。 本研究基于元素地球化学平衡方法,选取亚热带花岗岩地区的3个相连小流域(F-100%森林、FA1-82%森林/18%农田和FA2-76%森林/24%农田)开展长期定点研究,动态监测了大气沉降和径流输出通量及其化学组成,采集岩石、土壤和植物的代表性样品并分析其化学组成,估算了植物生长驱动下的矿物风化,对比了不同植被类型对矿物风化的影响并量化了植物对矿物风化的影响,探究了植物生长及其驱动下的矿物风化吸收大气CO2的相对贡献。此外,根据长期监测的氮输入输出数据,选取典型降雨事件监测降雨-径流的动态变化及其化学组成及NO3-中的氮氧同位素的自然丰度,探究了伴随酸沉降输入的氮在流域生态系统中的主要迁移和转化途径及其对矿物风化的影响。主要结论如下: (1)3个流域(F、FA1和FA2)中,氮沉降及其迁移转化过程产生的H+分别占各流域H+总输入量的37.0%、31.4%和42.4%,与酸雨直接输入的H+量相当,是重要的H+源。3个流域中盐基离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)和Si的月输出量与主要H+源输入量的相关性分析表明,酸沉降产生的H+能促进盐基离子和Si的输出且主要受N沉降及其转化过程产生的H+影响。典型降雨事件中雨水和径流水硝酸盐的氮氧同位素丰度数据证明硝化作用是N沉降的主要转化机理。因此,NH4+沉降在生态系统中进行硝化作用产生的H+是酸沉降驱动矿物风化的主要影响机制。 (2)当考虑植物的贡献时,研究区森林流域(F)中Ca、Mg、Si以及盐基离子和Si的总风化通量分别为不考虑植物因素的2.6倍、1.8倍、1.2倍和1.5倍,说明在元素地球化学质量平衡计算中是否考虑植物因素对结果有重要的影响。当考虑植物对矿质元素的吸收,森林流域中源于矿物风化的Na、K、Mg和Ca分别占元素总输入的77.6%、64.0%、60.4%和52.7%,植物吸收的矿质养分很大程度上源于矿物风化,而植被与岩石和土壤中K∶Na∶Ca∶Mg∶Si摩尔比例的差异进一步证明植物吸收将影响矿物风化。植物对阴阳离子不平衡吸收过程中将产生1288.5eqha-1yr-1的H+,是降雨直接输入量(564.7eqha-1yr-1)的2倍多。因此,植物直接驱动矿物化学风化两个重要的机理分别为植物对矿物风化所释放的矿质养分的吸收以及阴阳离子不平衡吸收过程中产生的H+。 (3)研究区不同林分吸收矿质元素和伴随释放的H+的量均有较大差异,研究所处的亚热带地区的矿物风化通量比前人在温带和寒带地区的研究结果高1.3倍以上,说明植物生长驱动矿物风化的影响程度因植被类型和气候条件而异。此外,研究区3个流域植物碳储量和年均吸收CO2量的差异及其影响下的径流中HCO3-的差异表明不同土地利用(农作物和森林植被)对矿物风化的影响存在差异,进一步说明多点位研究对系统认识植物对矿物风化的影响的重要性。 (4)开展酸沉降和植物生长对土壤矿物风化的影响研究,对流域管理及区域生态建设具有重要的科学意义。研究区植物吸收过程产生的H+量与酸沉降总输入的H+量基本相当,若只考虑H+驱动矿物风化的影响,两者的影响程度基本相同。氮沉降仍是重要的氮源,为提高氮肥利用率和避免氮流失造成的污染,在施肥时应考虑氮沉降的贡献。植物生长过程会吸收大量矿质元素同时释放大量H+,使得土壤进一步酸化。亚热带地区降雨主要集中在夏季,此时应加大降雨和径流的监测频率,以便正确认识元素在流域中的迁移转化规律,为开展农业活动提供更合理的参考依据。