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青木关岩溶流域水——土系统碳氮同位素特征研究

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岩溶系统是陆地生态系统的重要组成部分，包括植被、土壤和水文等子系统，其资源环境问题越来越受到人们的关注。由于岩溶流域特殊的地质背景，使得岩溶水-土系统具有独特的生态环境特征，直接制约着当地社会经济的发展。碳氮元素是土壤营养物质和地下水溶质的重要组成部分，直接参与生物地球化学作用。生物地球化学过程中的同位素分馏使得稳定碳氮同位素能够示踪碳氮元素在水-土系统中的迁移转化，为研究岩溶流域水土流失、岩溶作用和岩溶水水质演变提供了重要手段。本文以重庆青木关岩溶流域为例，利用稳定碳氮同位素研究流域水-土系统碳氮分布、变化和来源，探讨自然与人为因素的影响。主要研究内容包括：
　　 ⑴青木关流域岩溶管道流的水文变化对降雨响应迅速，导致其水化学具有较强的动态变化特征。流域地表水和地下水的地球化学主要受地质背景控制，受白云岩溶蚀、石膏溶解(较高的δ34S值)和硫化物氧化影响(较低pH值)的侧向裂隙水水化学为Mg·Ca-SO4型，而受灰岩溶蚀控制下的地表径流、岩溶裂隙泉、洞穴裂隙水和地下河水等均呈弱碱性，水化学组成以Ca2+和HCO3-为主，属于岩溶水。地下河水地球化学介于裂隙水和地表水之间，显示其受地表水和裂隙水共同补给，且以裂隙水为主。不同植被类型下的土壤水化学也不同，其中灌丛和旱地土壤水为Ca-HCO3型，退耕还林地土壤水为Ca-HCO3·SO4型，而草地和针叶林地土壤水为Ca-SO4型，它们同土壤理化性质密切相关。岩溶水地球化学的形成和变化既受地质背景和岩溶作用强度的控制，又受外界自然和人为因素的综合影响，包括降雨冲刷淋溶作用与稀释效应、土地利用类型和农田施肥时令以及其它人为因素。
　　 ⑵不同植被下的土壤碳氮含量及其同位素均具有横向和垂向差异。土壤水溶性有机碳和有机氮含量为草地≈针叶林地>退耕还林地>灌丛地>旱地，并随着深度增加而降低，且与土壤pH值成反比。不同植被下土壤溶解无机氮以硝态氮为主，其大小为耕地土>灌丛土>退耕还林土>草地土>林地土，且随深度的增加，硝态氮含量升高，具有累积效应。表层土壤氮同位素与植物体氮同位素具有显著相关性，使得不同植被类型下的土壤氮同位素具有很大差异。土壤有机氮同位素垂直变异特征表现为，40 cm以上的土壤主要受植物残体影响而贫化15N，且变化较大；40 cm以下土壤受较强的矿化作用影响而富集15N，变化较小。除受植被影响外，土壤有机氮同位素还广泛受到土壤质地、结构、pH值、有机质含量、碳氮比和农业施肥活动等因素共同影响。灌丛地、旱地和退耕还林地土壤水具有较高DIC浓度和δ13CDIC值，均值分别达230.66 mg/L和-9.62‰，158.09 mg/L和-9.93‰，115.46 mg/L和-10.5‰，其DIC主要来自碳酸盐岩的溶蚀和土壤CO2的溶解。它们的δ13CDIC值与DIC浓度却呈正相关关系，且雨季偏高，旱季偏低。针叶林地和草地的DIC浓度和δ13CDIC值均较低，分别为17.79 mg/L和-15.68‰，14.81 mg/L和-16.10‰，其DIC主要来自土壤CO2的溶解。
　　 ⑶除侧向裂隙水的DIC较低(38.34 mg/L)外，洞穴裂隙水、地下河水、岩溶裂隙泉和地表径流都具有较高的DIC浓度，均值分别为330.62 mg/L、326.74 mg/L、290.94 mg/L和198.13mg/L。侧向裂隙水和洞穴裂隙水的DIC浓度在雨季高于旱季，表现为土壤CO2效应。地下河水和地表径流的DIC浓度在雨季有所降低，表现为降雨稀释效应。岩溶水的δ13CDIC值变化范围为-13.60‰～-5.89‰，指示其溶解无机碳主要来源于碳酸盐岩和土壤CO2。雨季，岩溶水的δ13CDIC值较旱季偏低2‰～4‰，其DIC更多为土壤CO2成因。受其他酸(如有机酸等)参与岩溶作用影响，岩溶水的δ13CDIC值会相对偏高，其DIC来自碳酸盐岩本身的比例增加。岩溶裂隙泉、洞穴裂隙水和地下河水δ13CDIC值与DIC浓度具有反相关关系，雨季偏低，旱季偏高。地表径流δ13CDIC值与DIC浓度没有明显的相关性，显示其受多种因素控制。
　　 ⑷流域雨水的NO3-浓度为5.09 mg/L，δ15NNO3为2.92‰，其硝态氮主要来自干沉降或煤炭等燃烧排放的NOx。岩溶水中的NO3-的形成主要与区内人类活动有关，在无人类活动影响下，岩溶水的δ13NNO3值约为4‰，其NO3-主要来自矿化的土壤有机氮；受污水或粪便影响的岩溶水则具有较高的NO3-浓度和δ15NNO3值。在旱季，地表径流的NO3-浓度和δ15NNO3值分别为2.56mg/L和4.74％o，指示其硝态氮主要来源于土壤有机氮；而在雨季，地表径流的NO3-浓度和δ15NNO3值分别为7.87 mg/L和6.81‰，其硝态氮主要来源为合成化肥和有机化肥的混合。地下河水的NO3。浓度变化范围为15.84～63.5 mg/L，其δ15NNO3值为4.42‰～12.24‰，总体上表现为雨季较低，其硝态氮主要来自矿化的土壤有机氮与合成化肥的混合；而旱季较高，其硝态氮主要来源为土壤有机氮和污水或粪便的混合。
　　 ⑸根据青木关流域下水系统地球化学特征，结合δ13CDIC、δ15NNO3和δ34S，判断流域岩溶作用方式以CaCO3-CO2-H2O岩溶动力系统溶蚀为主，而硫酸和硝酸参与流域碳酸盐岩溶蚀作用较弱。另外，流域碳酸盐岩溶蚀在一定程度上受到了有机酸的影响。根据流域水化学计算得出流域发生岩溶作用的碳酸盐岩的化学分子式为(Ca0.85Mg0.15)CO3，并利用水化学-径流量方法估算出了流域岩溶作用产生的碳酸盐岩溶蚀速率和大气CO2沉降率分别为115.31t/(km2·a)和46.07 t/(km2·a)，高于我国南方岩溶区碳酸盐岩溶蚀速率以及由此产生的大气CO2沉降速率。

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