岩溶流域不同土壤剖面溶解性碳氮分布和淋失特征.docx

1、第24卷第6期水土保持学报Vol.24No.62010年12月JournalofSoilandWaterConservationDec.2010-_一,=-.一=，.一-“，一r,，a岩溶流域不同土壤剖面溶解性碳氮分布和淋失特征汪智军，梁轩，袁道先(西南大学地理科学学院/三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆400715)摘要：选取了重庆青木关岩溶流域不同土壤剖面按10cm间隔取样.测试各种土壤溶解碳氮含髭.探讨不同土壤削面溶解碳氮分布和淋失特征.结果表明，岩溶流域不同地质背景、植被类型和土地利用方式下的土壤剖面溶解碳氮均具有横向和垂向差异.砂岩区林地土壤D()C、DON和铉态敏含址高于灰岩区的

2、土壤.而其硝态氮含址比灰岩区土壤低。灰岩区土壤DOC和DON含量为草地Q林地退耕还林地灌丛耕地(稻田除外)它们均随着深度增加而降低。岩溶区土壤DOC和DON与土壤pH值成反比，受富钙镁偏碱的岩溶生态环境制约.土壤溶解性有机碳制会发生中和或螫合反应而被固定.岩溶区特殊的土壤削面结构使得土壤DOC和DON在降雨条件下存在淋失的可能性.不同土壤剖面溶解无机鬼形态以硝态氮为主,其次为铉态氮亚硝态氮含成较低。林地钱态氮受植被类型影响较小，且低于耕地。不同土壤削面硝态氮含髭为耕地土灌丛土退耕还林土草地土林地土，其含量均随深度增加而升高，具有累积效应，表明土壤硝态氮发生了淋溶作用,其在降雨条件下极易淋失进入

3、岩溶地下水中。关键词：岩溶流域；土壤剖面；溶解性碳敏；碳氮分布；淋失中图分类号：S157.1;S153.6文献标识码：A文章编号：1009-2242(2010)06-0083-05DistributionandLeachingofDissolvedCarbonandNitrogeninDifferentSoilProfilesinKarstBasinWANGZhi-jun,LIANGXuan,YUANDao-xian(KeyLaboratoryoftheThreeGorgesReservoirRegion'sEcorenvironment(MOE),SchoolofGeographic

4、alSciences.SouthwestUniversity.Chongqing400715)Abstract:Soilsampleswereinvestigatedat10cmintervalsindifferentprofilesinQingmuguankarstbasin»Chongqing»China.Soildissolvedcarbonandnitrogen(organicandinorganicspeciesincluded)wereanalyzedtoexplorethedistributionandleachingindifferentsoilprofil

5、es.Theresultsshowthatcontentsofsoildissolvedcarbonandnitrogenvariedbothlaterallyandverticallyindifferentsoilprofilesunderdifferentgeology*vegetationandlanduseconditions.ForestsoilsinsandstoneareahadhigherDOC,DONandNHjNcontentsbutlowerNOjNcontentthanthoseinlimestonearea.Inlimestonearea,themeancontent

6、sofsoilDOCandDONdecreasedfromgrassland,coniferousforestland*afforestationland,shrubland,totiltland(exceptforpaddysoil)successivelyandfromsurfacetobottominsoilprofile.BothDOCandDONcontentsofkarstsoilwerecorrelatednegativelywithsoilpHvalueduetotheneutralizationorsequestrationinthekarstenvironmentwithh

7、ighpHvalue,Ca2+andMg2+contents.Owingtothespecialstructureofkarstsoilprofile*soilDOCandDONcouldpossiblyleachintokarstaquiferbyrainfall.NOfNwasthemainspeciesofdissolvedinorganicnitrogen,followedbyNHjN,andNO?Nwasmuchlower.NHjNcontentofforestlandwaslowerthanthatoftiltedlandandaffectedlessbyvegetationtyp

8、es.ThemeanNOfNcontentdeclinedfromtiltland,shrubland,afforestationland,grasslandtoconiferousforestlandsuccessively,buttheyrosewithsoildepthincrease,showingthecumulativeeffect,whichindicatesthatthesoilnitrateoccurredleachingandwouldbeeasilycarriedawayintothekarstgroundwaterduringrainfallevents.Keyword

9、s:karstbasin?soilprofile?dissolvedcarbonandnitrogen；distributionofcarbonandnitrogen；leaching土壤溶解性碳氮(包括有机碳氮和无机碳氮)是土壤系统中最活跃的部分，能直接或经过转化后被植物和收稿日期：2010-07-31基金项目：科技部国际合作项目(2008GR1256)；高等学校博士学科点专项科研基金(200806350008)»重庆市科委项目(CSTC.2O1OBC7OO4),科技部“十一五''支撑计划(2006BAC01A16)；西南大学研究生科研创新基金项目(kb200900

10、4)作者简介：汪餐军(1986)，男，云南祥云人，硕士研究生，主要研究方向为岩溶生态环境学.E-mail,wangwan.l18微生物体吸收利用，同时它们具有很强的可移动性，能够随水分子淋溶迁移。国内外已对土壤溶解性无机碳氮进行了较为系统的研究，对土壤溶解性有机碳氮也做了一些研究，结果表明土壤溶解性碳氮因受气候、地质、地形、水文、生物和人类活动影响而具有时空差异°司。但对不同生态系统中土壤溶解性有机碳氮的来源、组成、含量、运移、影响因素以及环境意义研究还不够深入，特别是对溶解有机碳氮的吸附淋失还有待进一步研究。全球岩溶分布面积达陆地面积的12%,我国岩溶面积也占了国土面积的1/3&#

11、174;,因此，受岩溶地质背景制约的岩溶生态系统是陆地生态系统的重要组成部分。该系统受可溶岩化学风化控制，形成了土层较薄、富钙、碱性、粘粒含最高的土壤环境，易于富集有机质，但是在人类不合理的开垦下极易失去原本良好的土壤资源优势，导致水土流失甚至出现石漠化。另外，还有研究指出岩溶区土壤侵蚀存在地表流失和地下漏失双重现象土壤溶解有机碳氮中酸性有机分子淋溶进人岩石圈后，会参与碳酸盐岩溶解，使得岩溶作用方式和强度发生改变，进而影响到岩溶作用对大气二氧化碳的汇效应土壤硝态氮不易被土壤吸附，在降雨条件下极易流失进入岩溶地下水中，导致地下水遭受硝酸盐污染国内对岩溶区土壤的研究主要集中在溶解性有机碳（DOC）

12、上而对土壤溶解有机氮（DON）研究甚少。因此，本文以青木关岩溶流域为例，研究不同地质、植被和土地利用方式下的土壤剖面溶解碳氮分布特征，探讨岩溶生态系统溶解有机碳氮和无机碳氮垂直迁移淋失及其影响因素，对保护岩溶生态环境、防治水土流失和石漠化治理都具有重要意义。1实验材料与方法1.1研究区概况青木关岩溶流域位于重庆市北硝区、沙坪坝区和璧山县的交界处，处于川东平行岭谷华箜山山系缗云山地区，地理坐标为106°16'48”106°20'10”E,29°40'40一29°47'N,为“一山二岭一槽"式的典型岩溶槽谷，流域面积

13、约为11.36km槽谷轴部出露岩层为灰岩夹白云质灰岩，两翼为白云岩及白云质灰岩和砂页岩。本区属于亚热带湿润季风型气候，冬暧夏热，雨量丰沛，无霜期长，多年平均气温为18C,多年平均降水量为1000mm。区内植被主要有亚热带常绿针叶林（如马尾松、杉树和竹林等）和阔叶林（大量为灌木丛，具有旱生、喜钙等特点），土壤类型主要为地带性黄壤和非地带性黄色石灰土，石灰土土层较薄，小于1m,洼地中分布水稻土且土层较厚，为12m。1.2样品采集与测试根据研究区土地利用类型，于2009年11月选取了7个土壤剖面，分别为灰岩区的稻田、草地、旱地、针叶林地、退耕还林地和砂岩区针叶林地，按10cm间隔采集土壤样品。在野外

14、，用酒精燃烧法测定土壤含水量。采集的新鲜土样尽快带回实验室，分成两份，一份过2mm筛子后，称取两份10g±样，分别用100ml0.5mol/LK2SO4和100ml2mol/LKQ溶液浸提，离心，过0.45gm滤膜得到滤液，分别用于测定DOC和溶解氮（有机氮和无机笥），同时称取10g自然风干土测定含水最，并在鲜土中扣除；另一部分自然风干，按四分法研磨，过1mm和0.25mm筛，分别用于土壤pH值、总有机碳和全氮测定。具体分析方法为：pH值采用电位法，总有机碳采用高温外热重铭酸钾氧化一容危法，全氮采用开氏法，铉态氮采用靛酚蓝比色法，硝态氮采用紫外分光光度法，亚硝态氮采用格里斯比色法，D

15、ON为溶解总氮（过硫酸钾氧化一紫外分光光度法）减去溶解无机氮，具体方法见文献12、DOC采用美国OI公司1010型TOC仪测定，所有实验均在西南大学地理科学学院水化学分析室和土壤实验室完成。室内各种溶解碳氮重复浸提、测定3次，取其平均值，获取数据采用Excel2007.SPSS16.0和Origin8.0等软件进行统计和相关性分析。2结果与分析2.1不同土壤剖面含水量和pH值变化土壤水分不仅能为植物和微生物活动提供水分，而且能够溶解和运送土壤养分，在土壤养分迁移转化过程中具有重要作用。从表1和图1可以看出，青木关岩溶流域内两翼砂岩区林地土壤含水量比灰岩区林地低，且随土壤深度增加而有所降低，主要

16、是砂质土壤持水性低的缘故。灰岩区不同土壤剖面水分含量也具有差异，均值大小为稻田灌丛土草地土针叶林土退耕还林土旱地土（表1）。其中，稻田土壤含水虽随深度增加而逐渐升高，而退耕还林地和早地土壤含水质随深度增加而逐渐降低。草地、灌丛和针叶林土壤含水最变化为自地表到60cm左右逐渐升高，而在60cm以下有所降低。我国西南岩溶区长期受热带和亚热带气候影响，强烈的化学淋溶作用使得风化物中较高的粘粒（V0.001mm）发生垂直下移，形成上松（上层质地轻，孔隙度高，可达50%,水分容易下渗）下粘（质地粘重，孔隙度低，渗透性小）的一个物理性状不同的界面1”。因此，灰岩区林地土壤水分含量在50cm左右出现最大值。

17、表1不同土壤剖面各种理化指标平均含量土壤剖面含水址/%pH值SOC/(gkg1rxx:/)(mgkgT)(全氮/gkg")DON/(mgkg-】)NH-N/(mgkg1)NOT-N/(mgkg,)NO7-N/(mgkg)稻田44.277.4810.61119.981.5343.9211.0054.330.74早地17.656.448.2581.910.9631.8414.1548.290.42草地36.865.743.21118.131.0241.3311.9336.560.33灌丛林37.447.789.8195.281.5233.339.8443.940.38退耕还林20.986

18、.848.26105.491.1036.5810.0437.370.31针叶林（灰）29.005.813.54132.091.0641.0711.3536.290.30针叶林（砂）18.644.486.51194.520.8062.7916.1134.290.26土壤酸碱性制约着土壤微生物活动，直接影响到土壤养分的有效性以及土壤碳氮的分解和转化，其受不同地质、植被和土地利用方式影响而具有显著差异（表1和图1）。砂岩区土壤具有较低pH值，且随土壤深度增加而有所降低。灰岩区林地土壤pH均值为灌丛土退耕还林土针叶林土草地土，反映了植被类型对土壤pH值具有较大影响。一般地，针叶林因灰分组成中盐基含量比

19、阔叶林低而具有较高的酸度。受弱碱性地表水灌溉，稻田pH值较高，而早地受施肥影响，其pH值也较高。总体上，随土壤深度增深，石灰土pH值逐渐升高，其原因可能是越向下受碳酸盐岩母质影响越大，也可能是受盐基淋溶影响。图1不同土壤剖面含水量和pH值变化2.2不同土壤剖面总有机碳和溶解有机碳变化土壤总有机碳（SOC）是土壤有机质的主要组成部分，为微生物活动提供了能量，参与土壤养分循环。研究区不同土壤剖面SOC含量均表现为010cm最高，随着土层深度增加而逐渐降低，其表聚现象较为明显且剖面变异较大（图2）。砂岩区的杉木林土壤SOC含量除表层较高外其余各层均较低。灰岩区稻田、灌丛、早地和退耕还林地土壤具有较高

20、的SOC,高于草地、针叶林土壤。其中，稻田含量在40cm以上高于旱地，而40cm以下与早地大致相等，灌丛林土壤SOC含量40cm以上较高，而40cm以下急剧减少，退耕还林土壤SOC含量与旱地相似。土壤溶解有机碳（DOC）,是指具有一定溶解性、在土壤中移动比较快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化的有机碳，其形态、空间位置对植物、微生物具有较高活性。砂岩区针叶林下土壤土DOC含量高于灰岩区土壤（表1和图2）。灰岩区不同土地利用类型下的土壤剖面DOC含量范围为58.61235.69mg/kg,大小为针叶林土稻田土草地土退耕还林土灌丛土旱地土。总体上，各土壤剖面DOC含量表层较高，随着深度增加而降低，在

21、030cm内差异明显且变幅较大，30cm以下差异和变幅较小。一般地，土壤DOC主要有4种不同的来源，包括腐殖化的有机质、植物凋落物、根系分泌物和微生物生物屋，另外还可能来自有机肥和大气沉降。土壤表层爻梢物凋落物和腐殖质.影响，土壤DOC也较高。10-30cm微生物分解活动强烈，土壤DOC变化较大。30cm以下，微生物分解减弱，土壤DOC逐渐降低。一般地,土壤DOC受土壤酸碱性影响显著，随着pH值增加，土壤颗粒吸附的DOC增多，从而导致溶液中DOC含量减少Jardine等【心认为,pH=4.5时DOC吸附达最高。砂岩土壤pH值较低，接近4.5,因而具有较高的土壤DOC。而灰岩土壤，特别是灌丛,p

22、H值较高，使得部分土壤DOC被吸附固定。稻田土水分含量高，能增加土壤DOC含彖。早地土受耕作影响，土壤DOC扰动较大，易于流失，另外受农田施肥影响，缓解了土壤有机质的矿化，因而具有较低的DOC。Gergorich等的研究表明，施用有机肥后DOC的含量只在短时间内增加，随之就有所下降。2.3不同土壤剖面全氮和溶解氮变化区内不同植被下的土壤剖面全氮含觉变化范围为0.3803.42g/kg,总体表现为表层较高（020cm）,并随土壤深度增g20加而有所降低（图3）。灰岩区稻田和灌丛林土壤全氮含笊较言40：高，其次为退耕还林土、针叶林、草地土和早地土，砂岩区的杉|60木林土最低（表1）。刊80土壤溶解

23、氮包括溶解有机氮（DON）和无机氮两部分，无机】0。图3不同土壤剖面全氮含量变化氮又包括铉态氮、硝态氮和亚硝态氮。区内不同土壤剖面溶解氮变化范围为74.11132.09mg/kg,约占土壤全氮含揪的5%15%。各种溶解氮含量中，DON占43.2%,硝态氮占44.8%,铉态氮占12.6%,而亚硝态氮含虽较低。不同植被下的土壤剖面DON含虽变化范围为22.1478.22mg/kg,大小为砂岩区针叶林土稻田土草地士.针叶林土退耕还林土灌丛土旱地土（表1）。DON和DOC是土壤溶解有机所的两大组成部分，因此他们的来源、变化和影响因索也大概一致（图2和图4）。区内不同植被类型下土壤剖面铉态氮含量剖面均值

24、差异较小，砂岩区针叶林土壤由于pH值较低，硝化作用较弱，导致其铉态氮含量相对较高。灰岩区旱地受所施氮肥影响，其钱态氮比其它土壤剖面高。灌丛土壤铉态氮含量40cm以上较低，40cm以下有所升高（图4）。由于土壤铉态氮不易移动，以固定态为主，导致其溶解态含量较低，加之其被植物和微生物利用的最较小，故其剖面变异较小，且受植被影响较弱。NH>N/(mgkg')DON/(mgkg')2039495p£07?89DON/(mgkg')2039495p£07?89oooO2468E。启桃9-H日£«»-HOOOOO24680Be

25、叟辑卷-HNOrN/(mg-kg")0?§1912Ifig1820图4不同土壤剖面DON和无机敏含依变化土壤无机态氮形态以硝态氮为主，变化范围为30.38-57.51mg/kg,不同土壤剖面硝态氮含最剖面均值为稻田土早地土灌丛土退耕还林土草地土针叶林土砂岩区针叶林土（表1）,其中，耕地土壤硝态氮含量高于天然土壤。在垂向变化上，稻田和旱地土壤硝态氮表现为030cm逐渐升高，3060cm有所下降，60cm以下又开始升高（图4）。其它土壤剖面硝态氮变化为随深度增加而逐渐升高，具有积累效应。由于硝态氮极易移动，高含量的表层硝态氮会向下发生淋溶作用，在土壤下部积累。土壤剖面溶解亚硝态

26、氮含量除稻田受渍水影响较高外，其余剖面含量都较低，且剖面垂直分异较小（表1和图4）。2.4土壤溶解碳氮变化相关分析土壤溶解碳氮是土壤系统中最活跃的组分.是碳氮生物地球化学过程中的主要参与者，其来源和含晨受到环境因索(温度和湿度)、植被、地质、地形、酸碱度、土壤质地、土壤理化性质、生物和人类活动等因素影响。对所有样品的含水量:、pH值和各种碳氮含最进行相关性分析(表2),表明土壤DOC和DON完全正相关，相关系数达0.98,它们都与土壤pH值、SOC和全氮成负相关。DOC和DON与SOC和全氮成负相关，这与非岩溶区的情况是相反的U6】，其原因可能是碳酸盐岩地质背景赋予了石灰土富钙镁偏碱的特征，导

27、致土壤有机质中胡敏酸被固定，土壤溶解碳氮会被中和或与金属离子整合后形成溶解度较低的金属一有机配合物或者形成不溶的配合物。土壤铉态氮与土壤pH值和全氮成负相关，而与土壤溶解有机碳和有机氮成正相关。土壤硝态氮和亚硝态氮相关性也极为显若，相关系数为0.92,它们与土壤pH值、总有机氮和全氮均呈正相关，而与土壤DOC.DON和铉态氮成负相关，其原因为受淋溶作用影响。表2不同土壤剖面各种理化指标相关系数注：*表示在P<0.05水平上显著相关，*»我示在尸V0.01水平上极显著相关.含水髭pH值SOCIX)C全氮DONNH；-NNO3-NNO/-N含水量1.00pH值0.541.00SOC

28、0.160.70,1.00D()C-0.19_0.770.331.00全氮0.80-0.900.640.461.00DON-0.16-0.73-0.230.98_-0.431.00NH一N-0.59-0.79*-0.230.60-0.75-0.651.00N()r-n0.440.70,0.74'-0.520.66-0.40-0.211.00N()r-N0.630.610.63-0.290.70*-0.17-0.260.92-,1.003结论岩溶流域不同地质背景、植被类型和土地利用方式下的土壤剖面溶解碳氮均有横向和垂向差异。因为砂岩区针叶林土壤pH值较低，故其DOC和DON含觉高于灰岩区

29、的土壤。灰岩区土壤DOC和DON含量均值为草地2林地退耕还林地灌丛耕地(稻田除外)，它们均随着深度增加而降低。岩溶区土壤溶解性有机碳氮与土壤pH值成反比，原因是受富钙镁偏碱的岩溶生态环境制约，土壤溶解碳氮会发生中和或螯合作用而被固定。岩溶区土壤结构中，碳酸盐岩母岩与土壤之间缺失C层，土壤与岩石之间呈明显的刚性接触，两者之间的亲和力和粘着力差，使得土壤溶解有机碳氮在降雨条件下存在淋溶的可能性，通过岩溶裂隙进入岩石圈溶蚀碳酸盐岩，改变岩溶作用的方式和强度，影响岩溶作用对大气CO?的汇效应。,流域内不同土壤剖面溶解无机氮形态以硝态氮为主，其次为铉态氮，亚硝态氮含量较低。砂岩内林地因其较低的pH值，硝

30、化作用较弱，导致其相对灰岩区具有较高的铉态氮和较低的硝态氮。灰岩区内林地铉态氮受植被影响较小，并且低于耕地土壤。不同土壤剖面硝态氮含最均值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At升高，表明土壤硝态氮发生淋溶作用，具有累积效应，在降雨条件下极易通过岩溶裂隙进入岩溶地下水中，产生硝酸盐污染。由于本次研究只分析了秋季样品，土壤溶解碳氮受气温和降水影响显著，具有季节变化，因此需要分析土壤溶解碳氮的季节变化，进一步研究岩溶生态系统中土壤溶解碳氮的地下迁移流失规律及其生态环境意义。参考文献：1 KalbitzK.SolingerS.ParkJH«etal.Con

31、trolsonthedynamicsofdissolvedorganicmatterinsoils：areviewJ.SoilSci.,2000,165：277-304.2 赵劲松张旭东.袁星，等.土壤溶解性有机质的特性与环境意义口.应用生态学报，2003.14(1),126-130.3 周建斌，陈竹君，郑险峰.土壤可溶性有机氮及其在氮索供应及转化中的作用口.土壤通报.2005,36(2):244-248.W汪文成，周建斌，严德翼，等.黄土区不同类型土壤微生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮的含量及其关系口.水土保持学报.2006,20(6)：103-106,132.5 柳敏.宇万太，姜子绍，等.土

32、壤溶解性有机碳(DOC)的影响因子及生态效应口.土壤通报，2008.38(4):758-764.6 袁道先.中国岩溶学M.北京：地质出版社.1994：1-2.7 伸建华，袁道先.潘根兴.岩溶生态系统中的土壤J.地球科学进展.2003.18(1)：37-44.3结论(1) 黄河口自然湿地表层土壤全氮含量的变幅为170.61701.82mg/kg,铉态氮含量的变幅为0.508.00mg/kg,硝态氮含虽的变幅为0.071.94mg/kg,农业种植区表层土壤氮素平均含母略高于自然湿地。表层土壤全氮和铉态疑含最8月份最低，5月份和10月份全氮含量无明显差异，铉态氮含最10月份明显高于5月份，这与不同季

33、节植被生长对营养元素氮的吸收和枯落物对氮素的归还有关。研究区表层土壤硝态氮的含最较低，季节变化不明显。(2) 湿地土壤氮素的垂直变化特征：0-10cm表层土壤氮素含量明显高于下层土壤，10cm以下土壤氮的含屋无显著垂直变化；10月份各层土壤铉态氮含量明显高于5月份和8月份的含量，但各月份在垂直方向上无显著变化。(3) 研究区域湿地氮素的反硝化作用最强，矿化作用最弱，与该区域硝态氮的含量较低相吻合；氮素矿化过程中有机氮的最大转化量为0.91g/(m3d),硝化过程中铉态氮的最大转化量为12.77g/(m3-d),反硝化过程中硝态氮的最大损失量为23.44g/(m，d)°(4) 芦苇枯落

34、物氮素的归还最的顺序为：地下茎毛细根>地上部分，高温高湿条件下枯落物分解较快，夏季淹水条件氮索的日均归还量最高，达到0.039g/(m2-d),冬季最低。参考文献：1 唐小平.黄桂林.中国湿地分类系统的研究口.林业科学研究.2003,16(5):531-589.2 MitschWJ,GosselinJG.WctlandsfMj.NewYork：VanNostrandReinholdCompanyInc.，2000：89-125.3 傅民杰.王传宽，王颖.等.4种温带森林土壤氮矿化与硝化时空格局J.生态学报，2009,29(7):3747-3758.4 陈伏生.余焜.甘露.等.温度、水分和森林演替对中亚热带丘陵红壤氮素矿化影响的模拟实验口.应用生态学报.2009,20(7),1529-1535.5 赵伟.王宏燕.王大庆.等.农肥和化肥对东北黑土土壤氮索转化作用的研究J.水土保持学报，2009.23(2)：99-102,108.6 艾娜.周建斌，杨学云.等.长期施肥及挥荒对土壤氮素矿化特性及外源硝态氮转化的影响口.应用生态学报，2008,19(9)：1937-1943.7