海南岛西南部土壤生物硅分布的时空差异及其驱动机制

地球表层元素硅(Si)的生物地球化学循环影响全球初级生产力和全球碳循环进而影响地球环境变化。土壤生物硅(BSi)因其易溶解而成为岩石圈-土壤圈-生物圈-水圈等圈层之间Si迁移-转化的枢纽。采集海南岛西南部的热带季雨林、经济林(橡胶林、桉树林、芒果林)和农作物(香蕉、甘蔗)土壤样品。采用热碱消化连续提取法萃取BSi;运用相关分析和主成分分析法识别土壤BSi含量变化的主要驱动因素。结果表明:研究区不同植物群落土壤BSi含量从大到小依次为:香蕉地((2.38±0.72)mg/g)>热带季雨林((1.86±1.34)mg/g)>橡胶林((1.42±0.81)mg/g)>桉树林((1.22±0.28)mg/g)>芒果林((0.98±0.71)mg/g)>甘蔗地((0.62±0.74)mg/g);研究区土壤BSi含量存在随群落变化的季节变化:森林群落土壤BSi含量干季大于湿季,农业草本群落(香蕉和甘蔗)土壤BSi含量则出现湿季大于干季的特征。研究区土壤BSi含量变化主要受生物因素(总氮和碳/氮(C/N))和非生物因素(化学风化程度)耦合驱动。在全球尺度上,海南岛西南部土壤BSi含量(1.43 mg/g)低于热带雨林土壤BSi含量(2.5 mg/g),揭示水热同期的季风气候区山地土壤较活跃的微生物活动和较强的降雨、径流侵蚀作用,均有利于土壤BSi发生迁移-转换,最终以溶解态硅的形式随地表径流注入南海,在一定程度上保持南海生态系统的营养成分结构,确保南海生态系统良性循环。

酸沉降背景下鼎湖山林区径流的水化学组成特征

为了解酸沉降背景下湿热流域源区不同径流的水化学组成特征,选取鼎湖山林区溪流水、土壤水、地下水作为研究对象,在2019—2020年以季节为周期对水化学组成进行了观测分析。结果表明:鼎湖山林区溪流水、土壤水和地下水pH值和酸中和容量较低,分别介于3.45—6.77和-545.51—302.09μmol H^(+)/L之间,水体均呈弱酸性。林区土壤、植被和扬尘颗粒缓冲酸沉降物质的能力较低,对减缓水体酸化的作用较小。不同径流水体化学组成含量存在差异。土壤水K^(+)、Ca^(2+)、NO_(3)^(-)和SO_(4)^(2-)浓度显著高于地下水和溪流水,地下水和溪流水之间除NO_(3)^(-)浓度存在显著性差异外,其余3个指标浓度没有显著性差异;地下水Na^(+)、Mg^(2+)、Cl^(-)、DSi浓度显著高于土壤水和溪流水,土壤水和溪流水之间除Cl^(-)浓度没有显著性差异外,其余3个指标浓度存在显著性差异;这与土壤硝化、吸附、矿物化学风化等作用有关。溪流水水化学组成类型为NO_(3)^(-)·SO_(4)^(2-)⁃Ca^(2+)·Mg^(2+)型,土壤水和地下水水化学组成类型为NO_(3)^(-)⁃Ca^(2+)·Mg^(2+)型。溪流水阳离子主要来源于硅酸盐矿物化学风化和大气沉降,二者的贡献分别为85.76%和14.24%。溪流水SO_(4)^(2-)含量与雨水相差不大,NO_(3)^(-)含量远高于雨水,说明林区森林生态系统淋出了较多的硝态氮。研究成果可以为酸沉降对流域源区径流水化学组成的影响研究提供基础资料,同时为鼎湖山林区的管理提供参考依据。

流域源区溪流CO2的来源与扩散过程研究综述

江河水系的源头多由规模小但数量多的溪流构成。溪流是源区生态系统向下游进行碳输出的开端,同时也存在水体CO2向大气扩散的过程。溪流CO2扩散通量(FCO2)取决于水体二氧化碳分压(pCO2)、水-气界面因湍流而产生的CO2扩散速率(kCO2)及溪流水域面积等方面,可以直接测量也可以通过经验公式及模型估算。溪流pCO2受外源输入和内源产生两个过程的制约。外源CO2是由壤中流和地下水向溪流注入的溶解无机碳(DIC)转化而来,内源主要指水体有机质分解产生的CO2。水-气界面kCO2主要受到与河床坡度、粗糙度及流量变化密切相关的水流湍流程度的影响。源区溪流FCO2在时间上表现为暖湿季节>干冷季节、夜间>白天、洪水期>非洪水期;全球空间尺度呈现自热带向寒温带递减;特定溪流内自地下水排泄区向下游递减。目前,关于源区溪流CO2来源与扩散的研究逐渐增多,但是在溪流CO2各种内外来源贡献量与贡献比例的估算、源区生态系统中各地理要素对溪流外源碳输入过程的控制、溪流水-气界面FCO2估算模型及山区溪流kCO2和CO2扩散过程等方面还有待深入研究。

硫酸参与的湿热流域化学风化对河流水化学影响研究综述

河流水化学组成可以提供反映流域内岩石化学风化过程及河流离子来源等生物地球化学的信息。化学风化是全球碳循环的重要环节,湿热流域的水热条件可以促进流域岩石化学风化。硫酸和碳酸一样可以作为侵蚀介质参与流域岩石的化学风化,硫酸参与的湿热流域碳酸盐类化学风化可释放CO_(2),但其参与的硅酸盐类化学风化对大气CO_(2)没有显著影响,故若不考虑硫酸作用将会导致对岩石化学风化作用下大气CO_(2)消耗通量的高估。水化学组成受到流域岩石化学风化的影响,通过对河流水化学组成和溶解无机碳(DIC)稳定同位素组成(δ^(13)C)的分析可以确定河流水化学类型并揭示硫酸对流域岩石化学风化的定量影响。目前关于硫酸对河流水化学影响的研究逐渐增多,未来关于小流域尺度上硫酸对河流水化学的影响、硫酸影响下河流CO_(2)的脱气过程以及人类活动对河流水化学的影响等方面需要更多关注。

流域源区弱酸性径流溶解无机碳含量测量方法探讨——以广东肇庆鼎湖山林区为例

流域源区水-土界面联系密切,源区径流对碳的输送构成全球碳循环的重要环节。但现有研究对源区径流的水化学特征和碳的生物地球化学循环认识不足。本研究以广东肇庆鼎湖山森林源区为研究区域,分析了干季土壤水、地下水和地表水的化学组成;用顶空平衡法测量了地下水和地表水中游离CO_(2)的含量,并与自动酸化法和滴定法测量的游离CO_(2)含量对比,结合近年来文献中有关源区低阶河流游离CO_(2)含量的测量数据,探讨了各种测量方法在源区溪流溶解无机碳(DIC)或游离CO_(2)含量分析中的适用性。结果表明,研究区域受土壤自然酸化和酸沉降影响,径流水体总体为弱酸性(pH均值5.37±1.23),Ca^(2+)和NO_(3)^(-)为水体主要的阳离子和阴离子。自然保护区地下水游离CO_(2)含量(13.18±6.89 mg C/L)较高,向下游其含量先降低后略为升高。东、西沟上游河段水体游离CO_(2)主要来源于地下水的注入,下游受河流水体有机质的分解和水生生物的呼吸作用影响较大。自动酸化法和滴定法低估了弱酸性、低碱度源区溪流水体DIC含量;顶空平衡法、水气分离法可直接测量水中游离CO_(2)含量且精度较高;酸化顶空法是近年来直接测量源区溪流DIC含量最常用的方法。顶空平衡法、水气分离法和酸化顶空法都能够有效避免CO_(2)逃逸对测量结果的影响。