摘要
地球关键带在近十年来受到多学科领域的广泛关注,是指异质的近地表环境,纵向上涵盖了包括植物冠层、土壤层、包气带以及含水层在内的各个圈层,是维持人类赖以生存和地球生态系统功能的关键区域,喀斯特泉是喀斯特关键带不容忽视的一部分,对关键带营养元素迁移研究的作用不可忽视.以贵州高原为核心的中国南方喀斯特地区分布有超60万km2的碳酸盐岩,独特的地质结构以及复杂的地下构造,使得地下水储量丰富.喀斯特泉水是喀斯特地下水的直接表现形式,也是地表-地下物质循环的重要输出端元.因此,深入地了解喀斯特泉水中的养分迁移特征,有助于阐明喀斯特关键带的养分输出规律及其作用机制.强烈的岩溶作用以及地表植被的破坏导致喀斯特地区水土漏失加剧,碳氮元素在降雨的冲刷淋溶下伴随水土漏失过程进入地下水,造成地表养分的漏失(流失)问题.针对喀斯特地区存在的养分漏失问题,本文基于喀斯特石漠化的空间分布,在中国南方喀斯特核心区的贵州选择石漠化程度分别为无-潜在的施秉、潜在-轻度的毕节以及中度-强度的关岭-贞丰花江为研究区.选择施秉黑冲研究区的黑冲泉与古树泉、毕节撒拉溪研究区的许家泉与竹林泉以及关岭-贞丰花江研究区的岩上泉与永芳泉为研究对象,在2020年7月-2021年6月对6个喀斯特泉进行为期一个水文年的监测,通过水化学和Pearson相关性分析等方法,综合探讨喀斯特泉碳氮输出量的变化特征及其生态环境意义,为地表石漠化生态系统修复提供科学参考.具体结论如下: (1)不同研究区之间的喀斯特泉水的pH、EC和阴阳离子含量不相同,水化学类型也不相同,主要是因为水化学受到不同碳酸盐岩类型岩石风化的影响.在施秉黑冲研究区的岩性以白云岩为主,HCO3-、Ca2+和Mg2+离子为优势离子,水化学类型为HCO3-Ca-Mg;在毕节撒拉溪研究区岩性以石灰岩为主,HCO3-、Ca2+离子含量较高,水化学类型为HCO3-Ca;在关岭-贞丰花江研究区岩性以白云质灰岩为主,HCO3-、Ca2+离子含量较高,水化学类型为HCO3-Ca.喀斯特泉水的pH和EC呈现出"施秉黑冲研究区＞关岭-贞丰花江研究区＞毕节撒拉溪研究区"的变化规律.碳酸盐岩的化学风化作用是影响水化学特征的主要因素. (2)在三个研究区内,喀斯特泉水的不同形态碳氮含量变化特征和整体变化趋势不同,主要是受到降雨量、流量的影响,同时也会受到浮游动植物和农业等人为影响,喀斯特泉水的年碳氮输出表现出明显的空间差异.喀斯特泉水的碳氮输出量主要受到降雨量的影响.在喀斯特泉水中碳氮输出形态主要以DIC和NO3-N形态输出.经过一个水文年的监测发现,在旱季喀斯特泉水中碳氮含量较高,在雨季喀斯特泉水中碳氮含量较低,喀斯特泉水中碳氮含量受到降雨量稀释作用较大,与之呈现负相关性.在施秉黑冲研究区和关岭-贞丰花江研究区,喀斯特泉水中碳氮出现异常增高,这是由于受到当地农业施肥、浮游植物以及微生物的影响.在三个研究区内,降雨量呈现出"施秉黑冲研究区＞毕节撒拉溪研究区＞关岭-贞丰花江研究区"的变化特征,喀斯特泉水碳氮含量则表现出"施秉黑冲研究区＞毕节撒拉溪研究区＞关岭-贞丰花江研究区"的差异,喀斯特泉水碳氮年输出量的大小关系反映为"施秉黑冲研究区＞毕节撒拉溪研究区＞关岭-贞丰花江研究区";喀斯特泉水的碳氮输出与流量呈现极显著正相关性,同时也与碳氮含量呈现显著正相关,降雨量对喀斯特泉水的碳氮输出量有显著影响. (3)在无-潜在石漠化等级的山地峡谷条件下,喀斯特泉水中碳氮含量和输出量最高;在潜在-轻度石漠等级高原山地条件下,喀斯特泉水中碳氮含量和输出量相对较高;在中-强度石漠等级条件下,喀斯特泉水中碳氮含量和输出量最低.无-潜在石漠化山地峡谷施秉黑冲研究区,植被覆盖度较高,能够保持土壤养分含量,凋落物能保持土壤的持水性,地下发育完善,以地下水的形式排泄,施秉黑冲研究区的泉水碳氮输出量较高.潜在-轻度石漠化高原山地毕节撒拉溪研究区,植被覆盖率相对较高,保证了养分的输入和土壤的持水性,能够有效减少或避免地表径流的形成,地下水位较浅、平稳,地下水以泉水方式排泄为主,泉水的碳氮输出量相对较高.中-强度石漠化高原峡谷关岭-贞丰研究区,植被以经济作物为主,岩石裸露率较高,易形成地表径流,独特的峡谷地貌、干热气候,以及地下水以下渗为主,造成关岭-贞丰花江研究区的泉水碳氮输出量最低. (4)通过对喀斯特泉水中碳氮年输出量和上覆土壤的碳氮储量进行分析发现,泉水上覆土壤环境中碳氮储量越高、泉水碳氮输出量越大的泉域,土壤养分漏失量也相对较高.在估算每个泉域雨季和旱季碳氮储量的基础上,对比分析泉水碳氮年输出量与泉水上覆土壤的碳氮含量,发现施秉黑冲研究区中喀斯特泉上覆碳氮储量较高,泉水年碳氮输出量最高,土壤养分漏失量也最高;毕节撒拉溪研究区喀斯特泉上覆碳氮储量相对较高,泉水年碳氮输出量相对较高,土壤养分漏失量也相对较高;关岭-贞丰花江研究区中,泉水上覆碳氮储量较低,泉水年碳氮输出量最低,土壤养分漏失量也最低.总之,在三个研究区内,石漠化程度低的条件下,喀斯特泉上覆土壤环境虽然有较高的碳氮储量,然而,受到高碳氮含量土壤的不断供给,喀斯特泉水中表现出相对偏高的碳氮年输出量,由此导致的土壤养分漏失量也相对偏高,潜在-轻度石漠化区面临的土壤养分漏失风险也较其他石漠化等级地区大.
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