亚热带典型流域硅循环对土壤酸化速率的影响

Acidification is an important aspect of soil development, especially in humid areas with the impact of acid deposition. The determination of actual soil acidification rate is still confusing because of soil buffering. The biogeochemical cycling of silicon (Si) is closely related to weathering, leaching and biological absorption and transformation, so is coupled with soil acidification process and affecting its rate. This project aims to establish the biogeochemical balance of Si and other elements based on the systematic observation of chemical composition of atmospheric deposition and runoff water, soil mineralogical and geochemical characteristics, and vegetation growth and nutrient return in a typical subtropical granite watershed. The stoichiometric relations of Si and base cations during mineral weathering in the watershed will be studied through simulation experiment. This study tries to illustrate the effects of Si cycle on soil acidification and establish a quantitative estimating method of soil acidification rate based on Si cycling fluxes. Furthermore, we will identify the contribution of mineral weathering and biological factor to soil acidification buffering. The results of this study will serve a more reliable soil acidification assessment and prediction.

酸化是土壤重要的演变方向，在湿润和受酸沉降影响的地区尤为突出。由于土壤的缓冲作用，土壤酸化过程的直接测定困难，目前缺乏准确测定土壤酸化速率的有效方法。硅的生物地球化学循环联系着矿物风化、盐基淋溶、生物吸收和转化等过程，而这些过程与酸化过程相耦合，并对酸化速率有重要的影响。本研究拟以亚热带地区典型花岗岩小流域为研究单元，通过对大气沉降和径流输出的化学组成、土壤矿物学和地球化学特征、植被的生长和养分归还的实地系统观测，建立流域中硅迁移及与其它多个相关元素的地球化学平衡关系；结合实验室模拟获得研究区土壤矿物风化释放硅和盐基离子的化学计量关系，明确亚热带典型风化背景下流域尺度硅循环对土壤酸化速率的影响；建立基于硅循环通量的土壤酸化速率定量方法，进一步探明矿物风化和生物因素对酸缓冲的贡献。研究可为亚热带地区土壤酸化评价与预警提供更为可靠的科学依据。

本研究以亚热带地区典型花岗岩发育的森林小流域为研究单元，对流域内采集的土壤样品，进行了室内矿物风化模拟实验，结合流域内主要元素的地球化学循环（大气沉降、径流输出和矿物风化）和生物循环（植物吸收和归还）的观测，探讨了矿物风化和生物因素共同作用下的土壤酸化速率。本研究摸索出一套行之有效的土壤混合矿物风化的盐基离子和硅化学计量关系的实验方法。应用该方法可以在常温常压条件下，获得自然土壤风化过程中，元素释放的化学计量关系。本研究量化了植物生长对盐基离子和硅循环以及土壤酸化的贡献。植物对土壤中元素吸收而释放的H+为土壤净输入质子量的50%，这进一步明确亚热带地区土壤自然酸化的机理。本研究还建立了土壤酸化速率估算新方法，大大提高了土壤酸化速率估算的准确性。利用洗脱盐基的混合矿物盐基离子和硅的风化计量关系进行土壤内H+消耗途径的区分，明确了矿物风化对土壤酸缓冲的贡献率。基于本研究建立的方法估算的土壤酸化速率仅为传统质子平衡估算的1/10，大大降低已有研究方法估算的土壤酸化速率，充分展现了亚热带弱发育土壤的酸缓冲性能。本研究不仅为今后亚热带地区土壤酸化评价与预警提供更为可靠的科学依据，而且为今后相关研究提供了新的研究手段和方法借鉴。