降雨条件下喀斯特小流域氮流失的同位素示踪

西南喀斯特地区是长江和珠江中上游重要的生态屏障，全年降雨量约80%集中在雨季，雨季营养盐流失严重导致区域生态功能难以得到改善和提升。本项目以不同土地利用/植被覆盖喀斯特小流域为研究对象，运用同位素地球化学和水化学方法等，分析不同强度降雨前后小流域水体各形态氮含量变化、同位素变化和其它环境水化学参数等，结合降雨前后的土壤水、土壤可溶性氮等水土物质交换研究，识别在降雨过程中喀斯特地区小流域各形态氮流失规律和相互关联；辩识不同强度降雨过程（雨季大雨和暴雨）对小流域流失氮来源、迁移和转化的影响；阐明西南喀斯特地区不同土地利用/植被覆盖小流域氮流失和生物地球化学过程对降雨的响应规律以及流域生态指示意义。综合项目成果将为小流域水质管理和喀斯特流域生态功能维护及改善等提供科学依据。

西南喀斯特小流域雨季氮等营养盐流失严重，导致一系列生态环境问题，因此我们展开了本研究。本研究首先从事的硝酸盐同位素分析方法的建立，然后选择了典型喀斯特流域开展了氮空间分布和变化研究，根据初步研究结果分析了不同降雨事件对流域氮流失的影响，最后利用同位素结果和历史数据探讨了碳氮耦合间联系。研究成果分述如下：1）从事了硝酸盐双同位素分析方法的建立，即反硝化菌法，该方法测试硝酸盐氮氧同位素消耗化学试剂少，经济成本相对低，环境损耗成本也低。2）选取具有丰富的岩溶管道和落水洞等的后寨小流域开展工作，分析了典型农业喀斯特小流域硝酸盐和氮氧同位素的空间分布特征，喀斯特小流域中硝酸根分布受水力异质性影响明显，相邻水样其硝酸根浓度有非常大的差别。但总体而言上游有较高的硝酸根浓度，主要是由于上游植被覆盖差和土壤层薄，施用于土壤中的氮肥很容易流失进入水域。在中下游，尽管农业用地面积较大，由于土壤层较厚，土壤吸附，作物生长，反硝化等作用使得水体中的硝酸根含量并不高，同位素信号也反应了这些过程。3）分析了小流域水体氮时间变化规律，不同年度的测试结果都表明6-7月雨季有较高氮含量和低的同位素值。大雨的随意性，导致点源和面源不同比例复杂性混合，同时针对几场不同降雨事件结果分析表明大暴雨时快速流会导致大量未利用的硝态氮流失进入下一级水体，尤其是来自工业化肥的氮。每年流域中约占总施氮肥量的14.2%的氮随流域总出口输送到外界，会使下一级河流营养盐负荷加重，雨季是枯季的5倍多。4）评估了反硝化作用，尽管喀斯特地区的快速流明显，但由于不同季节和不同空间的水体滞留时间差别，以及微生物在湿热环境的高强度活动，使得该流域也有一定的反硝化作用发生，因此我们作了一些端元假定，估算了流域的反硝化速率可达20%以上。5）硝化作用强化了碳酸盐岩的风化，硝酸盐氮氧同位素和历史数据的相互关联都表明碳氮有强烈的耦合作用，即农业施用氮肥引发的硝化作用加强了碳酸盐岩的风化，硝化作用对总输出HCO3-的量增加幅度可达18%。.总的来讲，本研究完成了预定研究任务。研究结果表明在喀斯特植被覆盖较少的上游区，需要降低密集施肥农业的分布面积，同时在雨季施用化肥和有机肥节律和比例可适当调控，这样可减少流域氮肥的流失。在喀斯特农业流域，人为氮的施入加速了碳循环，这在区域和全球碳循环的精确估算中应当得到重视。