北亚热带典型地区土壤硅的迁移通量与同位素追踪

硅的迁移是土壤形成演变的重要过程，硅的生物地球化学循环是联系地球表层系统的重要纽带。本研究拟以亚热带地区典型流域生态系统为基本单元，通过系统研究流域内岩石、不同发生层的土壤、植物、大气干湿沉降和径流水体中不同形态硅的含量和各子系统间的迁移通量，应用硅同位素指纹方法，分析系统中硅组分的稳定同位素特征，以了解硅在岩石-土壤-植物-水体之间的迁移转化特征及其演替规律，特别是矿物风化和植物主导的生物地球化学循环对土壤形成和演变过程中硅迁移和转化的影响。本研究将进一步明确土壤发生过程中硅迁移和转化的主导影响因素，同时还可以为生态系统中硅的生物地球化学循环提供土壤学的解释。

本项目基于典型亚热带花岗岩地区3个小流域的长期定点研究，通过对岩石、土壤、植物、水体和大气硅循环的多年系统观测，结合生物硅和硅同位素指纹的方法探讨了土壤发生演化与硅生物地球化学循环的关系。本研究探索了基于硅循环通量及其与盐基离子和H+的化学计量关系估算土壤酸化速率和风化速率的方法，以流域内主要的可风化矿物斜长石风化为例，估算的土壤酸化速率仅为传统方法的一半。径流水中硅的含量和通量比盐基离子能更准确地反映流域内矿物的风化速率。植物对硅的高吸收和归还不仅加快了原生矿物的风化，也对硅在土壤剖面中进行了重新分配，使得表层出现复硅，但是不同富硅植物对土壤的脱硅和复硅表现不同。亚热带花岗岩地区发育的年轻土壤含有丰富的可风化矿物，植物硅酸体（简称植硅体）对径流水中可溶性硅的贡献很小。岩石-土壤-植物-水体的硅同位素（δ30Si）值分馏程度可以反映矿物的风化强度、土壤的发生过程和发育程度。植物复硅并不会降低土壤的δ30Si值，土壤脱硅过程则逐渐降低土壤的δ30Si值。土壤中全土及不同提取成分中的δ30Si值可以指示土壤硅的不同迁移过程和径流水中硅的来源。本研究将植硅体和硅同位素结合起来反映硅在土壤中的迁移路径和土壤发生演化，为理解土壤发生过程中硅迁移机理提供了可靠依据，拓展了硅在土壤发生学中的应用，为今后相关研究提供了新的研究手段和方法借鉴。