酸沉降下喀斯特小流域石灰土和黄壤硫循环相关的地球化学和微生物学响应的对比研究

Southwestern karst areas in China have suffered the worst from acid deposition, with a relative long history of acid deposition. The inputted and accumulated sulfur from acid deposition stimulates SO42- assimilation of the vegetation and soil biota, with a result of increasing organic sulfur contents in soils. Meantime, the increasing SO42- concentrations in soils may stimulate dissimilatory SO42- reduction drived by some microorganisms, making it one of important sink of inputted SO42-. On the other hand, the increasing SO42- concentrations in soils may result in the intensified leaching of SO42- in soil profiles, with a concomitant increase in loss of cations from soils. This process causes a series of environmental changes such as soil acidification, mobilization of toxic Al and heavy metal elements, and finally leads to retrogression of soil quality. At present, the systematic studies on input-output of sulfur and its implication in geochemistry and microbiology in soils under acid deposition are limited. Choosing limestone soil and yellow soil in karst small catchments as research subjects, this research mainly uses isotopic tracing, physical-chemical analysis and microbiological techniques to get an in-depth understanding of the effects of acid deposition on transport and transformations of sulfur in two soils, and then comparatively study the relationships between soil sulfur cycling and soil environmental changes in geochemistry and microbiology. This project aims to provides scientific basis for elucidating the changing mechanisms of soil quality in karst catchments of Southwest China.

西南喀斯特地区是酸沉降严重的地区，有较长的酸沉降历史。酸沉降输入并积累的硫一方面会刺激植被和土壤生物对SO42-的同化吸收，增加有机硫含量，同时，土壤SO42-浓度的增高可能会刺激微生物驱动的SO42-的异化还原作用，使之成为输入SO42-的一个重要的汇。另一方面，土壤SO42-浓度的增高可能导致剖面SO42-的淋溶增强，伴随土壤阳离子淋溶输出总量的增加，这导致土壤酸化、毒性Al和重金属元素活化等一系列环境变化，最终导致土壤质量退化。目前对酸沉降下土壤硫输入输出及相关的地球化学和微生物学响应过程与机理还缺乏系统研究。本项目拟选择典型喀斯特小流域石灰土和黄壤为研究对象，利用同位素示踪、物理化学分析、微生物学实验技术等手段，在深入了解酸沉降对两种土壤含硫物质迁移转化影响的基础上，对比研究土壤硫循环与土壤地球化学和微生物环境变化之间的内在联系，为揭示喀斯特流域土壤质量变化原理提供基础科学依据。

以贵州为中心的西南喀斯特地区，是我国酸沉降严重的地区之一，具有较长的酸沉降历史，含硫化合物是酸沉降的主要物质。土壤是大气沉降物质主要的汇。石灰土和地带性黄壤是喀斯特地区两个主要的土壤类型，两者在成土年龄、基本理化参数等方面存在显著差异。本项目大气沉降输入的含硫物质在石灰土和黄壤中的迁移转化为主线，深入系统对比石灰土和黄壤与硫循环相关的物质循环和不同响应差异。主要研究内容有硫形态及其同位素组成、铁铝含量、微量和重金属元素含量和硫酸盐还原细菌分布。结果显示，由于基本理化性质方面的显著差异，导致石灰土和黄壤存在不同硫滞留和输出过程，在微量元素和重金属元素分布、硫酸盐吸附、酯键硫迁移、硫酸盐还原细菌分布、土壤酸化等方面有不同的酸沉降响应。无论是通过有机硫矿化，亦或是通过吸附态硫酸盐的解吸，在土壤中积累的硫酸盐可能在较长的时间内持续向地表河水和地下水中输出，这一过程伴随着土壤中钾钠钙镁等阳离子的输出。目前来看，酸沉降和随后的SO42- 淋溶没有引起石灰土pH值的显著降低。但是黄壤剖面中SO42- 吸附、解吸和随后的淋溶迁移可以引起土壤酸化。并且，黄壤有机碳矿化程度高于石灰土，对应有机碳流失量也高于石灰土。因此，相比较而言，酸沉降对黄壤的影响大于石灰土。但是石灰土有机硫含量高于黄壤，并且分布面积也大于黄壤，SO42-吸附基本可以忽略，则在硫的年沉降速率显著降低后，在较长时间内石灰土可能通过有机硫矿化释放更多的SO42-进入地表和地下水体，由此引发的诸如土壤理化性质变化和水体化学组成改变等相关的环境效应值得关注。