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氮循环是全球变化研究中的热点问题,世界不同沙漠地区发现包气带中富集高浓度硝酸盐氮(NO3--N),包气带成为全球氮循环和贮存的重要组成部分,开展沙漠包气带硝酸盐循环富集规律及其对古气候环境响应机制研究,对全球变化及大陆水文循环研究有重要意义。选择位于夏季风边缘区的巴丹吉林沙漠,立足于包气带本身的丰富信息内涵,利用硝酸盐稳定同位素技术,结合气候、水文特点,通过区域大气降水N03-及其硝酸盐中δ15N,δ18O同位素分布规律及影响因素分析,结合地下水、湖泊水与浅层沙漠包气带中N03-的分布特征及其同位素组合对比研究,揭示包气带N03的迁移与循环富集规律；利用包气带中的同位素和化学组分作为古气候环境变化的标记,以氯质量平衡法与氯累积年龄为基础,提取包气带中古水文气候环境信息,并与冰芯、湖泊、树轮记录进行对比,通过定性与定量分析各种古环境参数,确定2000以来沙漠地区包气带N03-的循环规律及其对气候环境变化的响应机制。论文研究对深刻全面认识沙漠生态系统中氮的循环转化和实现地下水资源保护具有重要的理论意义,同时为恢复干旱化环境形成演化的自然过程与预测未来发展趋势可提供相关分析与基础资料。主要结论如下：巴丹吉林沙漠地区降水N03-离子浓度为1.12-3.18mg/L,平均1.83mg/L,区域大气沉降的NO3-/Cl-摩尔浓度比值上限为0.22,大气沉降硝酸盐同位素下限值δ15N-NO3-为-0.9%o,δ18O-NO3为+60‰。降水中N03-浓度从沙漠腹地向外围呈增加趋势,随海拔升高也呈增加趋势。巴丹吉林沙漠湖水N03-浓度范围31.29～47.93mg/L,平均值为39.35mg/L；湖泊水硝酸盐δ18O-NO3平均值为+8.48‰,δ15N-NO3平均值为-0.27‰,湖泊硅藻对湖水N03-有重要的影响,湖水中存在明显的硝化作用过程,湖水N03主要由降水和湖泊沉积物中NH4+硝化形成。巴丹吉林沙漠地下水N03浓度范围2.84～41.81mg/L,平均值为12.32mg/L,未受污染地下水硝酸盐δ15N-NO3-平均值为+5.7‰,δ18O-NO3-平均值为+1.6‰,地下水硝酸盐同时存在硝化与反硝化作用过程。大气沉降与生物固氮作用是沙漠包气带硝酸盐的主要来源,浅层包气带N03-浓度及同位素组合随地表覆盖变化差异较大,蓝藻微生物固氮沙丘N03-浓度高达2032mg/L,植被覆盖的沙丘N03-浓度较低为11mg/L。由于干旱区降水模式引起的表层干湿循环过程加剧氮循环矿化作用,使得地表NO3-浓度普遍较高,由于微生物活动、植物同化作用和反硝化作用等氮循环转化,从地表到地下lm深处N03-浓度迅速降低。包气带δ15N-NO3-值范围在-3.35‰～+19.92‰,平均为+4.12‰,δ18O-NO3-值范围在-9.47‰～+53.25‰,平均为+24.69‰,植被覆盖度低沙丘挥发作用和氮素间转化作用明显,导致硝酸盐δ15N-NO3-富集,植被覆盖度高的沙丘存在持续和缓慢的微生物活动的和硝化作用过程,因此δ15N-NO3-较贫化。巴丹吉林沙漠地区8-20m不同深度的包气带中,湖泊退化区包气带N03-浓度最高达到1174mg/L,植被覆盖包气带N03-浓度最低仅为49mg/L。由于植物同化、微生物活动等生物地球化学反应过程,N03-在包气带根系层(约lm范围)循环转化剧烈；在包气带根系层以下N03-迁移规律与Cl-非常相似,深层包气带中N03-非常稳定,使得NO3-和Cl-一样可以反映过去气候变化。影响区域深层包气带N03-富集因素包括：植被覆盖、N03-来源、微生物活动,以及湖泊水位变化。利用氯质量平衡法通过20m深的包气带剖面重建了巴丹吉林沙漠地区过去1487年降水补给历史,平均降水补给率为0.94mm yr-1,重建历史时期存在四个相对稳定的气候期,其中AD490-640、AD890-1190、AD1340-1440、AD1590-1710为气候较为干旱的时期,AD700-850、AD1190-1320、AD1440-1580、 AD1720-1880为气候相对湿润时期。深层包气带N03-富集浓度与古水文气候变化有较好的相关关系,不同气候时期包气带N03-富集浓度存在差异,降水补给率低的干期,氮循环硝化作用和淋溶作用明显,导致N03-浓度较高；降水补给率高的湿期,同化作用和反硝化作用更明显,导致N03-浓度较低,干旱区降水对包气带氮循环过程起着关键调控作用,N03-富集变化很好的响应了区域古水文气候干湿变化。