石漠化地区表层喀斯特带氮素输出及其环境意义

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地下水是极其重要的淡水资源,是喀斯特地区人民日常生活生产用水的主要来源,同时也是该地区生态系统重要的养分接收单元,管理好地下水资源是中共中央国务院关于深入打好污染防治攻坚战的具体要求,也是《全国重要生态系统保护和修复重大工程规划(2021-2035)》关于喀斯特地区生态系统修复的重要举措。以贵州为核心的中国南方喀斯特地区分布有超55万km~2的碳酸盐岩,特殊的地质结构以及复杂的地下构造,使得喀斯特地下水储量丰富,同时,也使得地面面临缺水、用水难的问题;表层喀斯特泉是喀斯特地下水的直接表现形式,是喀斯特地区居民用水直接来源,也是地表-地下养分的重要输出端元,因此,对表层喀斯特泉的研究具有重大意义。根据地理学、现代岩溶学、环境化学等理论,针对喀斯特泉的养分漏失效应及氮素输出与石漠化环境响应等科学问题,我们以石漠化程度及分布为依据,在中国南方喀斯特的贵州高原选择能够分别代表无-潜在、潜在-轻度、中度-强度石漠化程度的施秉、毕节撒拉溪以及关岭-贞丰花江为研究区,选择施秉的黑冲泉与古树泉、毕节的许家泉与竹林泉以及关岭-贞丰花江的岩上泉与永芳泉为研究对象,在2020年10月~2022年7月对6个喀斯特泉进行为期两年的监测,通过水化学分析、对比分析以及多元线性回归分析等方法,分析表层喀斯特泉氮素的季节变化特征,探讨喀斯特泉的氮素输出通量,揭示泉水氮素输出对生态环境的意义,为地表石漠化生态系统修复提供科学参考。(1)阐明了三个不同石漠化地区水化学类型以及主要的优势阴阳离子存在差异性,水化学类型与主要优势离子与基岩岩性有关,受碳酸盐岩的化学风化作用控制:关岭贞丰花江研究区和毕节撒拉溪研究区泉水水化学类型为HCO3-Ca型,施秉黑冲研究区泉水水化学类型为HCO3-Ca-Mg型,由于地质地貌以及气候条件的不同,随着泉水水温的变化,电导率(EC)、TDS均表现出了毕节撒拉溪<关岭-贞丰花江<施秉黑冲的特征,石漠化程度较高的关岭-贞丰花江研究区内泉水p H值相较其他两个地方较低,而主要的阴离子表现出施秉>关岭-贞丰花江>毕节撒拉溪;阳离子中Ca2+以关岭-贞丰花江浓度最高,毕节撒拉溪浓度最,Mg2+则在基岩为白云岩的施秉黑冲浓度最高。由于中度-强度石漠化的关岭-贞丰花江研究区的蒸发作用强烈,导致水体浓缩,离子浓度增高,此结果是符合实际的。从整体来看三个地区喀斯特泉的离子含量呈现出中度-强度石漠化>无-潜在石漠化>潜在-轻度石漠化的地域特征。水化学性质受基岩岩性控制。(2)发现了三个不同等级石漠化地区的喀斯特泉的氮素输出季节上表现出春季高、冬季低的变化特征,空间上氮素输出具有差异性,人为活动与降雨是其氮素输出的主要影响因素:表层喀斯特泉氮素输出以NO3--N为主要输出形式,根据喀斯特泉的监测数据显示,春季氮素输出浓度出现递增的趋势,在同年其他季节中处于较高的浓度峰值,到夏季输出浓度多回落,到冬季达到最低值,泉水春季的NO3--N最高输出浓度为古树泉的4.54 mg·L-1,最低输出浓度为冬季岩上泉的0.47 mg·L-1,其中,永芳泉与岩上泉NO3--N均在春季出现,相较于其他季节具有较高的输出浓度,最高值为1.57 mg·L-1,在冬季输出浓度出现最低值为0.47 mg·L-1;竹林泉NO3--N输出浓度在春季与冬季出现最高值和最低值,分别为1.71 mg·L-1、0.89 mg·L-1,而许家泉在秋季NO3--N出现了最高输出浓度,极有可能是受到放牧影响;古树泉与黑冲泉同样在春季与冬季出现相对较高和较低的NO3--N输出浓度。喀斯特泉氮素的季节变化特征趋于一致性,表现出“春高冬低”的特征,人类活动氮输入随着降雨淋溶进入管道、裂隙,加之“活塞效应”将旱季赋存于管道裂隙中的高浓度氮素以活塞形式排出,是春季氮素输出浓度高的主要原因。(3)揭示了不同石漠化程度的喀斯特泉水氮素输出量存在显著差异,喀斯特泉水氮素输出量与输出浓度与石漠化存在响应关系,同时氮素的迁移和转化加快了岩石风化过程,并对地下水质造成了破坏,对生态系统修复具有一定的参考意义:通过氮素估算模型,对三个研究区6个泉的氮素输出量进行估算,结果显示六个泉水TN季度平均输出量不超过7.1 kg,NO3--N平均季度输出量不超过6.0 kg,NH4+-N平均季度输出量不超过0.5 kg;其中,中度-强度石漠化地区的岩上泉和永芳泉NO3--N输出量最低,平均季度输出量分别为0.64 kg、0.69kg,潜在-轻度石漠化地区泉水NO3--N输出量略高于中度-强度石漠化地区的泉水,平均季度输出量分别为1.42 kg、5.53 kg,而无-潜在石漠化的施秉黑冲内泉水NO3--N输出量最大,平均季度输出量分别为1.12 kg、5.99 kg,在后两个研究区内,由于个别季度异常低值或异常高值降低或者提高了NO3--N输出量,结合氮素输出浓度分析发现,泉水NO3--N输出呈现出中度-强度石漠化<潜在-轻度石漠化<无-潜在石漠化的特征;在输出过程中硝化作用大量H+产生,强化了岩石风化,导致主要阴阳离子的增加,并且随着NO3-的漏失,地下水质遭到破坏,同时氮素作为生态系统中重要的营养元素,漏失后对地表植被生长发育具有限制作用,从而加快石漠化的发生,降低了生态修复能力。因此,氮素输出对生态系统修复具有重要意义,对于喀斯特地区氮素管理极为重要。
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