研究生知识库

贵州高原地处于我国西南喀斯特地区的中心，是世界上岩溶发育最复杂、类型最齐全、分布面积最大的东南亚岩溶区域中心。喀斯特碳酸盐岩发育的土壤剖面引起了不少学者的关注，它多是经过生物风化、化学风化和物理风化等长期共同作用发育形成的。开展典型地貌背景下白云岩土壤剖面形成机制及地球化学研究，对弄清表生地球化学循环和土壤演化具有重要意义。本文选取世界著名自然遗产地，贵州施秉云台山峰林地貌下不同坡位土壤坡面为研究对象，采用统计学、地层学、土壤学和地球化学等手段，系统分析了研究区剖面土壤有机碳与土壤理化性质的相互关系，探讨了剖面碳氮同位素分馏的机制及原因，计算并分析了剖面主微量元素迁移大小和迁移特征。通过研究，获得了以下几点认识：（1）土壤理化性质与有机碳含量及其相互间的耦合关系，为贵州东部地区白云岩山地土壤提供地球化学新数据。结果表明：①三个剖面土壤pH值主要集中在7.50～8.00之间，呈碱性，为石灰土，土壤质地为粉粘壤土。②土壤剖面有机碳含量具有高度变异性，整体上表现为从表土层到底层逐渐减少。植被、土壤理化性质和剖面成土演化对土壤有机碳含量有着重要影响。③土壤有机碳与土壤密度和pH值有明显的线性负相关性(R2=0.62, 0.21, n=32)，与土壤有机氮呈极显著线性正相关(R2=0.98, n=32)；土壤有机碳与不同粒径组分相关性较弱，但相对而言与土壤黏粒相关性最大，成幂指数负相关(R2=0.22)。土壤的理化性状在很大程度上影响着土壤有机碳的含量，而土壤有机碳含量的变化又对土壤理化性质有着重要的调节作用，二者相互联系，相互耦合，共同制约着喀斯特地区土壤生态系统的演化。（2）测定了土壤的SOC、TN含量，pH值和有机质碳、氮同位素自然丰度，分析探讨了同一坡面不同土壤剖面在土壤演化过程中有机碳、氮同位素比例的动态变化和影响因素。结果显示：①坡顶、坡腰和坡脚三个剖面的δ13C值分别在-24.56‰～-22.35‰，-23.91‰～-23.12‰和-23.30‰～-19.12‰之间，主要分布在C3植物δ13C值范围内，总体呈现出先增后减的变化趋势；②δ15N值分别落在3.81‰～8.94‰，4.21‰～7.36‰和4.28‰～8.26‰之间，整体变化趋势一致，均随剖面深度而增大；③土壤剖面δ15N值与SOC含量、TN、C/N呈明显负相关，δ13C与这些组分相关性不大。结果表明：①C3植物是土壤有机质的主要来源，不同坡位植被群体对应的土壤剖面浅部层（0 ~ 20cm）有机碳δ13C值具有很好的辨识度；②剖面有机碳δ13C由浅至深先增后减趋势主要与有机质的更新有关，还与成土过程有关；③氮同位素变化特征与土壤剖面中有机质的矿化分解程度、硝化作用和淋溶作用等有关，是土壤-植物系统氮素形态转化和其生物地球化学循环过程的综合响应。（3）测定了剖面土壤的主量氧化物、微量元素和稀土元素含量，分析探讨了施秉云台山白云岩风化剖面元素迁移特征和土壤演化机制。结果发现：①三个剖面土壤层相对于基岩计算，迁移系数均小于0，主量组分在剖面演化过程中被带出；坡腰和坡脚受地形因素的影响，高处坡顶风化冲蚀物被带到地形较低的坡腰和坡脚，使得剖面对应组分带入；坡顶剖面大量迁出的CaO、MgO和P2O5等组分在坡腰和坡脚剖面是带入的，尤其是表现在表层土壤。②土壤层微量元素和稀土元素对下伏基岩具有明显的继承性，具有明显的原位风化特征。三个剖面微量元素迁移系数分布总体特征相似，但位置较低处容易受到高处影响，峰丛峡谷地貌下白云岩成土演化作用复杂。（4）稀土元素球粒陨石标准化配分型式图分析发现，三个剖面稀土分布趋势一致，均表现为明显的右倾型，轻稀土富集，重稀土亏损。三个剖面均有中等程度的负Eu异常，δEu差别不大，这与基岩白云岩的矿物成分有关。Ce在剖面上部表现为正异常，剖面下部表现为负异常，这是因为剖面上部Ce3+容易氧化水解与铁锰氧化物共同沉淀，少量的与粘土矿物结合，使得上部土壤层Ce较下部更富集，相对表现为正异常；剖面下部，Ce负异常一方面来源于对基岩负异常的积累，另一方面，是形成稳定的碳酸氢根络合物随流体流失，使得Ce在粉岩层的亏损。