青木關地下河巖溶系統(tǒng)中的氮循環(huán)及其相關微生物作用與示蹤研究.pdf

1、約占中國國土面積1/3的巖溶區(qū)蘊藏著大約1/4的地下水資源，巖溶地下水是中國西南巖溶區(qū)的重要水源。但是，由于巖溶系統(tǒng)的脆弱性，現(xiàn)階段工業(yè)、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)以及人類生活污水對巖溶地下水造成的污染，使得中國巖溶區(qū)的地下水資源已經(jīng)全面告急。尤其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用無機化肥和有機肥等造成的地下水氮污染更加廣泛，影響更加深遠。了解巖溶系統(tǒng)中氮素的遷移轉化途徑，有利于減少和控制地下水污染，保護地下水環(huán)境提供，有利于解決巖溶地區(qū)人畜飲水問題，維持巖溶區(qū)人民生活安

2、定和社會穩(wěn)定。 關于土壤和地下水中的“三氮”污染以及氮循環(huán)過程的機理研究已有較多報道。對北方早地、潮棕壤以及水稻田系統(tǒng)中“三氮”的遷移轉化過程已經(jīng)有很詳細的研究，并且已經(jīng)建立了數(shù)值模擬模型對土壤和地下水中氮素的輸入輸出過程進行控制，但是對巖溶系統(tǒng)中的氮循環(huán)研究報道有限。本文以巖溶較為發(fā)育的青木關地下河流域為例，研究其土壤和地下水的氮循環(huán)過程，為石漠化治理過程中的氮素管理，石漠化地區(qū)地下水水質和水源的保護提供理論基礎。 本

3、文通過對青木關巖溶槽谷區(qū)10種不同土地利用方式的土壤采集土壤60個，分析土壤樣品中的14種元素和微生物指標，應用因子分析法對土壤中氮素轉化的主要影響因子進行歸納。然后，選擇具有代表意義的兩種典型土地利用方式，每15cm采集土壤樣品至60cm以下，檢測土壤的營養(yǎng)元素、“三氮”以及微生物含量，利用擬合曲線分析土壤中氮素的垂直遷移轉化過程，并分析相關微生物在其中的作用。在線監(jiān)測地下水出口和入口的流量以及研究區(qū)的降雨量，至少每月一次采集地下河入

4、口和出口的水樣，監(jiān)測地下水中氮素以及其它無機離子的年度變化動態(tài)，結合地下河示蹤試驗結果，分析地下水中的氮素遷移過程。分析地下水水樣中的微生物含量，結合樣品中的“三氮”含量，使用相關分析了解微生物與“三氮”之間的關系，分析示蹤地下河巖溶系統(tǒng)中土壤一地下水氮的補給途徑，研究地下水微生物示蹤研究的可行性。主要研究成果如下： 1）土壤中氮素的主要影響因素的尿素。通過對10種不同土地利用方式下土壤化學元素、微生物和土壤酶進行因子分析，根據(jù)

5、特征值大于1的特征，5個主要因子代表了數(shù)據(jù)中體現(xiàn)的信息84％以上。青木關巖溶槽谷區(qū)A、B層土壤中氮素得主要影響因子為尿素，其來源可能是化肥和植物殘體；此外微生物、磷以及鉀也是影響土壤氮循環(huán)的重要因素。同時，聚類分析表明菜園地和灌叢地為比較具有代表性的土壤。 2）土壤中氮的主要存在和淋失形式都是硝態(tài)氮：銨態(tài)氮含量少于硝態(tài)氮多于亞硝態(tài)氮，主要被吸附。對受人類活動影響程度最多的菜園地和影響程度最少的灌叢地的不同深度土壤中各種形態(tài)氮的含

6、量表明：在兩種土地利用方式下，硝態(tài)氮含量占土壤無機氮含量的70％以上，為土壤氮素的主要存在和淋失形式；銨態(tài)氮的含量菜園地中較多達到20％以上，灌叢地含量較少；淺層地下水中存在的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮說明土壤中的氮素可能被淋溶進入地下水。各種形態(tài)氮、微生物和土壤酶的分析和各指標隨深度變化的擬合曲線表明：銨態(tài)氮擬合曲線隨土壤深度的增加而減少，說明銨態(tài)氮受土壤吸附作用的影響向下淋失較少；硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮含量隨深度增加呈波峰波谷變化，說明它們不易被吸附

7、，易被淋失；微生物和土壤酶的擬合曲線與土壤氮擬合曲線類似，表層硝化細菌和氨化細菌含量較高，說明硝化作用和氨化作用主要在土壤表層發(fā)生，反硝化細菌與硝態(tài)氮擬合曲線類似，說明反硝化作用在硝態(tài)氮的淋失過程同時發(fā)生。土壤中硝態(tài)氮的運移過程歸納如下：降雨前土壤中水分較少，土壤較干燥，土壤中硝化作用比較旺盛，土壤硝態(tài)氮出現(xiàn)積累；降雨后土壤硝態(tài)氮隨土壤滲透水向下遷移，由于巖溶區(qū)地表水很快滲透至巖溶裂隙而后進入地下河，因此硝態(tài)氮也隨之進入地下水被帶走；而

8、后土壤中水分減少，硝化作用加強，土壤中又出現(xiàn)硝態(tài)氮的積累，因此土壤中硝態(tài)氮的含量隨降雨的來臨出現(xiàn)波峰波谷。 3）地下河中“三氮”的遷移和補給過程存在季節(jié)性，雨季氮素的補給與落水洞處氮素的進入密切相關，但旱季落水洞并不是主要的補給途徑。硝態(tài)氮為地下水中氮素的主要存在形式，占地下水中三氮含量的90％以上。當?shù)剞r(nóng)民施肥10天左右，雨季到來，落水洞硝態(tài)氮含量從1-3mg/L增加至接近20mg/L，與此同時出口處硝態(tài)氮從20mg/L迅速上

9、升至接近50mg/L。說明雨季地下水中氮素的主要補給途徑是落水洞。而雨季過后，落水洞中硝態(tài)氮濃度僅為出口處1/10左右，落水洞中的硝態(tài)氮不是地下水中硝態(tài)氮的主要來源。 4）通過分析地下水中微生物與“三氮”的關系，地下水以及其中氮的補給途徑都是雨季來自于落水洞，早季來自于土壤滲透水。幾次示蹤實驗中，雨季時落水洞進入地下水的流量占出口流量的79％和53％，而旱季落水洞出的流量和濃度僅為出口1/10左右，說明雨季地下水的主要補給途徑為

10、落水洞，而旱季并非落水洞。地下水中微生物與無機氮的相關分析表明，地下河入口處，不論旱季雨季微生物與無機氮之間都不存在相關關系，系相關系數(shù)<0．5，而出口處雨季微生物與無機氮之間不存在相關關系，旱季存在很強的相關性，在0．01的顯著性水平下，其相關系數(shù)分別為0．929和0．811。說明，在雨季地下水主要是通過落水洞進入地下河的地表徑流補給，出口處微生物與硝態(tài)氮之間沒有相關關系，類似落水洞處；旱季時地下水主要是經(jīng)過巖溶裂隙進入土壤滲透水補給

11、的，出口處硝態(tài)氮與微生物之間存在較好的相關關系。地下水中氮素的補給途徑與水的補給途徑相同：旱季土壤滲透水中硝態(tài)氮高達16mg/L，與地下水中的含量相近；雨季主要從落水洞補給。 以上研究結果表明，由于巖溶系統(tǒng)中硝態(tài)氮與地下水一并漏失，而非如非巖溶區(qū)中硝態(tài)氮在土壤中積累，需要與非巖溶區(qū)區(qū)別對待；微生物對地下水及氮素的示蹤實驗表明雨季和旱季它們的補給途徑不同；也證明微生物示蹤在巖溶地下水研究中具有可行性。但是對于巖溶系統(tǒng)氮循環(huán)和微生物