喀斯特地区森林生态系统物质循环的锶同位素地球化学研究

钙是地壳中最丰富的碱土金属元素，同时也是所有植物生长所需要的常量营养元素。越来越多的证据表明Ca是影响森林生态系统结构和功能的重要因素。贵州地处典型喀斯特地区，也是我国酸雨重灾区之一。酸沉降可以导致土壤中盐基离子的流失并释放出具有植物毒性的元素，对森林生态系统造成破坏。在酸化土壤上，Ca的流失可以直接或间接地影响森林的生产力。在受到酸沉降影响的森林生态系统，Ca、Mg、K等植物生长所必须的常量营养元素将从土壤可交换态离子库中淋失。大气输入与岩石风化是森林生态系统K、Ca、Mg等碱基离子的主要来源，了解二者的输入比率及转化是研究森林流域内物质循环过程的关键。为了评估森林健康状况和酸沉降对森林生态系统的影响，识别并区分植物营养物质的不同来源是非常有必要的。 喀斯特地区森林生态系统是物质、能量交换复杂且快速的开放系统。本论文应用Sr同位素示踪方法研究了酸沉降对贵州省喀斯特地区森林小流域营养离子循环的影响。选择了一处典型的森林小流域，把“岩石－土壤－地表水－大气沉降－植物”作为一个完整的系统考虑，系统采集了大气降水、穿冠水、地表水、植被、土壤、岩石样品。利用化学质量平衡、锶同位素地球化学等研究手段，探讨了喀斯特森林小流域水循环过程中营养元素和锶同位素组成的时空变化，评判了酸沉降对土壤－植被系统中营养元素与锶同位素组成的影响，定量计算了大气沉降与土壤风化分别对森林植被营养物质来源的贡献率，并进行了微生物对矿物差异风化作用锶同位素示踪的探索性研究，揭示了喀斯特背景下森林生态系统营养物质来源、分布以及迁移转化规律，为喀斯特地区森林生态环境质量评价及其环境保护提供科学依据。主要结论如下： 1．龙里森林小流域降雨的pH显示改区属于受酸雨危害地区。从大气降水到地表水的转化过程中，水溶液中主要离子的浓度发生了较大的变化。在酸雨影响下，雨水对林冠主要表现为营养阳离子的淋失作用，阴离子除NO3-被叶片吸收外总体上也是表现为淋失作用。龙里森林小流域水溶液的锶同位素比值组成总体上受灰岩风化端元控制，水体的87Sr/86Sr的比值变化范围为0.70716～0.71051。大气降水、穿冠水、地表水等不同类型水溶液的锶同位素比值组成变化反映了水循环过程中水溶液与周围环境进行离子交换。 2．土壤中可交换态离子、碳酸盐岩结合态离子和全样的锶同位素组成之间在同一剖面存在较大的变化，且在土壤剖面垂向上也存在着较大的变化。黄壤剖面中不同赋存形式离子的锶同位素组成之间的变化较之石灰土剖面更为明显。可交换态离子的锶同位素比值变化特征可以很好地说明雨水对土壤的影响程度。黄壤剖面土壤可交换态离子的锶同位素比值在土壤剖面形成的垂向分布梯度，反映了雨水对土壤的影响可以达到130 cm深度。 3．喀斯特地区黄壤上生长的植物具有高钙含量的特征，营养元素含量具Ca > K > Mg特点。研究区植物Ca、K、Sr的平均含量均高出报道的陆生植物的平均含量, 但比贵州地区同样以灰岩为母质发育而来的石灰土上生长的植物低。石灰土上植物体内（包括皮、叶、根、茎）的Ca含量比黄壤上植物体内的高，而Sr、Ba、Mn含量则比黄壤上植物体内的低；阔叶树的营养元素含量一般大于针叶树的。 4．不同植物种所吸收的营养元素来源存在差异。基于锶同位素组成的端元模式计算结果表明，苔藓和石松吸收的营养阳离子主要来自大气沉降，苔藓可以达到 88.66%，石松则为77.28%。除了苔藓、石松外，喀斯特地区黄壤上植物生长所需的58.88%～85.64%的Ca、Mg来自土壤风化所产生的可交换态阳离子，大气输入部分所占份额相对较小。 5．土壤中可交换态离子的锶同位素比值是植物体的锶同位素组成的主要影响因素。植物叶片、韧皮、根等不同器官的87Sr/86Sr比值之间存在较大变化，并且树根的87Sr/86Sr比值随着土壤深度加大在垂向上产生变化，反映了植物器官对不同来源营养元素的利用效率存在差异。同样生长在龙里石灰土样地上的马尾松和光皮桦在树根的锶同位素垂向变化上有较大差别，这可能与其植物生理生态特性有关。老叶与新叶之间87Sr/86Sr比值则没有变化。 6．利用Sr同位素示踪方法能较好地区分混合体系中Ca2+等离子由不同矿物风化所释放的比例，进而定量分析微生物对矿物的差异风化作用。在磷灰石和方解石组成的混合体系中，随着微生物培养时间的延长，培养基上清液的87Sr/86Sr比值随时间变化，这反映出方解石与磷灰石两种矿物的微生物风化释放离子对培养液中Ca2+来源的相对贡献率发生改变。基于锶同位素组成的端元模式计算结果表明，黑曲霉组培养液中的Ca2+先由方解石风化所贡献，随后黑曲霉对方解石的风化作用减弱，此时，溶液中Ca2+主要来自磷灰石的风化；而青霉组培养液中的Ca2+先来自磷灰石的风化，随后来自方解石的风化。

贵州喀斯特山区植物营养元素和碳、氮、硫同位素组成研究--以贵阳花溪杨中流域为例

喀斯特的面积分布很广，占全球总面积的10%。我国喀斯特面积占国土面积的13%，主要集中在我国的南方。而贵州喀斯特山区位于西南喀斯特地貌最集中成片分布的中心区，是我国乃至世界热带、亚热带喀斯特地貌连续分布面积最大、发育最强烈的高原山区。和非喀斯特地区相比，贵州喀斯特山区由于碳酸盐岩的特殊理化特性，造成土层浅薄、土被不连续、岩石裸露率高、持水量低，适生树种少、群落结构单一、植被生长极其缓慢，生态环境十分的脆弱。加之人类不合理的活动，使得喀斯特山区植被退化非常严重。因此，开展贵州喀斯特山区植物的营养元素和碳、氮、硫同位素的研究是为了更好的了解该区植被的营养元素状况、生理生态特性以及营养元素的生物地球化学循环，更好地为该区森林、植被的治理、恢复以及生态系统的保护等提供决策依据。本研究选择典型喀斯特山区作为研究点，并以非喀斯特山区为对照。研究喀斯特山区植物的营养元素含量水平、分布状态、变异特征以及营养元素之间的相互关系和碳、氮、硫的同位素组成的种间差异、生境差异特征以及时空变化特征进行了研究。主要得到以下几点认识： 1、植物的N、P、K、Ca、Mg、S的平均含量大于1000 μg∙g-1； Fe、Mn、Al的平均含量在100 μg∙g¬-1～1000 μg∙g¬-1之间；Zn、Sr的平均含量为10 μg∙g¬-1～100 μg∙g¬-1之间；Cu和Mo的含量小于10 μg∙g¬-1，Mo最低(仅为0.17 μg∙g¬-1)。Ca、P、K、 Fe、Mn、S、Sr高于所报道的陆生植物元素的含量；Mg低于陆生植物的元素含量；其它元素在元素含量范围内。植物营养元素的特点为Ca>K>Mg型，和我国其它地区相比，喀斯特山区植被具有高钙的特征。 2、N、P、K、Mg为正态分布；Ca、Al、Fe、Mn、Cu、Zn、Sr、Mo、S为对数正态分布。Al、Fe、Mn、Sr的变异系数大于100%；N、P、K、Ca、Mg、S、Cu的变异系数小于60%。其中，Ca的变异系数最小(为11.8%)。P和K、P和Cu、Al和Fe、Al和Zn、Fe和Zn之间具有极显著的相关关系；N和P、P和Mg、K和Al、K和Cu、Ca和Sr、S和Mo之间具有显著的相关关系。 3、不同的生境下植物营养元素存在差异，差异在2倍范围内。其中，Mn、Al、Sr元素差异较大，分别达到2.1、1.5、1.4倍。 4、植物δ13C、δ15N、δ34S值的分布范围分别为-26.98‰～-29.15‰、-4.08‰～-0.79‰、-8.69‰～-6.04‰；平均值分别为-28.14‰、-2.41‰、-7.53‰。δ13C除了高于我国热带雨林区植物外，均低于其它地区，且变化范围较窄；不同地区之间植物的δ15N、δ34S值存在较大差异。 5、不同植物种之间的δ13C、δ15N、δ34S值存在较大的差异，不同生境条件下植物的δ13C、δ15N、δ34S值也存在差异。植物的δ13C值从生长初期到末期有降低的趋势；δ15N、δ34S则无一定的变化规律，不同的植物种的季节变化不同。植物的δ13C、δ34S随海拔的升高而增大，但δ15N随海拔的升高而降低。

喀斯特石漠化景观的空间因子分析及生态优化途径初探——以贵州清镇王家寨小流域为例

本文以西南喀斯特地区的王家寨小流域为研究对象，基于多源信息，依托遥感（RS）和地理信息系统（GIS）技术获取2005年该区石漠化景观分布格局信息，以此为基础进行石漠化景观分布指数（RLDI）、石漠化综合指数（RCI）、x-s平面分析模型以及三次曲线拟合等分析，旨在从小流域尺度上探讨石漠化景观在坡度、坡向、高程和与村庄距离等空间因子上的分布规律。 结果表明：无石漠化和轻度石漠化景观的RLDI曲线在坡度梯度上波动最显著（即其受坡度影响最大）；其他石漠化景观在坡向梯度上变化最明显。坡度上27º是RCI由增至减的临界点；各坡向中南、南东坡RCI值最高，北、北东、东坡次之；高程越高RCI越高；距村庄越远RCI越高。初步判断各空间因子对RCI的影响由强至弱依次为：坡度、坡向、高程以及与村庄的距离。 基于景观生态学理论，在对土地利用类型和地形（坡度、坡向）因子综合优先级评价的基础上，以治理石漠化、维护喀斯特景观生态安全和土地资源的可持续利用为目标，建立满足景观优化需要的生态恢复耗费表面模型，通过景观功能分区和生态廊道的构建，以及运用生态工程和植被进展演替相结合的具体措施，对小流域尺度上土地利用空间格局的优化和高效的生态恢复模式进行实践性探索。

喀斯特石漠化区植物水分利用的时空变化研究----以贵州清镇王家寨小流域为例

本研究以西南喀斯特地区的王家寨小流域为研究对象，以植物叶片δ13C值为植物水分利用效率的指示值，结合利用氢氧同位素对植物的水分来源进行确认，通过研究小流域中不同土壤类型石漠化样地、不同季节、不同等级石漠化样地及喀斯特不同小生境中常见植物种水分利用效率及水分来源的差异，旨在从小生境、植物种、植物群落等不同尺度上探讨石漠化发生过程对植物长期水分利用的影响，了解不同水源的利用对植物水分利用效率的影响，了解喀斯特生态系统特有生境中植物对水分的竞争和利用策略，以加深对生态系统水分平衡的认识。通过研究，得出了以下几点认识： 1 喀斯特石漠化区植物叶片δ13C值的时空变化 （1）在本研究区，不同土壤类型区域植物群落δ13C值均随着石漠化的进行趋正，方差分析结果显示黄壤序列植物群落叶片δ13C值存在显著差异（F（3，80）0.01=2.720.05)。整个生长季中，常见种叶片δ13C值与土壤含水量的相关关系研究表明大多数种在大多数时间随土壤水分的减少其WUE提高。 （4）本研究区小生境类型主要有石面、石沟、石缝、及土面。各小生境内植物叶片δ13C值基本上随石漠化进行趋正，即小生境尺度上植物叶片δ13C值随石漠化进行趋正。基于石漠化梯度和小生境类别的双因素方差分析表明，生长于不同石漠化等级及不同小生境的植物叶片δ13C 值总体差异显著。土面上生长的植株叶片δ13C值最负，说明较厚的土层、较多的土量能供给植物较为充足的水分、养分，避免或减小了植物的水分胁迫。对各小生境植物叶片δ13C值与各小生境主要环境因子进行相关分析，结果表明植物叶片δ13C值与小生境土壤厚度、0-10cm土壤平均含水量以及日均大气相对湿度呈显著负相关，而与日均光照强度呈显著正相关。 （5）石漠化过程中常见植物种叶片解剖结构中的栅栏组织厚度、上角质层厚度、下角质层厚度、最大导管直径均呈现逐渐增大的趋势，而海绵组织厚度则呈现逐渐减少的趋势，方差分析结果显示各解剖结构均呈现显著性差异（p<0.05）。另外，对叶片解剖结构指标与叶片δ13C值的相关分析表明，所研究的植物种叶片上述解剖形态结构中除下角质层厚度与叶片δ13C值相关关系不显著（p>0.05）外，其余指标均与其叶片δ13C值呈现显著的正相关关系（p<0.05），说明植物的WUE与植物叶片解剖结构的变化存在着内在的相关关系。 2 喀斯特石漠化区植物水分来源的时空变化 （1）由于07年降雨丰富，其喀斯特皮下水显著低于06年，但是06年喀斯特皮下水的季节变化却不大，这是由于06年为特大欠水年，观测期内降雨仅721mm，为正常年份的60%，“活塞效应”不明显。2006年对各等级石漠化样地植物水分来源研究结果表明：（12月）土壤水及小枝木质部水分的δD及δ18O值明显高于夏季（7、9月）。降雨较多的7月，强、中度石漠化大多数植物主要利用土壤水，轻、无石漠化样地植物则利用土壤水和喀斯特皮下水。9月，由于干旱严重，各石漠化样地大多数植物均不同程度的利用了喀斯特皮下水。 （2）对研究区各小生境植物水分来源的研究表明：各小生境土壤水分δD、δ18O各不相同，石缝小生境土壤水分δD、δ18O最负，石面土壤水分δD、δ18O最正，土面、石沟居中。强度石漠化土壤剖面水分δD、δ18O值>中度石漠化样地>轻度石漠化样地>无石漠化样地，显示随着石漠化的进行，样地蒸发越强烈。整体上，石缝中植物比其他生境更容易利用喀斯特皮下水，无石漠化样地的植物比石漠化样地的植物更容易利用喀斯特皮下水，常绿植物比落叶植物利用更多的喀斯特皮下水，乔木比灌木利用更多的喀斯特皮下水。 3 植物稳定性氢氧同位素与碳同位素耦合 通过对研究区植物叶片δ13C值和不同水源和植物木质部δD、δ18O值的测定，结果表明无石漠化样地植物具有更负的δ13C值，即其水分利用效率（WUE）低于石漠化样地，这是由于无石漠化样地喀斯特水赋存的二元结构，植物除了可以利用浅薄土层的水分，还拥有稳定的浅层地下水即喀斯特皮下水，这已通过植物木质部水分δD、δ18O值的测定得到佐证。落叶种具有比常绿种更正的δ13C值，即其水分利用效率（WUE）高于常绿种，这是由于常绿种比较稳定的利用了浅层地下水，具有稳定的水分来源，使得常绿种的水分利用效率（WUE）较低。土面生境植物具有比其他生境更负的δ13C值，是因为较大的土面面积、较厚的土厚，较多的土量提够给植物较多的水分，养分，土壤水分较充足，避免或减少了植物的水分胁迫，植物WUE较低。

贵州喀斯特石漠化历史演变过程研究及其现代启示意义

贵州历史环境状况研究较少，尤其是对石漠化的发生发展过程。本文从其历史时期人地关系及矛盾的角度并结合地质背景等因素探讨了其历史发展演变过程。 结果表明，贵州石漠化发端于明末清初，清中后期在分布和发展程度上都有所扩大，至民国时期已成为一个环境问题；但其最终成为贵州最严重的生态环境问题则是建国后随着人口激增而形成。 贵州石漠化发生发展经历了一个长期、渐进、从量变到质变的过程，人口数量增长是其关键控制因素；其实质是人口与土地资源之间承载能力的不协调。同时，其演变同生产方式的转变和生产关系的变化是密切联系的；而国家对贵州的宏观战略定位也间接影响其生态环境。严控人口数量和提高农业生产力，调整产业布局和政策是解决石漠化问题的基本途径，而建立和实行区域间的生态补偿制度应对此大有裨益。 对于石漠化的治理应以缓解和控制人地矛盾的发展为主线；而在技术层面，石漠化治理需要按循序渐进的原则来进行，严格按照生态演替规律分阶段、有步骤地促进其顺行演替；在治理区域选择方面，要先易后难，以轻度、中度石漠化地区为主，治理目标以恢复土地生产力；而强度和极强度石漠化应该以自然恢复为主，以景观恢复为主。同时，采取防治并举、标本兼治的办法，确保治理见成效。

植物碳、氮同位素对喀斯特石漠化过程的响应特征研究——以贵州清镇王家寨小流域为例

本研究选定喀斯特高原区贵州省清镇市王家寨峰丛洼地小流域为研究对象，以植物碳、氮稳定同位素为研究手段，探讨了喀斯特石漠化过程中植物对环境变异的生态响应特征。通过研究，得出了以下几点认识:（1）石漠化过程中，土壤结构呈现出紧密化、粘质化发展趋势；土壤OM、pH、CEC、C/N比值和易移动的元素随石漠化的加深而降低，难移动的元素随石漠化的加深而升高。（2）研究区植物具有高Ca、Fe和低P、K的显著特点，属于Ca > K > Mg型；植物各元素含量种间差异较显著，且除P、K、Fe、Zn外基本均随石漠化的加深而降低，随生长期延长而增加；P是研究区植物生长发育的主要限制因子。（3）研究区常见灌木植物叶片δ13C值主要分布在 -29.5‰ ～ -24.60‰ 之间，种间差异极显著，基本随石漠化的加深而趋正，随生长期的延长而趋负；植物叶片δ13C值对土壤环境的响应较对小气候的响应更敏感。（4）研究区常见灌木植物叶片δ15N值主要分布在 -6.08‰ ～ +1.30‰之间，种间差异同样极显著，随石漠化程度的加深而趋正；植物所吸收氮同位素的种类和数量除了受土壤和气候环境因子的影响外，还受到其自身生理遗传和生长发育的控制。（5）植物叶片δ13C值对小生境的响应不如δ15N值敏感。

西南喀斯特典型坡地土壤有机碳库特征及碳同位素组成

喀斯特石漠化及其影响己经成为制约中国西南地区可持续发展最严重的生态环境问题，越来越受到人们的关注，已成为环境地球化学研究的一个重要领域。石漠化的本质就是土地退化，造成土壤肥力和生产力的下降。因此喀斯特地区现阶段主要面临如何管理好陆地生态系统，以保持原有碳储量，并尽可能沉积更多碳是当前面临的主要挑战。 峰丛洼地是喀斯特地区的典型景观，该景观的坡地是喀斯特地区自然环境最脆弱的区域，存在基岩大量裸露的情况，土地和植被退化最为严重。本文以西南喀斯特地区具有不同植被类型的典型峰丛坡地（草丛、灌草丛、稀疏灌丛和乔木林）作为研究对象，为了解喀斯特地区碳的循环机制，我们采集了4个典型坡地不同地形部位的表层和剖面土壤，主要分析了土壤可溶性有机碳（DOC）、整体土壤及不同粒径土壤组分中有机碳含量和稳定碳同位素（δ13C）值组成，同时测定了植物优势种叶片、枯枝落叶δ13C值组成。得到以下几点认识： 1、草丛和灌草丛坡地各地形部位的土壤有机碳（SOC）含量和碳氮比(C/N)值差异较大，其上坡位的土壤都具有较高SOC含量和C/N值。而稀疏灌丛和乔木林坡地SOC含量和C/N值比较稳定，其变幅较小。 2、各坡地剖面土壤中DOC含量分布和变化主要受到了有机质输入､坡地地形及土壤质量等影响｡草丛和灌草丛坡地各地形剖面中DOC含量变幅要大于乔木林和稀疏灌丛坡，对各个坡地几个剖面上层土壤（0～20cm）中DOC含量来看，其含量主要表现为：乔木林坡地＞稀疏灌丛坡地＞灌草丛坡地＞草丛坡地。但通过DOC与SOC进行比对发现，在剖面土壤中DOC/SOC值整体变化趋势主要表现为随剖面土层的加深而增加的趋势，但在土层较薄的剖面中主要呈现一直增加的趋势，而在土层较厚的剖面中则出现先增加后降低或保持稳定的现象。除了稀疏灌丛坡地最低值出现在下坡位剖面PG3外，在草丛、灌草丛和乔木林坡地最低值均出现在上坡位的剖面，其中HC1、HG1和HG2剖面的DOC/SOC值最低，范围都在0.2%以下，具有明显的高SOC和低DOC的含量特征；而乔木林坡地各剖面DOC/SOC值相对较高，范围都在0.3%以上，并且各剖面之间的差异较小。 3、草丛和灌草丛坡地上坡位HC1、HG1和HG2剖面土壤主要是基岩风化物和植物残体堆积而成的砂质新成土，砂粒含量较高，剖面土壤中有机碳含量虽然高于下坡位各个剖面土壤，但有机碳主要贮存在砂粒土壤中，其碳库处于不稳定状态。而下坡位剖面中土壤主要以粉粒和黏粒为主，土壤有机碳含量相对较低，但主要贮存在粉粒和黏粒土壤中，其碳库处于相对稳定的状态。稀疏灌丛和乔木林坡地各地形剖面中主要以粉粒和黏粒土壤为主，各个剖面之间变化幅度较小，有机碳也主要贮存在粉粒和黏粒土壤中，其碳库组成比较稳定。 4、对采样点的植物优势种叶片的碳同位素组成进行了测定。结果显示，其δ13C值主要受到遗传因素的（光合作用途经）控制，植物碳同位素组成表现出明显的差异性，C3植物的δ13C平均值为-28.2‰，C4植物的δ13C平均值为-12.7‰。另外，对不同坡地采集的同种植物叶片的δ13C值分析发现，δ13C值受环境影响因素较小。 5、对各个坡地枯枝落叶和相应表层土壤有机质δ13C值之间的相关性研究发现，灌草丛和乔木林坡地具有显著相关性，其相关系数分别为R2=0.93和R2=0.77，明显高于草丛和稀疏灌丛坡地的R2=0.28和R2=0.36。由于土壤剖面发育历史及地表植被的不同，草丛和灌丛坡地土壤有机质的δ13C值要明显高于稀疏灌丛和乔木林坡地，并且不同地形剖面的土壤有机质的δ13C值的差异较大。另外，大多数剖面的土壤有机质δ13C值在剖面深度上的变化主要表现为随土层深度的加深呈现先升高后降低或趋于稳定的变化趋势。δ13C值在土壤剖面中随深度变化，反映了作物残体输入和土壤累积特征，有助于鉴定剖面中土壤有机碳的迁移转化过程。 6、剖面中土壤δ13CDOC值与δ13CSOC值的变化规律具有相似性，表明了土壤中DOC与SOC的具有密切的关系；另外，从△(δ13CDOC－δ13CSOC)来看，大多数剖面中δ13CDOC值要高于δ13CSOC值，其中乔木林的变化幅度最低，而草丛坡地的最高。 7、对剖面中不同粒径土壤有机质δ13C值的研究发现，不同粒径土壤有机质的δ13C值在剖面深度上的差异，主要受到输入土壤中有机质变化和进入土壤后分解程度的影响。各个坡地砂粒土壤中有机质的δ13C值对地表植被的变化较敏感，同时也指示了输入土壤中较新或是分解速率较慢的有机质来源，而粉粒和粘粒土壤有机质的δ13C值则指示了土壤中分解速率较快或是分解程度较充分的有机质来源。不同粒径土壤有机质δ13C值组成特征能够较好地反映土壤有机质更新速率。

西南喀斯特坡地土壤硫的生物地球化学循环研究

我国西南喀斯特和酸沉降双重背景下的土壤硫循环实际上与碳酸盐岩溶解及土壤质量演化密切相关。目前，国内有关喀斯特地区土壤硫生物地球化学循环的研究还鲜见报道。 本论文以典型喀斯特地区石灰土和黄壤为研究对象，研究自然坡地土壤中硫的赋存状态及其同位素组成特征，硫循环关键微生物硫酸盐还原菌(SRB)的分布特征，结合土壤基本理化参数探讨喀斯特地区土壤中硫的生物地球化学循环的一般过程，得到如下认识：土壤中SO42-还原和有机硫矿化是同步进行的，而SO42-和有机硫的相互转化构成了土壤硫循环的主要内容。通过对比土壤各形态硫含量、SRB及各形态硫同位素组成的垂直分布特征，可以很好的阐释与土壤深度相关的硫循环过程，同时也可以很好的判别土壤内部的SO42-、有机硫和FeS2迁移过程。而影响各形态硫含量、SRB及硫氧化菌（SOB）在土壤中分布的因素不是单一的，与土壤类型、植被状况、土壤基本性质如有机碳、氮含量及pH值及土壤不同深度活性金属离子分布、厌氧状况等多因素的综合作用有关。

喀斯特环境质量变化的自然与人文过程特征——贵州喀斯特河流的地球化学研究

该论文选择贵州喀斯特地区的典型河流为研究对象,利用化学质量平衡、同位素和微量元素地球化学研究手段,定量计算了流域物理侵蚀速率和化学风化侵蚀速率及其对大气CO<,2>消耗的影响,探讨了河流水化学特征与人为活动、气候、地形、岩性等因素之间的关系,并对流域中的化学物质（主元素、稀土元素、重金属元素）循环过程进行时间和空间上的示踪研究,揭示喀斯特生态环境中水/岩（土壤）作用、水/粒界面作用对化学物质地球化学循环过程的控制机理及其环境效应特征,辨识了人为作用和自然过程对流域质量变化的相对影响.

贵州岩溶区红色风化壳物源及稀土元素地球化学研究

该论文在贵州及其相邻湖南吉首地区选取了十多个有代表性的碳酸盐红色风化壳,在野外仔细观察的基础上,运用矿物学、土壤物理学及地球化学等研究方法,首次较为系统地阐述了它们的物质来源及成因、矿物学及地球演化特征、稀土元素的超常富集及分异、稀土元素赋存状态等.取得了如下几点认识：1.系统论述了贵州岩溶区红色风化壳的主要物质来源,证实了碳酸盐岩上覆红色风化壳主要物质来源于碳酸盐岩中的酸不溶物,是碳酸盐岩风化后酸不溶物原地残余堆积的结果.2.系统阐述了碳酸盐岩风化壳形成过程中的矿物学与主量元素的演化特征,发现风化作用主要集中于岩-土界面附近进行.3.分析了导致剖面风化强度均匀的原因.4.提出了碳酸盐岩风化壳正反层序的判别方法.5.明确了碳酸盐岩风化壳发育的两阶段模式.6.详细研究了碳酸盐岩风化前缘地球化学碱性障的形成机理.7.初步揭示了岩-土界面稀土元素超常富集和Ce强烈亏损的地球化学机理.8.查明了稀土超常富集层中及剖面中上部稀土元素的赋存状态.9.风化前缘MREE富集现象及其形成机理.

贵州碳酸盐岩红色风化壳稀土富集与分异的机理研究

近期对贵州碳酸盐岩红色风化壳研究发现，碳酸盐岩基岩中稀土含量一般为几十个μg/g，而在岩一土界面附近即E显示超常富集，REE总量最高可达31000μg／g以上，远高于碳酸盐岩基岩和一般风化壳REE含量。同时，稀土富集的部位是剖面底部，而在其它的风化壳中稀上往往在剖面中部即全风化层底部富集。REE超常富集的样品同时伴有Ce的强烈亏损，6Ce值最低为0.007，这也是目前报道过的风化壳中的最低值。另外，风化前缘稀土相对于PAAs标准化后显示MREE富集的特征。弄清碳酸盐岩红色风化壳中稀土富集和分异的机理，有助于丰富稀土表生地球化学知识，同时也为喀斯特地区风化成土地球化学过程和土壤物质来源的示踪提供了重要依据。本文通过对稀土赋存状态的实验研究，结合稀土元素质量迁移系数，系统的分析了稀土元素在碳酸盐岩风化壳中的迁移、转化行为，探讨了稀土发生富集和分异的机理。本次研究取得了如下认识：1、通过对白云岩和灰岩风化壳稀土赋存状态的对比，发现在碳酸盐岩红色风化壳中稀土具有相同的赋存和转化规律。稀土富集层中稀土主要以专性吸附态和残渣态的形式存在，其次是有机质结合态。稀土的赋存状态说明粘土矿物对稀土的吸附是导致稀土在底部超常富集的主要原因。其次，次生稀土磷酸盐矿物，主要是La、Nd等的轻稀土磷酸盐矿物也是稀土富集的主要载体。此外，有机质和铁锰氧化物对稀土的迁移、富集也发挥着重要作用。非富集层主要以 残渣态和铁锰氧化物结合态的形式存在，表明随着风化作用的增强，稀土越易进入稳定的相态中。2、元素质量迁移系数真实的反应了元素的迁入迁出情况。碳酸盐岩的非等体积风化使得稳定的微量元素相对基岩富集，也为风化壳稀土提供了基本的物质来源，但不是导致稀土超常富集的主要原因。稀土元素在风化壳上部表现出很强的活化迁移能力，几乎全部迁出，并且在底部显示明显的带入富集，上部淋漓的稀土为底部稀土的超常富集提供了稳定而充足的物质来源。3、风化壳底部狭窄的碱性障是稀土超常富集的主要制约因素。碳酸盐岩的酸不 溶物含量低，碳酸盐矿物可溶性强，发育程度较高的风化壳剖面能够在垂向上很窄的范围内形成碱性障。7-9的pH值增大了粘土对稀土的吸附量，同时还提高了稀土与各种络阴离子络合的稳定性，有利于稀土沉淀。对于发育完整的碳酸盐岩红色风化壳，介质条件的改变是缓慢的，不能在剖面底部形成碱性障，因此稀土在剖面上部迁出，下部迁入富集，富集层位往往和其它岩类风化壳一样在全风化层的底部。4、经页岩标准化的稀土分布模式在风化前缘显示MREE富集。导致这一现象的原因主要是风化壳中MREE的迁出程度大于HREE和LREE，风化流体显示MREE富集。在底部碱性障条件下，富M咫E的风化流体沉淀、富集。风化流体向下渗透，水岩反应的结果是白云岩也显示M咫E富集，灰岩由于岩一土界面的阻挡，水岩反应深度不大，基岩往往无明显的稀土分异。5、在碳酸盐岩红色风化壳上部Ce显示正异常，底部富集层显示强烈负异常。剖面上部，Ce3＋氧化水解，氧化产物主要与铁锰氧化物共沉淀，少量的与粘土形成氢键或者与有机物络合沉淀，导致剖面上部正异常。Ce在剖面中的迁出量很少，在底部稀土富集层，沉淀富集时主要是La、Pr等LREE，Ce相对贫乏，因此，富集层Ce显示强烈的负异常。与碳酸（氢）根或者磷酸根等络合物形式迁走的Ce很少，不是导致Ce强烈负异常的主要原因。6、基岩性质和良好的水热条件导致碳酸盐岩风化前缘形成特殊的微环境一一碱性障，这是稀土在碳酸盐岩风化壳底部超常富集和分异的主要原因，也是碳酸盐岩红色风化壳稀土行为不同于其它岩类风化壳的主要原因。稀土元素在风化作用过程中发生明显的重组分配，其分布特征不能用以指示物源信息，只能反应风化作用过程信息。

岩溶上覆风化壳的粒度分布特征及其对物源和形成过程的指示意义

以贵州为中心的中国西南岩溶区是世界上连片分布面积最大的岩溶区，其上分布着厚度不一的红色土层。由于碳酸盐岩易溶蚀、酸不溶物含量极低（一般＜5％）、成土慢，同时在风化过程中伴随着巨大的体积缩小变化，原岩结构和半风化带无法保留，岩-土界面呈突变接触关系，缺失过渡层，宏观上缺乏直接的野外地质证据支持二者之间存在着明确的继承关系，因此对于岩溶上覆风化壳的物质来源，长期以来一直存在着争议。对岩溶区风化壳成因存在的不同认识，成为利用风化壳进行一系列科学研究的障碍，因此正确理解岩溶上覆风化壳的物质来源和成因显得十分紧迫和重要。本文在已有成果的基础上，选择灰岩、白云岩与碎屑岩呈镶嵌产出的贵州岩溶台地（包括湘西吉首的一个剖面）作为研究区域，尝试利用粒度分析这一反映沉积若（物）的结构组成的研究手段，通过对20条剖面的精细采样分析．系统地探讨了不同基岩与仁覆风化壳的粒度分布特征，并以此为主线，结合磁化率、pH值、地球化学和矿物学资料，对贵州岩溶上覆风化壳的物质来源和剖面演化过程进行了探讨，取得了以下几点认识：第一，在碳酸盐岩上覆风化壳的成因研究中，粒度分析是一个有效而直观的物源示踪方法。不同沉积背景下形成的沉积岩其粒度分布特征是不同的，而在此基础上发育的风化壳就继承了母岩的粒度分布特征，粒度频率分布曲线表现出和母岩的一致性和渐变过渡性，在风化程度不是特别强烈的条件下（排除如铝土矿化的红土化阶段），风化壳仍保留了“源”的信息。而由碳酸盐岩发育的风化壳就继承了基岩酸不溶物的粒度分布特征。由不同粒度组成的沉积岩发育的风化壳，其粒度组成也存在着明显的浪异。第二，通过对贵州岩溶区不同基岩（包括碎屑岩）及其上覆风化壳的粒度分析表明，各风化剖面的粒度分布特征与下伏基岩有明显的继承性，而各剖面之间的粒度分布存在着明显的差异，说明岩溶区上覆风化壳没有共同的物质来源，碳酸盐岩上覆风化壳是碳酸盐矿物溶蚀、残余酸不溶物长期积累的结果。第三，在非等体积风化过程中，风化前锋即“岩一土界，”是一个重要的地球化学作用场所，在这一狭窄的界面上，不仅碳酸盐矿物充分淋失，而且残余酸不溶物也开始了分解，同时岩一土界面的风化梯度明显强于已成风化剖而后期的演化强度。即从基岩酸不溶物到风化壳底部，风化强度突变性增大，而风化壳的后期演化则是一个缓慢的过程。第四，由于充沛的水热条件，风化壳的淋溶淀积作用普遍存在，粘粒含量在剖面七部由下向上表现为逐渐降低的“倒置”现象。在风化壳发育浅薄的石灰土剖面，淀积层甚至可以直接淀积在剖面底部。第五，石灰土尽管发育程度较低，可以看作碳酸盐岩风化壳演化的早期阶段，但是在形成石灰土的过程中，各风化指标已表现出显著的变化，具有了红色风化壳的发育特征。因此从严格意义上讲，石灰土已不具有从基岩到红色风化壳的“过渡层”身份。第六，石灰土剖面普遍具有典型残积风化的特征，粒度和地球化学指标表现为单调变化的趋势。而红色风化壳的粒度参数在整体上具有风化壳正向演化特征的基础上，在剖面上表现为强烈的波动，地球化学指标及矿物学组成在剖面上也呈现相应的波动。造成这种现象的原因可解释为：一是风化前锋向下拓展过程中风化条件的变化，二是后期古地下水位的波动对风化剖面的改造。石灰土剖面形成时间短，在浅薄的风化壳发育过程中，风化条件和水文状况稳定，风化壳的发育完全是在气下由大气降水形成的风化溶液对一剖面由浅入深的风化作用形成的，未受到后期地下水的改造。而厚层红色风化壳，形成时间长，在其长期的地质演化过程中，风化条件的变化和古地下水位的波动将会频繁的发生。尤其岩一土界面是一个重要的地球化学风化界面，在风化前锋向下拓展过程中，风化条件的变化必然影响到相应层位风化程度的差异性，因此造成剖面上风化指标的波动性。在风化前锋，由风化条件的差异性导致粒度及地球化学指标的波动性，在这一过程中，粒度及地球化学指标的变化是可预测的，即强烈的风化条件可以导致粒度变细，粘粒含量增加，CIA增大，反之亦然，风化过程表现为活动元素的净带出。然而，由古地下水位的波动对风化剖面的改造作用是可变的，不可预测的，既可使剖面的物质被带出，也可以带入一些活动元素，如K、 Na等的交代。同时，地下水对剖面粒度组成的影响也很复杂，物质的带入不一定就会使粒度变粗，粘粒含量降低，而物质的带出也不一定就导致粒度变细，粘粒含量增加。在两种机理的相互叠加影响下，使风化壳的演化趋势更趋复杂化。风化剖面中，粘粒含量和CIA之间既有同步变化的层段，也有呈强烈反相关的层段，还存在没有明显相关肋层段。作为等体积变化的典型剖面-吉首剖面，其风化过程具有碎屑岩的发育特征，“粘粒含量从下向上表现为顺次增大的趋势，如果也存在古地下水对剖面的改造作用，那么说明对粒度的影响是微弱的。第七，对于红色风化壳，不管是碳酸盐岩风化过程中由于风化条件的差异造成的风化指标波动还是受后期地下水的改造作用引起的，剖面整体上仍具有向上风化程度增强的趋势。PH向上逐渐降低、磁化率的增大均表明了风化强度的增强，“这与剖面愈向上经历的风化时间愈长所对应的。第八，碳酸盐岩风化壳和结晶岩风化壳的形成过程相比，前者母岩的风化起点高，即母岩的成熟度高。由于碳酸盐岩风化壳的风化母质是基岩酸不溶物，而酸不溶物本身就是表生风化条件下的产物，因此可以说风化母岩就是风化壳，基本上不含易风化的斜长石类矿物。在A-CN-K风化趋势三角图解上，已表现为风化壳发育的第二演化阶段，即沿着A-K端线向A点逼近。第九，在结晶岩及碎屑岩类风化过程中所证实的守恒元素，在碳酸盐岩非等体积风化过程中其比值发生了显著变化，这是碳酸盐岩风化成土作用过程中的一个特点，可能会引起某些所谓的守恒元素的地球化学分异，但其成因尚不清楚。在风化剖面中守恒元素的比值保持稳定，具有其它岩类风化的特点。

贵州岩溶地区土地石漠化形成的自然背景及其空间地域分异

贵州位于世界上连片分布面积最大的中国西南岩溶区的中心，近年来石漠化问题突出，且有不断恶化的趋势，给当地经济发展和人类生存带来了极大障碍。对石漠化的成因机理进行研究，是石漠化治理的前提和理论依据。但目前对石漠化的研究基本以定性分析为主，定量化和空间性明显不足。贵州地貌类型复杂多样，不同地区石漠化的程度和影响因素也不相同，如果不考虑区域之间的差异，对石漠化的治理也会产生误导。本文用地理信息系统（GIS）作为研究手段，以贵州岩溶区作为研究区域，将石漠化形成中的岩性、地貌类型、坡度、降水以及土壤等影响因素图作为要素层与石漠化图进行空间叠加分析，对影响石漠化的各种自然背景进行了深入分析；并较为系统地研究了石漠化各种影响因子的空间地域分异规律以及不同区域石漠化形成中的主导驱动因素，取得了以下几点认识：第一，岩溶地区土地石漠化与岩性存在明显的相关性，石漠化分布区域岩性主要以灰岩为主，灰岩地区石漠化程度比白云岩地区更严重。连续性灰岩是所有岩类中最易发生石漠化的，中、强度石漠化都比较严重；其次是连续性白云岩地区，这种规律也非常明显。可以说较纯的碳酸盐岩是石漠化发生的主要岩石基底。第二，从各种地貌类型与石漠化的关系来看，地形切割深度对石漠化的形成有很大影响。无论在哪种地貌类型分布区，深切割的地貌区比浅切割的地貌区更容易发生石漠化。相对高度越大，切割深度对石漠化的影响越明显。各种地貌类型的峰丛洼地组合区是石漠化发生率极高的地区。在不同级别的坡地分布区，大于25°的坡地对石漠化的影响最明显。大于25°的坡地区轻、中、强度石漠化的发生率都很高。小于18°的坡地区石漠化程度主要以轻度和中度为主。降水量对石漠化的影响以大于1200mm的降水量区最明显。在降水量大于1200mm的地区，降水量越大，石漠化越严重。降水量小于1100mm的地区石模化程度以轻度和中度为主。不同的土壤类型中，石质土和石灰土分布区是最容易发生石漠化的地区。两种土壤类型分布区轻、中、强度石漠化都是所有土壤类型中最高的；黄壤和粗骨土中石漠化程度以轻、中度石漠化为主；黄棕壤区则中、强度石漠化发生率在所有土壤类型中都居前列；山地草甸土分布区中度石漠化的发生率比较高。第三，通过对不同地貌类型区石漠化形成的主导因素分析可以得出，石漠化是在岩溶地区脆弱的生态地质环境基础上，受人类活动的强烈干扰而形成的。脆弱的环境地质背景，尤其是岩溶地区大面积广泛分布的连续性碳酸盐岩是石漠化形成的主要控制因素，决定了土层的厚度及土壤类型的分布：由地貌类型决定的重力势能和降水提供的水动力条件是石漠化形成的主要原动力，人类活动在其中起了加剧和扩大这种动力条件的作用。第四，从各区石漠化形成的主导因素来看，岩性和人类活动是影响石漠化最重要的因素。岩性中主要是连续性碳酸盐岩的影响，尤其是其中连续性灰岩的分布。一般连续性灰岩分布面积大，陡坡垦殖也比较严重的地区，石漠化的比例和程度都很高如省内的黔西南、黔南和大方、盘县区。若连续性灰岩分布很大，但人类影响较弱，则石漠化的程度相对较弱，但也比较严重，如威宁高原区；如果连续性灰岩分布比较小，即使人类活动强度较大，石漠化的程度一般也以轻度和中度为主，如黔北中山区。连续性白云岩比例高的地区，石漠化形成受岩性影响也很大，‘但程度以轻度和中度为主，如东部低山丘陵区和黔中区；在岩石类型以碳酸盐岩与碎屑岩互层为主的地区，石漠化的形成主要受人为因素影响，但一般无强度石漠化，如黔北区。第五，轻度石漠化受多种因素综合影响比较明显，而强度石漠化的影响因素一般都集中于少数几个因素。从石漠化影响因素的空间地域分异来看，省内第一梯级面上的威宁高原区和大方、盘县区是连续性灰岩比例最大的两区，各种程度石漠化基本都受岩性控制，人为因素的作用比较小；第二梯级面上的黔南区、黔西南区强度石漠化受人类活动和岩性共同作用明显，但以人类活动的影响更大；黔北区强度石漠化基本以人类活动影响为主。黔中区和第三梯级面的东部低山丘陵区连续性白云岩分布广，岩性对石漠化的影响也很大，但强度石漠化很少。

岩溶洞穴系统稳定碳同位素演化的地球化学过程及其环境意义

稳定碳同位素作为环境替代指标己经在不同的载体上得到了广泛运用，例如树轮。泥炭、碳酸盐岩等。目前岩溶学者也逐渐开始运用洞穴次生化学沉积物中的稳定碳同位素探讨古气候环境的变迁史，例如植被的更替、大气CO。的浓度变化等。然而由于缺乏该指标在岩溶洞穴系统中形成机理的研究，使得该环境替代指标的运用非常有限。本论文在贵州岩溶地区选择了上覆植被分别为原始森林。灌丛草坡、草坡和石漠化的凉风洞、七星们、犀牛洞、将军们作为研究对象，对岩溶洞穴系统稳定碳同位素的时空演化规律进行了详细的分析，得出以下几点认识：一．洞穴系统稳定碳同位素对地表气候环境的响应通过对4个不同生境洞穴系统的研究，认为洞穴系统稳定碳同位素可以很好地将原始森林植被同其它植被类型区分开；但是不能很好地区分植被退化的过渡类型如灌丛、草坡以及石漠化等。表明石笋的δ13C值在一定情况下可以用来探讨地表植被的变化。但要做更精确的反演需要在加深机理方面的研究。通过同一洞穴不同滴水点的对比研究，发现不同滴水点沉积物的稳定碳同位素存在差异，并且差异还比较大。表明用石笋的δ13C值对古气候环境进行重建时需要慎重考虑滴水点的详细情况。在这种情况下，应该对稳定碳同位素的地球化学过程进行详细研究，尤其应该结合水化学数据对水的运移途径进行深入研究，才能合理地运用稳定碳同位素对洞顶的植被情况进行正确的反演。洞穴滴水和塘中水DICδ13C值和月累积降雨量成相反的变化趋势；地表泉水、土壤水DICδ13C值。土壤CO2、土壤呼吸δ13C值和月累积降雨量的变化在多数时候具有一致的变化趋势。总体而言，洞穴系统水样DICδ13C值对月平均气温的响应不是很明显。只有洞穴塘中水DICδ13C值和月平均气温成相反的变化规律；土壤呼吸CO2δ13C值对月均温响应较为明显：月平均温度越高，土壤呼吸CO2δ13C值越偏轻，反映了温度较高的时候土壤层中的生物活动较强烈。二．岩溶洞穴系统稳定碳同位素的时间演化犀牛洞、将军洞。七星洞10月份植被δ13C值样品的δ13C值比7月份样品的δ13C值偏重。犀牛洞和将军洞土壤空气CO。的δ13C值在8月份出现了一个峰值，以前在清镇红枫湖生态站草地土壤剖面所作的工作8月份的值也同样偏重。在6月份时，凉风洞和七星洞存在一个较为明显的低值，与微生物和植物的强烈呼吸作用有关。土壤呼吸气CO2的δ13C值在6月份出现了明显的低值，和土壤CO。的变化趋势一致。4个洞穴空气CO2的δ13C值在8、9月份有一个低值。七星洞和外界的连通性最好，其洞穴空气CO2δ13C值随时间的变化最不明显，而凉风洞与夕十界的连通性最差，洞穴空气CO2δ13C值的变化幅度最大。土壤水DIC的δ13C值8月份存在一个峰值，在9月份的时候存在一个低值。七星洞地表泉水DIC的δ13C值自6月份开始有逐渐偏重的趋势，到8月份达到一个不甚明显的峰，这个峰值在凉风洞的表层泉中也略有体现。和土壤水比较，地表泉水的不同点在于低值不出现在9月份，而是出现在10月份，相对而言滞后1个月。原因可能是表层泉水所到达的深度比土壤水深；土壤强烈呼吸作用的响应要比土壤水慢。各个洞穴的滴7RDICδ13C值随时间退推移出现了不同的变化规律，可能与滴水的来源和途径不同有关。4个洞穴塘中水DIC的δ13C值统一在7月份达到了最低值；之后DIC的δ13C值逐渐偏重。三．岩溶洞穴系统稳定碳同位素的空间演化植被样不同部位的δ13C值总体上逐渐偏重的顺序是皮一叶一枝一根～干，说明植物不同部位的稳定碳同位素存在差异。随着凉风洞一七星洞一犀牛4同一将军洞的顺序，植被δ13C值逐渐变重；反映了地表植被由C3植物向C3＋C4植物的过渡，指示了生态环境由原始森林→石漠化方向的退化。土壤有机碳的δ13C值基本继承地表植物δ13C值的特征。没有发生植被更替上壤剖面上有机碳的δ13C值随着深度的增加逐渐偏重；植被发生了变化的土壤剖面则可能出现与正常规律相反的变化情况。土壤剖面上CO2的δ13C值自地表；句下逐渐变轻，在一定深度后大致趋于稳定；土壤呼吸CO2δ13C值位于土壤CO2δ13C值的变化范围；土壤呼吸CO2δ13C值的变化规律和植被δ13C值的变化在空间上具有一致性。土壤水DIC的δ13C值比土壤CO2值偏重；泉水DIC的δ13C值比土壤水DIC的δ13C值偏重，原因是泉水可能己经渗入到基岩层之后再出露到地表，已经混入了部分基岩无机碳的成分。四个研究洞穴系统盖板基岩的δ13C值变化范围大约在2－3‰之间。凉风洞和犀牛洞不同滴水点滴水的δ13C值相对比较稳定，七星们和将军洞的变化比较大。洞穴塘中水DIC的δ13C值和洞穴滴水相比明显偏重，原因为洞穴塘中水经历了强烈的蒸发作用；满后水比滴前水整体偏重。从洞日往内洞穴空气CO2的δ13C值逐渐偏轻，并且洞穴空气CO2δ13C值继承了洞穴水样DICδ13C值的变化趋势。洞穴化学次生沉积物的δ13值：同一个洞穴中不同滴水点化学沉积物的δ13C值存在差异，但是和滴水DIC的δ13C值相对应，反映了沉积物δ13C值对洞穴滴水DICδ13C值的继承，沉积物δ13C值比滴水DICδ13C值偏重。最新鲜沉积物和比较老的沉积物之间的对比偏轻1-2‰，沉积物中的δ13C值有可能发生沉积期后的变化。