导　　师： 刘丛强

学科专业： G0902

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 中国科学院地球化学研究所

摘　　要： 中国西南喀斯特地区面积约54万KM2，在全球三大喀斯特集中分布区中连片裸露碳酸盐岩面积最大。同时，这一地区也是世界三大酸雨区之一。酸沉降不仅加速土壤酸化进程，导致土壤盐基离子的流失和有植物毒性元素的释放，破坏植被和生态环境，而且还造成地表和地下水的污染。酸沉降影响下的喀斯特地区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。 本研究在导师刘丛强研究员主持的国家重点基础发展研究规划(973)项目：西南喀斯特山地石漠化与适应性生态系统调控，批准号：2006CB403200课题的支持下，选择贵州普定和广西环江两大典型喀斯特地区，以石灰土和黄壤两大土壤类型为代表，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坡地土壤中硫的生物地球化学循环的一般过程。我们的研究为了解喀斯特地区土壤硫的循环演化及其环境效应提供了重要的基础科学依据。主要结论如下： 一、喀斯特坡地土壤硫含量分布特征 1.就表层土壤而言，黄色石灰土总硫含量最高，平均为574.7 μG G-1，其次为黑色石灰土，黄壤最低，有机硫含量和总硫含量的排序相同。在采样土壤的各个深度，有机硫都是总硫的主要部分，占总硫的72.1％～93.6％。在不同类型的剖面，总硫和有机硫含量的深度变化较为相似，基本上随剖面加深而降低，这主要是有机硫矿化的结果，但在某些剖面总硫和有机硫含量随剖面加深有所增加，这主要与剖面内部SO42-异化还原生成碳键硫有关，其次也有小分子有机硫迁移的影响。 2.总体来看，SO42-是土壤主要的无机硫形态。表层土壤SO42-S占总硫的百分比小于12％，剖面中部SO42-S降低与SRB数量增加有关，而剖面深层SO42--S对总硫的贡献增大则与SO42-的深层迁移有关。SO42-S在不同类型剖面中的深度分布明显不同。黄壤SO42-S最高，与其具有较高的吸附SO42-的能力有关，且大部分SO42-积累在剖面底层，这是黄壤强烈淋溶的反映。黑色石灰土SO42-S最低，且大部分SO42-为水溶态，容易淋溶损失，随剖面加深逐渐降低。黄色石灰土基 本性状向黄壤发展，SO42-S也高于黑色石灰土，在剖面底层也有SO42-积累，但不如黄壤明显。土壤SO42-S分布主要与土壤类型、SRB分布以及上覆植被状况等因素有关。 3.SO-S、FES-S和FES2-S主要来自土壤中SRB异化还原SO42-的过程。总体来看，FES2-S是主要的还原无机硫形态，FES-S次之，SO-S最低。表层土壤总还原性无机硫占总硫的比例不高(<10％)，剖面中部有利于SO42-异化还原反应进行，比例有所增加，剖面底层比例降低与SO42-异化还原速率降低及无机硫厌氧氧化有关。FES-S和FES2-S在同类型剖面中深度分布较为相似，这与剖面各层厌氧条件、SO42-及活性金属离子分布有关。而SO-S在不同类型剖面中具有相似的深度分布，且变化不大，基本在3.0 μGG-1左右，其过程和机制值得深入研究。 二、喀斯特坡地土壤硫酸盐还原菌分布特征 1.喀斯特坡地土壤共检出4个SRB类群，即脱硫肠菌属、脱硫叶菌属、脱硫球菌属-脱硫线菌属-脱硫八叠菌属和脱硫弧菌属-脱硫微菌属。土壤剖面各层均有SRB检出，最低为0.9X105个G-1，最高为5.2X105个G-1，平均为2.6X105个G-1。总体来看，剖面表层和底层SRB分布较少，SRB主要分布在剖面中部。不同类型剖面SRB分布明显不同。黑色石灰土SRB数量最高，同时检出所有的4个类群，指示黑色石灰土是最适于SRB的生境，这可能与其较高的有机碳含量和溶解态SO42-有关。而黄壤因其偏酸性的环境和较低的有机碳含量使得检出的SRB类群和数量均为最低。此外，在一些黄色石灰土剖面底层SRB数量出现峰值，这可能与底层较高的SO42-和有机碳含量有关。SRB分布首先与土壤类型有关，其次与土壤有机碳含量、PH值和SO42-含量的分布有关。 2.脱硫肠菌属和脱硫弧菌属-脱硫微菌属在石灰土和黄壤中均有检出，特别是脱硫弧菌属-脱硫微菌属，具有最高的检出率(92.7％)，指示这2个SRB类群具有很好的环境适应能力，这可能与它们具有更丰富的系统进化途径有关。 三、 喀斯特坡地土壤硫同位素组成分布特征及硫循环示踪 1.普定表层土壤SO42-的834S值介于-3.65％。～-1.340％。，而环江表层土壤介于2.33％。～5.89％。，指示2个坡地SO42-来源的差异。普定SO42-与随机采集的石生苔藓的硫同位素组成较为接近，指示土壤SO42-可能主要来自大气沉降，而环江可能存在有机硫矿化和海洋硫两个来源。总体来看，SO42-的δ34S值随剖面加深而 增大，这是SRB对SO42-异化还原的反映。在一些剖面底层S4O2-的δ34S值有所降低，这可能与SO42-在剖面内的迁移有关。 2.普定和环江表层土壤FES2的δ34S值分别介于-7.98％。～-4.22％。和-2.08％。～-0.1 8％。这主要是由2个坡地SO42-的δ34S值差异引起的。在任何采样剖面，FES2的δ34S值总是低于同层SO42-的δ34S值，并且SO42-和FES2的δ34S值随剖面加深表现出平行增大的趋势，反映了FES2来源于SO42-异化还原这一基本事实。个别剖面接近底层深度FES2的δ34S值出现降低，这可能与FES2及SO42-在剖面内的迁移有关。 3.普定和环江表层土壤总硫δ34S值分别介于-3.55％。～-0.54％。和0.68％。-4.48％。，有机硫δ34S值分别介于-1.63％。～1.18％。和2.42％。～6.12％。这主要与两个采样点土壤SO42-来源的δ34S组成的差异有关，其次与有机硫的矿化程度有关。 4.总硫和有机硫δ34S值随剖面加深而平行地增大可用土壤有机硫的循环加以解释。普定表层土壤有机硫的δ34S值高于SO42-的δ34S值，这可能是有机硫矿化的结果。环江表层土壤有机硫的δ34S值与SO42-的δ34S值较为接近，说明有机硫可能主要来自SO42-的生物同化吸收，并且形成的有机硫经历的矿化程度不高，还没有引起明显的硫同位素分馏。 5.总体来看，有机硫δ34S值随剖面加深有增大的趋势，这是有机硫不断矿化的反映。值得注意的是表层土壤小分子有机硫组分可淋溶至剖面底层，使得底层有机硫δ34S值降低，这是剖面中有机硫迁移的同位素证据。同时，有些剖面中部有机硫δ34S值的降低与SRB对SO42-的异化还原生成贫34S的碳键硫有关。 6.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，可以很好的记录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、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。 关键词：喀斯特坡地；石灰土；黄壤；硫形态；硫酸盐还原菌(SRB)；硫同位素；硫循环

分 类 号： [S15 S51]

领　　域： [农业科学] [农业科学] [农业科学]