喀斯特坡地不同土地利用下水文驱动的土壤氮素流失过程及机制研究

Nitrogen is a major limiting element of terrestrial ecosystems and pollutants in water bodies. Nitrogen loss driven by hydrological processes is the main route for loss of soil nitrogen. The dual structure of karst develops, and the nitrogen loss accelerates under human disturbance stress. However, due to the complexity of the soil-epikarst in karst, the current understanding of key issues such as the main pathways, flux levels, and mechanisms of nitrogen loss driven by hydrology in karst regions is not yet clear. Based on the three-dimensional process platform monitoring for soil and water of the karst hillslope, this project uses in-situ simulated rainfall and 15N-18O stable isotope techniques to continuously monitor the process of soil nitrogen loss at surface and underground. The objectives of this project include: (1) to define the characteristics of soil nitrogen losses driven by hydrology on karst hillslope, (2) to reveal the effects of soil and rock structure within the soil-epikarst, rainfall, and soil properties on soil nitrogen loss under different land uses, (3) to explore the main source of nitrogen loss under different land uses on karst hillslope. The results will help to fully understand the mechanism of nitrogen loss driven by hydrology and provide scientific basis for further regulating nitrogen loss and sustainable land use in the karst region of southwest China.

氮是陆地生态系统主要的限制性元素和水体污染物质，水文过程驱动下氮素流失是土壤氮素损失的主要途径。喀斯特二元结构发育，人类干扰胁迫下喀斯特氮素加速流失。然而，由于土壤-表层岩溶带的复杂性，导致目前对喀斯特地区水文驱动下氮素流失的主要途径、通量水平及机制等关键问题认识尚不清晰。本项目针对上述科学问题，依托喀斯特坡地植被-土壤-表层岩溶带三维水土过程监测平台，采用原位模拟降雨及15N-18O稳定同位素等技术，通过连续监测地表地下氮流失过程，明确喀斯特水文驱动下土壤氮素流失特征；揭示不同土地利用下土壤-表层岩溶带内部土石结构、降雨因素及土壤理化性质对土壤氮素流失的影响规律；探明喀斯特坡地不同土地利用下氮素流失的主要来源。项目成果将有助于全面深入理解喀斯特水文驱动下氮素流失机制，为进一步调控氮素流失和土地可持续利用提供科学依据。

喀斯特地区二元结构发育和人类干扰胁迫加速喀斯特地区水文驱动下的氮素流失。然而，由于土壤-表层岩溶带的复杂性，导致其关键问题认识尚不清晰。本项目针对上述科学问题，依托喀斯特坡地植被-土壤-表层岩溶带三维水土过程监测平台，通过连续两年监测自然降雨下地表地下氮流失过程，明确氮素在不同水文路径中的流失特征；结合结构因子及土壤理化性质等，揭示影响氮素流失的主要因素；利用稳定同位素技术（15N18O），探讨土地利用方式及水文路径对氮素流失来源的作用规律及量化氮素来源的贡献大小。研究结果表明：.1. 各利用方式下NO3¯-N在地表径流、壤中流及岩溶侧渗中占最高比例，表明NO3¯-N是各水文路径中主要的氮素形态。各利用方式在岩溶侧渗中的氮素浓度最低，但其氮素流失量却高于地表径流和壤中流，这是由于岩溶侧渗产流量大。种植玉米的氮素流失浓度及流失总量显著高于其他利用方式。.2. 通过冗余分析及方差分解发现，降雨是影响氮素在地表径流中流失的主要因素；降雨、利用方式和土壤厚度变异系数是影响氮素在壤中流中流失的主要因素；降雨、土地利用方式、土壤前期含水量、土壤氮素及风化层厚度是影响氮素在岩溶侧渗中流失的主要因素。这表明氮素在表层的水文路径主要受外界因素降雨影响，在土层深层的水文路径受土壤理化性质影响作用增加。.3. 根据15N18O特征值分离程度表明，核桃及玉米的三种水文路径氮素流失来源相近；牧草的三种水文路径氮素来源存在差异；灌木的地表径流和壤中流氮素来源存在差异。SIAR模型定量分析可知，降雨对地表径流、壤中流和岩溶侧渗中氮素来源的贡献率最大，其次是土壤和岩石，而肥料对水文路径中氮素来源贡献率最小。牧草和玉米的施肥对岩溶侧渗氮素来源贡献量比其他利用方式增加，暗示耕作处理施加的肥料有较高污染地下水的风险。.以上通过本项目试验积累的数据及得出的结论，可为指导喀斯特地区调控氮素流失、防治地下水污染及土地可持续利用中实施具体决策提供科学依据。.