酸沉降下喀斯特小流域土壤硫滞留及输出的硫和氧同位素示踪研究

土壤硫的生物地球化学过程及其环境效应仍是当前环境科学研究领域的重要方向之一。我国西南地区有较长的酸沉降历史。酸沉降输入并积累的硫不仅参与土壤质量演化，而且还可能参与流域水体的化学演化，并最终加速土壤退化和流域侵蚀进程。目前对大气沉降硫在喀斯特土壤中的滞留、输出及其对地表水化学组成的影响等环境过程及机理还缺乏研究。本项目拟选择典型喀斯特小流域土壤为研究对象，对土壤中的硫进行化学和同位素组成分析，查明酸沉降对土壤含硫物质迁移转化的影响，结合植被、基岩、大气降水、穿冠水、土壤水、地表及地下水硫含量、硫和氧同位素组成及水化学的分析，研究酸沉降下喀斯特流域土壤硫滞留及输出的过程、特征、相关通量及影响因素，并评估土壤输出硫对河流水化学和硫酸盐的影响，探讨土壤硫滞留及输出对流域土壤退化、养分流失及硫酸参与碳酸盐岩风化的影响，为揭示西南喀斯特流域环境质量变化原理和修复石漠化生境提供基础科学依据。

本项目选择贵州普定典型小流域石灰土和黄壤为研究对象，测定了土壤基本理化参数、土壤硫形态（总硫、总还原态硫、硫酸盐和有机硫）及其δ34S值。另外，逐月监测了采样点大气降水的pH值及阴阳离子数据，计算了采样点的硫沉降通量。研究表明，大气硫沉降是土壤硫的主要来源。石灰土和黄壤总硫和硫酸盐含量明显高于非酸沉降区土壤总硫和硫酸盐的含量。石灰土和黄壤在基本理化性质方面（如pH值、C/S比、含水量、粘土比例、有机碳氮含量）存在明显差异，这导致石灰土和黄壤硫形态、硫滞留和输出的机制均不同。石灰土有机硫含量明显高于黄壤，而黄壤总还原态硫和SO42−含量则高于石灰土。酸沉降输入的硫主要以有机硫滞留在石灰土中，SO42−吸附基本可以忽略。而有机硫和吸附态SO42−则是黄壤硫滞留的主要机制。另外考虑到酸沉降条件下土壤溶液中SO42-含量的增高可能会刺激SO42-的异化还原过程，参与这一过程的主要是厌氧的硫酸盐还原菌（Sulfate-reducing bacteria, SRB），这会导致SO42-被还原形成各种还原态的硫化物。通过比对SO42-和总还原态硫含量和δ34S值的垂直剖面，以及对剖面可能存在的厌氧条件的分析，我们认为SO42-异化还原过程存在于石灰土和黄壤，并且应该是酸沉降输入SO42-的一个不可忽视的汇。对采样地区石灰土和黄壤SRB数量和类群的分析进一步佐证了SO42-异化还原过程是酸沉降输入SO42-的一个重要的汇。.石灰土剖面中生物滞留后剩余的SO42-主要通过淋溶输出，黄壤剖面中剩余的大部分SO42-则被吸附在剖面深层。由于丰富的钙和镁元素含量，长期的酸沉降并没有引起石灰土明显酸化。而黄壤中酸沉降SO42-的输入、积累和随后的淋溶已导致土壤酸化，这会加速黄壤中阳离子的流失。喀斯特流域土层薄且疏松，积存在土壤中的SO42-可持续向地表和地下水输出，由于石灰土和黄壤不同的硫滞留和输出过程，其所导致的环境效应亦不相同。石灰土有机硫含量高于黄壤，预期在大气酸沉降通量大幅降低之后，石灰土输出的SO42-将主要来自先前积累的有机硫的矿化。而黄壤输出的SO42-将可能主要来自先前吸附SO42-的解吸。综合来看，在酸沉降条件下，石灰土和黄壤中SO42-的积累以及生物滞留后的淋溶输出使得土壤阳离子流失加剧，这可能是西南喀斯特流域地表水SO42-含量偏高以及流域土壤质量退化的因素之一。