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石块含量对土壤水文过程及碳氮损失的影响研究。通过设置不同石块含量（0-0.40 m3/m3）的土壤柱实验，探究土壤持水能力、水力传导性及碳氮淋溶规律。结果表明：石块含量增加显著降低土壤持水能力（SWC 0.246→0.169 m3/m3），提高水力传导性，导致淋溶体积增大（第一场暴雨265→1565 mL）。有机碳、铵态氮和溶解总氮淋溶浓度随石块含量增加而下降，但淋溶量呈现先增后减趋势（峰值0.20 m3/m3）。硝态氮淋溶浓度无显著变化但总量增加。土壤水分动态变化与孔隙连通性改善有关，而碳氮损失受底物限制和水文过程协同调控。石质土壤生态效应研究新证据。
王永武|赖晓明|叶志成|朱青|徐颖
中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与流域水安全科学重点实验室，南京 211135，中国
摘要
岩石碎片（RFs，直径大于2毫米的矿物颗粒）对土壤水文过程以及碳（C）和氮（N）循环的影响已得到广泛认可。然而，土壤中碳和氮的损失对岩石碎片含量（RFC）通过水文过程的响应仍不清楚。为了解决这个问题，使用两种土壤层（A层：0–15厘米，B层：15–30厘米）进行了土壤柱实验，设置了六个不同的RFC水平（0–0.40立方米/立方米），并在两种不同强度的模拟降雨条件下进行实验（强降雨：40毫米，中等降雨：20毫米，轻降雨：5毫米）。结果表明，A层含有更高的总有机碳（TOC）、硝酸盐氮（NO??-N）、铵态氮（NH??-N）和溶解总氮（DTN）浓度，以及更大比例的细小岩石碎片（2–5毫米）。RFC的增加降低了土壤水分保持能力，同时提高了水力传导性，导致平均土壤含水量（SWC）降低（从0.246立方米/立方米降至0.169立方米/立方米），并且湿润和干燥速率加快。因此，随着RFC的增加，淋溶液体积也增加（第一次强降雨时为265毫升至1565毫升，第二次强降雨时为151毫升至637毫升）。对于养分损失，较高的RFC减弱了冲刷作用，但增强了稀释作用。因此，TOC、NH??-N和DTN的淋溶浓度下降，而淋溶量先增加后减少，在RFC = 0.20立方米/立方米时达到峰值。相比之下，NO??-N的淋溶浓度与RFC没有显著趋势，而淋溶量则增加。随着RFC的增加，基质储存减少导致CO?和N?O通量下降。然而，孔隙连通性的提高促进了气体排放，部分抵消了较低RFC水平下基质限制的影响。这些发现为了解多石土壤中碳和氮损失的调节机制提供了新的见解。
引言
岩石碎片（RFs）是土壤中粒径大于2毫米的矿物部分，在全球范围内广泛分布，尤其是在森林和山区（Lai等人，2018年；Zhang等人，2016年）。例如，在中国，大约18%的国土面积由多石土壤组成的山区构成，这些土壤的岩石碎片含量（RFC）通常大于体积的30%（Ma和Shao，2008年）。此外，岩石碎片已被广泛认为是影响土壤水文过程（SHPs）的关键因素，而土壤水文过程又调节着土壤中的碳（C）和氮（N）损失（Huang等人，2023年；Liao等人，2019年；Naseri等人，2019年）。土壤水文过程与土壤中的碳和氮损失在地球关键区和地表系统的能量和物质循环中起着重要作用，从而共同决定了多种生态功能和环境效应，如水资源保护、温室气体排放和富营养化（Li等人，2018年；Zhu等人，2018年）。因此，揭示岩石碎片的影响对于全面理解土壤水文过程、土壤中的碳和氮损失及其相关的生态功能和环境后果至关重要。
大量证据表明岩石碎片对土壤水文过程有影响，进而影响土壤中的碳和氮损失。一方面，岩石碎片通过改变土壤物理特性（如孔隙度和孔隙复杂性）对土壤水文过程的影响已有广泛记录（Ilek等人，2019年；Sekucia等人，2020年）。这些影响是复杂的，并且随着岩石碎片在土壤剖面中的位置不同而变化（Birch，1958年；Hlavacikova等人，2016年；Wang等人，2023年）。位于土壤表面的岩石碎片倾向于增强水分渗透，减少蒸发，并延迟径流形成（Poesen和Lavee，1994年；Wang等人，2021年）。在一些半干旱和干旱地区，用不同厚度的岩石碎片完全覆盖土壤表面已被广泛应用于农田，以保持土壤水分和热量并提高作物产量（Qiu等人，2020年）。相反，土壤层中的岩石碎片会增加孔隙复杂性，减少水流动的有效截面积，从而降低水力传导性并提高水分储存能力（Hlavacikova等人，2016年；Sauer和Logsdon，2002年）。同时，岩石碎片也可能改善孔隙连通性，从而促进水力传导性（Cousin等人，2003年；Lai等人，2022年）。另一方面，土壤水文过程是土壤中碳和氮循环及其相关损失的关键调节因素。作为生物代谢的先决条件，土壤水分直接控制着生物介导的碳和氮过程（Castellano等人，2011年）。土壤含水量（SWC）还通过调节养分可用性和气体扩散性间接影响土壤中的碳和氮过程（Lai等人，2022年；Rohe等人，2021年）。此外，地下流动和地表径流驱动着碳和氮化合物的物理传输（Zhu等人，2018年）。因此，通过改变土壤水文过程，岩石碎片可以显著影响土壤中的碳和氮损失。
近年来，人们越来越关注岩石碎片对土壤中碳和氮损失的影响，已经有一些初步的研究结果。例如，Lai等人（2021年）发现，土壤中的CO?和N?O排放以及氮淋溶通量对增加的RFC表现出抛物线响应（最初增加随后减少）。Niu等人（2024年）报告称，SWC和养分浓度随着RFC的增加而下降。基于定量野外调查，其他研究还表明，岩石碎片可以通过改变细土（直径小于2毫米的颗粒）中的碳和氮浓度以及通过岩石碎片的风化释放生物可利用的碳和氮来改变土壤中的碳和氮储存（Zhang等人，2024年）。然而，仍需要更详细和全面地了解土壤水文过程以及土壤中的碳和氮损失如何响应RFC。
以往的研究通常依赖于野外监测和模型模拟。尽管野外实验提供的结果更接近实际情况，但它们耗时且劳动强度大，且数据连续性往往有限。此外，在野外实验中独立操纵RFC和其他控制因素具有挑战性，这阻碍了对土壤中碳和氮损失对RFC响应的全面解释（Coppola等人，2013年；Lai等人，2022年）。相比之下，模型模拟允许通过建立多种情景灵活调整驱动参数，因此可以作为野外调查的宝贵补充（Butterbach-Bahl等人，2013年；Lai等人，2021年）。然而，模型结构和表示生物地球化学过程的复杂性差异可能导致碳和氮损失对RFC的响应不同（Lai等人，2021年）。考虑到这些限制，实验室土壤柱实验可以作为一种替代方法，由于其灵活的实验设计和便捷的监测方式，能够更详细和全面地了解土壤水文过程以及土壤中的碳和氮损失对RFC的响应。
天目湖流域位于太湖盆地的西部（图1a），是太湖上游典型的水库型水源区。该流域以广阔的丘陵和山地地形为特征，坡度陡峭。土壤较浅（大约0.5–0.8米厚），且土壤层中的岩石碎片含量较高（平均超过17%），这有利于养分从山坡输送到河流和水库（Fu等人，2024年；Zhang等人，2020年）。此外，亚热带季风气候带来的丰富年降水量（大约1166毫米）增加了通过淋溶途径损失养分的潜在风险（Fu等人，2024年）。此外，作为该地区最重要的经济作物，茶园近年来大幅扩展（至少7%的森林被转化为茶园），同时化肥使用量逐年增加（Zhang等人，2020年）。这种集约化的农业活动加剧了非点源养分损失和温室气体排放，成为生态系统碳封存损失和区域富营养化的关键驱动因素（Pueppke等人，2019年）。因此，天目湖流域是研究土壤水文过程以及土壤中的碳和氮损失对岩石碎片响应的典型代表。
在这项研究中，使用从天目湖流域采集的土壤样本进行了土壤柱实验，以研究在不同模拟降雨条件下土壤水文过程以及碳和氮损失对不同RFC的响应。本研究考虑的土壤碳和氮损失过程包括总有机碳（TOC）、硝酸盐氮（NO??-N）、铵态氮（NH??-N）和溶解总氮（DTN）的淋溶损失，以及两种主要温室气体（CO?和N?O）的排放。应用了三种降雨量水平（强降雨、中等降雨和轻降雨）来探讨降雨驱动的土壤水文过程及其对RFC的相应响应。本研究的具体目标是：（i）研究不同RFC下土壤水文过程以及碳和氮损失的差异；（ii）揭示土壤水文过程以及碳和氮损失对RFC的响应及其背后的机制。
节选内容
土壤样本采集与分析
土壤样本采集自位于中国太湖盆地西部边缘的天目湖流域的一个茶园山坡（31°16′22″N, 119°25′19″E）（图1）。该山坡的土壤剖面深度约为0.5–0.8米，根据FAO土壤分类系统被归类为浅层 Lithosols。根据USDA分类，土壤质地被确定为粉壤。这些土壤具有相对较高的渗透性。
土壤物理化学性质和水分保持参数
表1总结了A层和B层土壤样本的物理化学性质。两层土壤的容重、粘土、粉砂和沙子含量以及ρr和θsr值相似。相比之下，A层中的TOC、NO??-N、NH??-N和DTN浓度较高。A层的平均TOC、NO??-N、NH??-N和DTN浓度分别为0.02克/克、16.61毫克/千克、10.98毫克/千克和70.34毫克/千克，而B层的相应值分别为0.01克/克。土壤水文过程对RFC的响应
本研究中的土壤柱实验显示，较高RFC的土壤加速了SWC动态，但降低了θs和SWC（图3，图4a-c），表明水力传导性增强，土壤水分保持能力降低。这主要是由于土壤中岩石碎片的存在，它们形成了大孔隙并改善了孔隙连通性，从而促进了水分传输并降低了水分保持能力（Ma和Shao，2008年；Sekucia等人，2020年；Shi等人，2012年）。此外，岩石碎片占据了原本可以储存水分的空间。
结论
本研究探讨了土壤水文过程驱动的土壤碳和氮损失对RFC的响应。RFC的增加降低了土壤水分保持能力并提高了水力传导性，导致淋溶液生成增加，SWC动态加快，整体SWC降低。此外，TOC、NH??-N和DTN的淋溶浓度通常随着RFC的增加而降低，而它们的淋溶量先增加后减少。相比之下，NO??-N的淋溶浓度基本不受影响。
作者贡献声明
王永武：撰写——初稿、可视化、软件使用、调查、数据分析、概念化。赖晓明：撰写——审稿与编辑、资源获取、项目管理、方法论、资金争取。叶志成：调查、数据分析。朱青：撰写——审稿与编辑、资源获取、项目管理、方法论、资金争取、概念化。徐颖：调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42125103和42271061）、江苏省基础研究计划（BK20230109）以及NIGLAS科学技术规划项目（2022NIGLASTJ15）的财政支持。
