《Ecohydrology & Hydrobiology》：Influence of soil on the biogeochemistry of high mountain streams
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高山西山集水区土壤覆盖对溶质迁移的影响研究。通过对比裸岩与覆土子集水区，发现土壤显著增加氯和风化溶质浓度，降低氮硫流失，其离子交换和微生物分解过程起关键作用。研究揭示了土壤对水化学调控机制，为高山生态系统管理提供依据。
作者：Daniel Montagud, Lluís Camarero
研究机构：Blanes高级研究中心-西班牙国家研究委员会（CEAB-CSIC），地址：C. Accés Cala Sant Francesc 14, 17300 Blanes, Spain
摘要
本研究深入探讨了比利牛斯山脉中鲜有人研究的高山流域的水文和生物地球化学动态。研究目的是评估地下层对地表径流的化学影响，重点关注土壤覆盖的作用。研究人员在两个高山流域安装了自动采样装置：一个流域土壤覆盖丰富，另一个流域几乎无土壤覆盖。研究结果表明，土壤的存在对以下方面产生了影响：(1) 增加了氯化物和风化产物的浓度；(2) 减少了氮和硫向径流的迁移；(3) 土壤的离子交换能力及降水驱动的淋溶作用提高了地表径流中的氯化物浓度；(4) 异养微生物的呼吸作用增加了土壤中的二氧化碳水平，从而提高了溶液的酸度并促进了风化过程。这些发现有助于更好地理解和预测高山地区的生物地球化学过程及溶质传输规律。
引言
土壤是水文系统的关键组成部分，它充当陆地和水生环境之间的动态界面（Kirchner, 2003; Williams et al., 2015; Montagud et al., 2021; Montagud and Camarero, 2023）。土壤与其他水文要素（尤其是河流）之间的相互作用调节了溶质的迁移和转化。通过饱和和淋溶等过程，土壤决定了进入河流的溶解物质的数量和质量，进而影响生态系统的生物地球化学平衡以及河流生态群落的结构和功能（MacLean et al., 1999）。土壤中的微生物群落驱动着生物地球化学循环，调控着氮、磷、硫和碳等必需营养素的保持和可用性（Chen et al., 2013）。此外，土壤与水的连通性还影响其他生态相关物质的传输和动态，包括污染物和肥料。
了解土壤调节这些物质迁移的机制对于建立可靠的生物地球化学模型和实施有效的流域管理策略至关重要。这一点在高山地区尤为重要，因为这些地区通常未受干扰，对外部压力非常敏感，且一旦受到破坏恢复缓慢。在这些地区，污染物的增加或养分循环的变化可能导致本地动植物的丧失，取而代之的是更能适应干扰的物种（Fang et al., 2011）。例如，氮和硫的迁移以及有机物的分解会导致河水酸化。尽管近几十年来大气中的氮和硫排放量有所下降，但许多山区河流仍存在酸化现象。
因此，高山流域是研究在最小干扰条件下土壤如何调节溶质迁移的理想自然实验室（Catalan et al., 2017）。然而，虽然关于温带或热带气候下较大流域中土壤过程对河水化学影响的研究较为丰富（例如Oliva et al., 2003; Zhengliang Yu et al., 2021），但在寒冷气候下的小型高山流域（尤其是比利牛斯山脉）的相关研究仍然有限（Avila et al., 2020）。这些生态系统特别容易受到气候变化的影响，例如温度升高导致的暴露土层风化速率的变化（Qafoku, 2015）。
本研究的主要目的是评估土壤覆盖对比利牛斯山脉高山流域河水化学成分的影响。具体来说，我们研究了不同土壤层次对各种有机和无机溶质浓度的影响，重点关注氮和硫的迁移过程。为此，我们比较了两个具有显著差异的子流域：一个土壤覆盖丰富，另一个土壤覆盖极少。研究内容包括四个方面：(1) 分析每个子流域中河水及降水中的溶质浓度变化；(2) 根据降水数据重建地表径流的化学组成；(3) 估算年风化速率；(4) 计算年氮和硫的输出通量。通过明确强调土壤在养分和溶质传输中的作用，本研究旨在填补阿尔卑斯地区土壤-河流相互作用研究中的空白。同时，通过对比不同山区的风化速率和养分输出情况，我们将研究结果置于全球背景下进行讨论，为了解变化环境条件下敏感高山生态系统的生物地球化学功能提供了新的见解（Antolino, 2019; Bates et al., 2011; Somers and McKenzie, 2020）。
研究地点与方法
本研究在比利牛斯山脉中部的Contraix流域进行，该流域靠近法国边境，位于Aigüestortes国家公园内（图1a,b）。选取了两个面积相似的子流域进行对比分析：一个区域主要为裸露的岩石地带，几乎没有土壤覆盖（A1）；另一个区域土壤覆盖较为丰富（A2）（图1c）。
子流域A1面积为10.7公顷，海拔2425米，以花岗岩基岩为主，植被稀疏（主要为羊茅属植物）。
溶质浓度
实验室测得的每个子流域及降水中的溶质浓度如图3所示。根据先前的方法（公式1），计算了每种溶质的加权平均值，得到了每个子流域及降水的代表性平均浓度。各溶质浓度差异（公式2）汇总在表2中。
负的浓度差异表明溶质在土壤中被消耗掉了。
溶解有机碳（DOC）和氯离子（Cl-）
研究结果清楚地显示，两个子流域及降水之间的溶质动态存在显著差异，这种差异主要受土壤覆盖情况的影响。
相对而言，降水中的溶解有机碳（DOC）浓度高于无土壤覆盖的子流域（A1）。这一现象与先前的研究结果一致，即降水中的DOC通常较易分解，主要由低分子量化合物组成。
结论
本研究揭示了土壤在调节高山流域溶质迁移、风化强度和养分保持方面的核心作用：
大气溶质与土壤的相互作用：主要来自大气的氯化物在土壤覆盖的子流域中的浓度高于植被稀疏的子流域，并超过了直接从降水测得的浓度。这一现象突显了土壤的离子交换能力。
作者贡献声明
Daniel Montagud：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法设计、数据整理及概念构建。
Lluís Camarero：负责数据验证、项目监督、资源调配、方法设计、研究实施、资金申请、数据分析及概念构建。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了TRANSFER（CGL2016-80124-C2-2-P）和ALKALDIA（PID2019-111137GB-C22）项目的支持，这些项目由MCIN/AEI（资助编号10.13039/501100011033）和ERDF-“欧洲一体化计划”共同资助。D. M.还获得了由MCIN/AEI和ESF-“投资未来”项目提供的博士前研究资助（BES-2017-082740）。作者声明在本文的发表过程中不存在任何利益冲突。
