巖溶生態(tài)系統(tǒng)中土壤及典型植物碳酸酐酶對巖溶作用的影響.pdf

1、廣泛分布在各種類型生物細(xì)胞中的碳酸酐酶(CA),能快速的催化CO2和HCO3-之間的相互轉(zhuǎn)化,而CO2氣是巖溶作用發(fā)生的重要驅(qū)動力。本文選擇我國西南典型巖溶地區(qū)作為研究區(qū),以巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤中生物作用產(chǎn)生的碳酸酐酶作為主要研究對象,探討土壤、植物葉片、根系中的CA活性與巖溶過程的相互關(guān)系,為揭示CA所具有的高催化活性與巖溶作用之間的相互關(guān)系提供一定的科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)果如下：(1)巖溶生態(tài)系統(tǒng)中不同植被類型的植物體內(nèi)碳酸酐酶活性差異較

2、大,不同生長期的植物葉片其碳酸酐酶活性也不同,經(jīng)分析不同季節(jié)中巖溶生態(tài)系統(tǒng)的典型植物的成熟葉片、根系中的CA活性差異也很大,但總體上表現(xiàn)為：植株根系的CA活性>；成熟葉片中的CA活性>；枯葉中的CA活性；巖溶生態(tài)系統(tǒng)中植物根系具有較高的CA活性表明：在植株水分充足的時候,根系的CA能正向催化H2O和CO2反應(yīng)生成HCO3-和H+,不僅能加速石灰?guī)r的溶解,加快成土速率,釋放一部分的營養(yǎng)成分供給植株生長代謝等生理活動利用；還能促進(jìn)土

3、壤中CO2的排除,這部分CO2主要包括葉片光合作用的產(chǎn)物通過根系呼吸作用釋放的和土壤微生物分解有機(jī)質(zhì)呼吸釋放的CO2。這可能是植株長期適應(yīng)巖溶生境的結(jié)果。非巖溶生態(tài)系統(tǒng)的土壤層較厚,土壤養(yǎng)分狀況較好,使該生態(tài)系統(tǒng)中的植物不需要表達(dá)太高的CA活性就可以滿足植物生長生活,所以在非巖溶生態(tài)系統(tǒng)中檢測到植物根系CA活性比較低。(2)土壤中普遍存在著CA,并且變異性也很大,主要表現(xiàn)在不同季節(jié)和不同土壤深度之間的差異性。在不同的土壤深度CA活性不同

4、,在不同的季節(jié)土壤CA活性也不同。不同的季節(jié)不同深度土壤中巖溶生態(tài)系統(tǒng)中的CA的分布都有差異性,原因可能是土壤微生物的分布不同或與其上覆植被類型及其根系CA活性差異有關(guān)。CA主要催化CO2和HCO3-之間的可逆轉(zhuǎn)換：CO2+H2O→HCO3-+H+。當(dāng)土壤中CO2濃度和H2O含量都滿足反應(yīng)的條件時,CA就能正向催化兩者快速反應(yīng)生成HCO3-和H+,進(jìn)而加速土下灰?guī)r的溶蝕量和系統(tǒng)碳的排除,最后的貢獻(xiàn)表現(xiàn)為對土壤灰?guī)r系統(tǒng)中碳循環(huán)的加速與碳源

5、、匯效應(yīng)的放大。由巖溶生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳酸酐酶活性能增強(qiáng)巖溶作用可以得出,遏制水土流失和保持土壤總量,維持土壤生態(tài)平衡對巖溶作用具有重要的意義。(3)通過對比四個巖溶生態(tài)系統(tǒng)中夏季和秋季土壤中碳酸鹽巖溶蝕量與土壤CA活性的變化趨勢,基本相一致,都表現(xiàn)為隨著土壤CA活性的升高土壤溶蝕量升高,說明土壤CA活性能在一定程度上影響土壤溶蝕作用,CA通過正向催化H2O和CO2反應(yīng)生成HCO3-和H+,加快土壤中CO2的排除,進(jìn)而促進(jìn)碳酸鹽巖的溶解。

6、這一結(jié)果在野外試驗(yàn)中證實(shí)了CA能顯著催化碳酸鹽巖的溶解。(4)土壤、植物根系中都具有一定程度的CA,CA主要催化CO2和HCO3-之間的可逆轉(zhuǎn)換：CO2+H2O→HCO3-+H+。因此,降雨的過程可能使該反應(yīng)的反應(yīng)物H2O和CO2得到充分的聚集,并促使CA快速催化該反應(yīng),加速碳酸鹽巖的溶解。土壤、植被根系中的CA在降雨的過程中催化H2O和CO2反應(yīng)生成HCO3-就給土壤溶液HCO3-增加了一項(xiàng)新的來源。生成的HCO3-還會以地表徑流或地

7、下徑流的形式匯集入淡水湖泊中,從而增加了淡水湖泊中的HCO3-的含量。匯集在淡水湖泊中的HCO3-是藻類的光合作用過程中重要的無機(jī)碳來源之一,藻類的光合作用又可以將淡水湖泊中的碳酸氫鹽轉(zhuǎn)變成有機(jī)碳的形式固定在自身的藻細(xì)胞內(nèi)。以上結(jié)論給生物作用在大氣CO2沉降和全球碳循環(huán)里的所謂丟失的匯中的重要性的重新評價提供一定的理論依據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)闡明,土壤微生物及植被根系等相關(guān)生物源對碳酸鹽巖的溶解具有重要驅(qū)動作用。同時表明,生物作用產(chǎn)生的胞外碳酸酐