岩溶生态系统中土壤及典型植物碳酸酐酶对岩溶作用的影响
广泛分布在各种类型生物细胞中的碳酸酐酶(CA),能快速的催化CO2和HCO3-之间的相互转化,而CO2气是岩溶作用发生的重要驱动力。本文选择我国西南典型岩溶地区作为研究区,以岩溶生态系统土壤中生物作用产生的碳酸酐酶作为主要研究对象,探讨土壤、植物叶片、根系中的CA活性与岩溶过程的相互关系,为揭示CA所具有的高催化活性与岩溶作用之间的相互关系提供一定的科学依据。主要研究结果如下：(1)岩溶生态系统中不同植被类型的植物体内碳酸酐酶活性差异较大,不同生长期的植物叶片其碳酸酐酶活性也不同,经分析不同季节中岩溶生态系统的典型植物的成熟叶片、根系中的CA活性差异也很大,但总体上表现为：植株根系的CA活性>；成熟叶片中的CA活性>；枯叶中的CA活性；岩溶生态系统中植物根系具有较高的CA活性表明：在植株水分充足的时候,根系的CA能正向催化H2O和CO2反应生成HCO3-和H+,不仅能加速石灰岩的溶解,加快成土速率,释放一部分的营养成分供给植株生长代谢等生理活动利用；还能促进土壤中CO2的排除,这部分CO2主要包括叶片光合作用的产物通过根系呼吸作用释放的和土壤微生物分解有机质呼吸释放的CO2。这可能是植株长期适应岩溶生境的结果。非岩溶生态系统的土壤层较厚,土壤养分状况较好,使该生态系统中的植物不需要表达太高的CA活性就可以满足植物生长生活,所以在非岩溶生态系统中检测到植物根系CA活性比较低。(2)土壤中普遍存在着CA,并且变异性也很大,主要表现在不同季节和不同土壤深度之间的差异性。在不同的土壤深度CA活性不同,在不同的季节土壤CA活性也不同。不同的季节不同深度土壤中岩溶生态系统中的CA的分布都有差异性,原因可能是土壤微生物的分布不同或与其上覆植被类型及其根系CA活性差异有关。CA主要催化CO2和HCO3-之间的可逆转换：CO2+H2O→HCO3-+H+。当土壤中CO2浓度和H2O含量都满足反应的条件时,CA就能正向催化两者快速反应生成HCO3-和H+,进而加速土下灰岩的溶蚀量和系统碳的排除,最后的贡献表现为对土壤灰岩系统中碳循环的加速与碳源、汇效应的放大。由岩溶生态系统中土壤碳酸酐酶活性能增强岩溶作用可以得出,遏制水土流失和保持土壤总量,维持土壤生态平衡对岩溶作用具有重要的意义。(3)通过对比四个岩溶生态系统中夏季和秋季土壤中碳酸盐岩溶蚀量与土壤CA活性的变化趋势,基本相一致,都表现为随着土壤CA活性的升高土壤溶蚀量升高,说明土壤CA活性能在一定程度上影响土壤溶蚀作用,CA通过正向催化H2O和CO2反应生成HCO3-和H+,加快土壤中CO2的排除,进而促进碳酸盐岩的溶解。这一结果在野外试验中证实了CA能显著催化碳酸盐岩的溶解。(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-之间的可逆转换：CO2+H2O→HCO3-+H+。因此,降雨的过程可能使该反应的反应物H2O和CO2得到充分的聚集,并促使CA快速催化该反应,加速碳酸盐岩的溶解。土壤、植被根系中的CA在降雨的过程中催化H2O和CO2反应生成HCO3-就给土壤溶液HCO3-增加了一项新的来源。生成的HCO3-还会以地表径流或地下径流的形式汇集入淡水湖泊中,从而增加了淡水湖泊中的HCO3-的含量。汇集在淡水湖泊中的HCO3-是藻类的光合作用过程中重要的无机碳来源之一,藻类的光合作用又可以将淡水湖泊中的碳酸氢盐转变成有机碳的形式固定在自身的藻细胞内。以上结论给生物作用在大气CO2沉降和全球碳循环里的所谓丢失的汇中的重要性的重新评价提供一定的理论依据。这一发现阐明,土壤微生物及植被根系等相关生物源对碳酸盐岩的溶解具有重要驱动作用。同时表明,生物作用产生的胞外碳酸酐酶对碳酸岩盐的风化在碳循环中的重要性需要重新评价。
岩溶生态系统;土壤;植物;碳酸酐酶;岩溶作用
广西师范大学
硕士
野生动植物保护与利用
曹建华
2010
中文
S154.1
2014-05-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）