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汉江上游的金水河流域是我国南水北调工程的重要水源地之一。在全球气候变暖的背景下，人类活动也日益增强，加剧了本地区流域生态系统的脆弱性，从一定程度上对南水北调中线工程的水资源安全构成了威胁。
本研究以位于陕西省佛坪县境内金水河流域亚热带典型森林-农业生态系统临界带的土壤-植被系统为研究对象，通过野外调查与取样、实验室样品检测和空间模拟分析等方法，探讨了土壤化学元素的空间分异特征、驱动因子，及其在生物地球化学循环过程中的交互过程，揭示了流域内土壤无机物风化与有机物分解代谢过程中土壤化学元素的生物地球化学的演化特征。通过以上的研究，取得了以下的研究结论。
一、对金水河流域土壤常量化学元素的研究表明，矿物风化过程主要受自然过程控制，人类活动在一定程度上影响了土壤的成土过程。土壤成土过程已基本完成早期的去Ca，Na风化阶段，进入K风化阶段；从土壤矿物组成来看，由上游到下游土壤颗粒呈现变细趋势。流域内绝大部分常量元素的地球化学行为表现为迁移淋失。其次，土壤在风化内外因素(如土壤母质、矿物结构、温度、降水和重力等)作用下，在土壤质地(矿物组成)及风化、机械组成、有机质含量等方面形成了明显的空间差异。成壤作用过程中的物质循环(岩石风化、分化产物的淋溶、搬运、堆积)与生物小循环(植物营养元素在生物体与土壤之间的循环，)密切联系。根据成土条件、有机质及其分解与积累过程分析，该流域属于林下有机质积聚过程。土壤矿物中的硅酸盐矿物风化分解和淋溶作用较强。土地利用方式改变了土壤有机质分布模式，人类活动造成农田耕作层和森林枯枝落叶层的有机质减少，土壤腐殖酸的减少影响土壤矿物风化和元素地球化学行为。
二、本研究分析了P、Ti、Mn、Sr、Zr、V、Rb、Nb、Th、Hf、Co、Ga、Y等13种微量元素的空间分异规律，并探讨了土壤微量化学元素在森林-农业生态系统中的生物地球化学循环特征。研究表明，1)土壤类型、季节性强降水、全球变化、母岩中微量的含量是影响微量元素空间分异的关键因素；微型地貌、植物的选择性吸收与分解、地上部分凋落物周转、林火等生物地球化学作用是微量元素分馏的主要因素。2)在岩石风化、蚀变等过程中微量元素能显著的活化，可能对森林生态系统微量元素循环生态过程产生重要影响。3)由于大量经济林(板栗林和山茱萸林)的果实产出，造成淋溶层土壤微量元素的输入与输出不均衡；中等程度土壤侵蚀和季节性强降水造成微量严重流失，两者表现为随机性和结构性双重特征，即表土层中微量元素富集程度大于淋溶层；母质的影响强于表生地球化学作用。流域内土壤基本表现出物理性质改善但却贫养化和生物学性质恶化的极化趋势。因此，母质决定了土壤微量元素的含量，外力因素(自然因素和人类活动)在成土过程中造成了微量元素的空间分异。
三、对金水河流域土壤重金属污染及生态危害分析表明，成土过程中的淋溶淀积作用使得部分重金属严重超标，人类活动加剧了重金属的生态危害。研究表明，1)金水河流域沿岸土壤重金属的Pb、Zn含量严重超标，在白浆化棕壤和钙质粗骨土区域内，过多的碳酸钙对锌元素有较强的吸附和固定作用。2)在土壤溶液酸性作用逐渐增强的情况下，超标的重金属对金水河流域的水质和土壤生态环境将会产生严重的危害；重金属污染产生的生态危害作用可能由于重金属之间协同或拮抗作用及其它环境因子所致，累积作用具有隐现性。3)日益增加的人类活动将显著增加重金属生态危害，提高土壤腐殖质含量是减轻污染危害及增强土壤自净能力的重要措施。
四、对金水河流域土壤化学元素及河水矿物含量的耦合分析表明，河水矿物化学成分贡献主要来源于成土过程的硅酸盐风化，人为活动对河流的输入性污染物影响显著。研究表明，1)流域内矿物元素对河水水质贡献率在不同空间位置贡献率不相同，矿物元素对河水水质贡献率方程为YRiverwater=0.242+0.203·XRain+0.172·XLitter+0.471·XSoilwater(R2=0.546；)，固-液相界面(土壤-土壤水溶液)离子交换过程拟合表明离子交换过程符合二、三次曲线模型2)河水成分贡献主要来源于硅酸盐风化。区域内碳酸盐岩含较少的Na+和K+，Na+在土壤-土壤溶液之间的分配行为在环境效应中可能造成土壤盐碱化的发育程度加重。土壤和枯枝落叶层HCO3-和TDS值均处于稳定的范围内。3)流域内土壤基本表现出物理性质改善但却贫养化和生物地球化学性质恶化的趋势。在全球变化背景下，酸雨和干旱加剧了水溶液组成的变化，人为活动输入污染物影响显著。