喀斯特分布面积约占陆地总面积的20%，并为全球约25%的人口提供水资源。我国西南喀斯特面积约为54万平方公里，地处是全球三大喀斯特集中连片分布区之一东亚片区的中心地带。由于喀斯特地区岩溶裂隙、孔隙和管道的广泛发育造就了喀斯特生态系统特殊的二元水文结构和土壤漏失途径，给区域生态环境造成严峻的威胁。加之喀斯特地区空间异质性较大，增加了研究养分生物地球化学循环来源和转化带来难度。
我院流域生物地球化学循环中心研究人员与河海大学，中国科学院地球化学研究所，英国格拉斯哥大学和斯特林大学的研究人员合作，综合应用在线传感器原位监测、稳定同位素技术，以及大肠杆菌（E. coli）指标等技术，并充分考虑峰丛洼地地貌类型对元素的捕获效应，结合高频采样开展了西南典型喀斯特岩溶小流域（普定后寨河流域）碳，氮运移机制研究。结果表明土地利用方式，降雨以及喀斯特水文结构控制了喀斯特关键带碳氮运移，硝酸盐在线传感器精准捕获氮在降雨过程中的动态变化，其季节性输出呈现高度空间差异性，并解译了该流域持续性的高含量氮污染机制，即农业氮供给和降雨的同时协同效应（图1）。
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图1 喀斯特关键带硝酸盐输出受控机制分析 |
图2 喀斯特关键带水-碳耦合机制分析 |
结合不同降雨条件下高频采样分析，发现单次降雨过程硝酸盐以及碳含量等能够在较短时间内增加数倍，大肠杆菌增加可达1-3个数量级；强降雨条件下，约90%的物质的输出集中在前48h内，严重影响了短时间尺度的水环境质量。低含水率条件下喀斯特关键带氮转化过程，导致土壤中较高的可利用性氮素的累积，造成较小降雨条件下水体高含量氮素。综合同位素技术进一步解析了碳氮在降雨事件输出过程中生物地球化学过程影响及其运移途径（图1, 2），量化了不同端元贡献的动态变化。上述系列成果有助于理解雨热同季脆弱区喀斯特关键带养分运移机制，完善对喀斯特系统物质循环理论。为应对全球变化下，极端降雨事件增多对脆弱喀斯特生态影响具有重要的指导意义，并为区域环境保护与规划，提供有针对性的举措。
该工作得到了国家自然基金委国际合作项目，英国自然环境研究理事会等项目联合资助。相关成果如下：
(1) Fu-Jun Yue, Susan Waldron, Si-Liang Li *, et al. (2019). "Land use interacts with changes in catchment hydrology to generate chronic nitrate pollution in karst waters and strong seasonality in excess nitrate export." Sci. Total Environ.696: 134062.
(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719340392)
(2) Caiqing Qin, Si-Liang Li *, Susan Waldron, et al. (2020). High-frequency monitoring reveals how hydrochemistry and dissolved carbon respond to rainstorms at a karstic critical zone, Southwestern China." Sci. Total Environ. 714: 136833. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720303430)
(3) Sarah J. Buckerfield *, Susan Waldron, Richard S. Quilliam, Larissa A. Naylor, Si-Liang Li, David M. Oliver. (2019). "How can we improve understanding of faecal indicator dynamics in karst systems under changing climatic, population, and land use stressors?–Research opportunities in SW China." Sci. Total Environ. 646: 438-447. ( https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969718327918)
(4) Sarah J. Buckerfield *, Richard S. Quilliam, Susan Waldron, Larissa A. Naylor, Si-Liang Li, David M. Oliver. (2020). "Rainfall-driven E. coli transfer to the stream-conduit network observed through increasing spatial scales in mixed land-use paddy farming karst terrain." Water Res. X 5: 100038. https://sciencedirect.xilesou.top/science/article/pii/S258991471930074X
(5) Caiqing Qin, Si‐Liang Li *, Fu‐Jun Yue, et al (2019), "Spatiotemporal variations of dissolved inorganic carbon and controlling factors in a small karstic catchment, Southwestern China." Earth Surf. Proc. Land. 44 (12): 2423-2436. (https://onlinelibrary.wiley.xilesou.top/doi/abs/10.1002/esp.4672)
(6) Zhong-Jun Wang, Si-Liang Li *, Fu-Jun Yue, et al. (2020). "Rainfall driven nitrate transport in agricultural karst surface river system: Insight from high resolution hydrochemistry and nitrate isotopes." Agr. Ecosyst. Environ. 291: 106787. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167880919304049)
(7) Jie Zeng, Fu-Jun Yue *, Zhong-Jun Wang, et al. (2019). "Quantifying depression trapping effect on rainwater chemical composition during the rainy season in karst agricultural area, southwestern China." Atmos. Environ. 218: 116998. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1352231019306375)
(8) Jie Zeng, Fu-Jun Yue *, Si-Liang Li, et al. (2020). "Agriculture driven nitrogen wet deposition in a karst catchment in southwest China." Agr. Ecosyst. Environ. 294: 106883. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167880920300682)
