磷和硫作为地球生命系统的主要营养元素及生态系统中常见的营养限制因子，影响着包括碳、氮等多种元素的生物地球化学循环过程。由于花岗岩的初始磷、硫含量低，其上发育的生态系统的形成和演化普遍受到磷和硫供给的限制和影响。因此，研究花岗岩风化过程中磷和硫的赋存形态和迁移转化，对认识全球气候变化影响下的生态环境的演变具有重要意义。中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室刘丛强、赵志琦团队以我国东部不同气候带花岗岩风化壳为研究对象，利用同位素手段和同步辐射技术，系统研究了气候、生物和大气降尘等因素控制下的风化壳中磷、硫形态和迁移转化规律，取得以下新进展：

1）森林生态系统中磷的地球化学行为及其对气候条件的响应：气候条件显著影响土壤磷形态及其生物有效性，即钙结合态磷和非闭蓄态磷相对含量为中温带 > 暖温带 > 热带，有机磷和闭蓄态磷相对含量为中温带 < 暖温带 < 热带，但是各形态磷在不同气候带风化剖面内部的分布特征比较相似。各剖面不同发生层中磷形态分布及其影响因素均为：A层主要受控于大气降尘输入和植物泵吸作用，总磷含量较高，磷形态以铁铝结合态磷为主，其次是有机磷；B层主要受风化成土、植被吸收和淋溶等影响，总磷含量显著下降，磷形态以铁铝结合态磷为主，钙结合态磷几乎消失；C层上部由于流体下渗受限，磷与钙在此累积并沉淀生成新的钙结合态磷，因此总磷含量增加，而C层下部总磷含量与基岩相比几乎不变，磷形态转化只受化学风化程度的影响。该研究丰富了人们对森林生态系统磷的生物地球化学循环及其与气候之间关系的认识。

相关研究成果以“Vertical patterns of phosphorus concentration and speciation in three forest soil profiles of contrasting climate” 为题发表在《Geochimica et Cosmochimica Acta》。

图1  (a) 花岗岩风化壳不同发生层中磷的化学过程以及磷形态的分布概念模型，(b) 随土壤发育时间磷形态的转化， (c) 随气候梯度磷形态的转化， (d) 随风化程度无机磷形态的转化。

2）大气降尘输入对森林土壤中磷的地球化学行为的影响：研究发现大气降尘输入携带的钙结合态磷在酸性土壤中易溶解，显著提高了土壤磷的生物有效性。降尘的连续输入和随后的溶解维持了土壤磷的生物有效性。同时，大气降尘输入的铁氧化物可以促进土壤铁结合态磷和闭蓄态磷的形成，因此降尘所释放的生物有效磷可能被固定，从而降低土壤磷的生物有效性。该研究表明大气降尘输入会显著影响森林生态系统中土壤磷的形态及其生物有效性，其不仅可以提供生物可利用的磷源，而且还改变土壤的化学性质和风化程度。

相关研究成果以“Fate and availability of dust-borne phosphorus in a sub-humid temperate forest” 为题发表在《Chemical Geology》。

图2 大气降尘输入影响半湿润区森林生态系统土壤磷循环

3）花岗岩风化壳中硫循环及其对气候条件的响应：气候条件影响总硫在剖面中的分布，其中中温带剖面表层总硫含量最高，而亚热带和热带剖面总硫含量在B层达到峰值，这是剖面中有机硫的矿化、淋溶以及铁铝氧化物影响的结果。剖面总硫的d³⁴S值呈现中温带剖面 < 亚热带剖面< 热带剖面，这是有机硫矿化程度影响所致。但是气候条件对剖面上总硫的d³⁴S值变化的影响不大。该研究深化了人们对森林生态系统硫的生物地球化学循环机理的认识。

相关研究成果以“Sulfur dynamics in forest soil profiles developed on granite under contrasting climate conditions” 为题发表在《Science of The Total Environment》。

图3  不同气候带花岗岩风化壳中硫的生物地球化学循环、总硫与其硫同位素随深度变化特征。

   以上研究受国家自然科学基金项目（41930863, 41661144042, 41130536）资助。

论文链接：

1.Zhang Z, et al., Vertical patterns of phosphorus concentration and speciation in three forest soil profiles of contrasting climate. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2021. 310: 1-18. https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.07.002

2.Zhang Z, et al., Sulfur dynamics in forest soil profiles developed on granite under contrasting climate conditions. Science of the Total Environment, 2021. 797: 149025.  https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.1490259

3.Zhang Z, et al., Fate and availability of dust-borne phosphorus in a sub-humid temperate forest. Chemical Geology, 2022. 587: 120628. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2021.120628

                                                                                                                                      （ 刘丛强、赵志琦团队/供稿）