鐵鋁氧化物納米粒子對土壤有機碳礦化作用的影響

柏松, 孫喆華, 汪艷如

（西南民族大學化學與環(huán)境保護工程學院, 四川 成都 610041）

鐵鋁氧化物納米粒子對土壤有機碳礦化作用的影響

柏松, 孫喆華, 汪艷如

（西南民族大學化學與環(huán)境保護工程學院, 四川 成都 610041）

目的: 了解納米Fe2O3和納米Al2O3顆粒對土壤有機碳分解礦化作用的影響. 方法: 以若爾蓋高寒草甸土為研究對象, 采用室內(nèi)培養(yǎng)實驗方法, 測定不同納米材料對土壤呼吸強度的影響. 結(jié)果: 在一個培養(yǎng)試驗周期內(nèi), 添加Al2O3納米顆粒后土壤呼吸作用增強, 添加Fe2O3納米粒子的土壤呼吸作用變化不明顯; 隨納米材料加入量增加, 土壤呼吸強度的變化無顯著差異; 結(jié)論: Al2O3納米粒子能夠一定程度增強土壤有機碳分解礦化作用, Fe2O3納米粒子對土壤有機碳分解礦化作用的影響不大.

土壤有機碳; 土壤呼吸; 納米粒子

1 引言

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫, 其表層碳含量約為1500 PgC[1], 是大氣碳含量的2倍[2], 土壤碳儲量的微小變化對大氣中CO2濃度會產(chǎn)生巨大影響. 在全球氣候變暖壓力下, 如何進一步增加土壤碳蓄積, 減少CO2排放, 緩解全球氣候變化已成為世界各國關(guān)注的焦點. 土壤有機碳礦化是受溫度、土壤水分、有機碳含量以及土壤營養(yǎng)狀況等諸多因子影響的生物化學過程[3]. 溫度升高會加快土壤有機碳的礦化作用, 釋放更多的CO2[4]. 土壤有機碳礦化所產(chǎn)生的CO2在很大程度上決定著陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯功能[5]. 因此, 深入了解土壤有機碳礦化與全球氣候變化之間的反饋作用, 研究土壤有機碳礦化的主要機制及其影響因素對于預測未來全球氣候變化具有重要意義.

目前, 大量研究報道了溫度、水分、有機碳含量以及土壤中營養(yǎng)狀況等諸多因子對土壤有機碳礦化作用的影響[5-6], 但納米顆粒對土壤有機碳礦化作用的影響尚未報道. 納米材料的生產(chǎn)、使用和排放不可避免地增加了環(huán)境中納米顆粒的數(shù)量, 隨著納米材料的廣泛應(yīng)用, 其對環(huán)境的影響也越來越重要, 而納米材料在土壤環(huán)境中的分配、反應(yīng)、行為、歸趨及生態(tài)毒理等尚缺乏系統(tǒng)了解, 特別是納米顆粒進入土壤生態(tài)系統(tǒng)后可能對土壤有機碳礦化作用產(chǎn)生怎樣的影響, 目前還很不清楚.

納米Fe2O3和納米Al2O3是廣泛應(yīng)用的納米材料, 在醫(yī)藥、化工、材料、建筑、環(huán)境等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多[7-9]. 這些納米粒子進入土壤生態(tài)系統(tǒng), 很有可能通過影響土壤微生物活性, 進而影響微生物對土壤有機碳的分解礦化作用, 并最終對土壤有機碳庫產(chǎn)生影響. 因此, 深入探討納米顆粒對土壤有機碳礦化作用的影響是十分必要的. 為此, 本項目將以若爾蓋高寒高山草甸土壤為研究對象, 通過室內(nèi)培養(yǎng)實驗, 研究Fe2O和Al2O3兩種納米粒子對土壤有機碳礦化能力的影響, 為更好的了解土壤有機碳庫變化的機制提供科學依據(jù).

2 研究方法

2.1 供試材料與樣品采集

供試土壤為高山草甸土, 采至四川若爾蓋高原, 為1～30 cm表層土壤. 土壤樣品經(jīng)風干研磨過2 mm篩用于土壤性質(zhì)和土壤呼吸強度的測定. 納米Fe2O3和納米Al2O3購買于晶試劑有限公司. Fe2O3納米粒子為球形, 純度99.5%,平均粒徑20 nm; Al2O3納米粒子為球形, 純度99.9%, 平均粒徑50 nm; 上述納米粒子的SEM圖如圖2所示.

2.2 土壤指標測定方法

土壤機械組成采用吸管法測定; 土壤pH值按水土比為2.5: 1制成懸浮液, 玻璃電極測定; 土壤全N采用半微量開氏法; 有機碳含量用重鉻酸鉀-硫酸氧化外加熱法. 土壤全P采用酸溶-鉬銻抗比色法; 土壤呼吸采用室內(nèi)密閉培養(yǎng)法測定.

2.3 試驗設(shè)計

取3份10 g風干土樣于500 mL培養(yǎng)瓶中, 分別按0, 5, 10, 20, 30, 40 g·kg-1加入納米Fe2O3、Al2O3, 以及Fe2O3和Al2O3納米顆?；旌衔?質(zhì)量比為1: 1), 同時以未加納米顆粒的土樣為對照, 保持土壤水分為60%田間持水量,置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)一星期, 設(shè)置3個重復, 于培養(yǎng)第7 d 測定土壤呼吸強度.

3 結(jié)果與討論

土壤基本性質(zhì)測定結(jié)果見表1, 由表1可見, 供試土樣的有機碳含量較高, 其值為7.27%. 另據(jù)圖1土壤機械組成的分析結(jié)果, 供試土樣中粘粒、粉砂和沙粒含量分別為23%, 36%和46%, 表明土壤沙粒含量最高. 一般說來, 不同粒徑顆粒的土壤有機碳的礦化能力不同, 粘粒最大, 粉砂次之, 砂粒最小. 因此, 本研究供試土壤沙粒含量較高, 表明其有機碳礦化能力較弱.

表1 土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 physiochemical properties of soil tested

圖1 供試土壤機械組成圖Fig. 1 Mechanical composition of the soil tested

圖2 納米Fe2O3(a)和納米Al2O3(a)掃描電鏡圖Fig. 2 SEM image of nanoscale Fe

圖3 鐵鋁氧化物納米粒子對土壤呼吸的影響Fig. 3 Effect iron and aluminum oxide nanoparticles of on soil respiration“*”表示實驗組與對照組存在顯著差異(p<0.05)

由圖3可見, 在一個培養(yǎng)周期內(nèi)(7天), 不同納米顆粒對土壤呼吸強度的影響不同. 經(jīng)Fe2O3納米顆粒處理后,土壤呼吸強度與對照組沒有顯著差異, 說明Fe2O3納米顆粒對土壤有機碳礦化作用的影響不大; 但值得注意的是, 有研究表明在土壤中施加磁性改良劑后轉(zhuǎn)化酶活性提高了34.7%, 脲酶、過氧化物酶活性等均有不同程度的提高, 土壤的呼吸作用相應(yīng)增強了2.5 倍[10], 該研究表明具有磁性的納米粒子可能對土壤微生物活性有激活作用, 從而增強微生物對土壤有機碳的分解能力. 然而, 在本研究中具有磁性的Fe2O3納米顆粒對土壤呼吸作用的影響并不明顯, 這可能與Fe2O3納米粒子的磁性較弱有關(guān).

本研究還發(fā)現(xiàn), 經(jīng)Al2O3納米顆粒處理的土壤呼吸強度明顯增加, 表明Al2O3納米顆粒對土壤有機碳分解礦化作用有較大影響, 這一結(jié)果表明, 納米材料對土壤有機碳分解礦化能力的影響除了與其磁性有關(guān)外, 還受其他因素的影響. 另外, 由圖3還可以看出, 隨著Fe2O3和Al2O3納米粒子加入量的增加, 土壤呼吸強度變化亦不明顯(圖3), 說明納米材料添加量不是影響土壤有機碳分解礦化的主要因素. 總之, 納米顆粒進入土壤后將會對土壤有機碳礦化作用產(chǎn)生一定影響, 但其主要的影響因素及其影響機制還有待進一步深入研究.

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明, 在一個培養(yǎng)試驗周期內(nèi)(7天), Al2O3納米顆粒能夠在一定程度上增強土壤呼吸作用, 而磁性Fe2O3納米粒子的影響則不大; 納米材料對土壤有機碳分解礦化能力的影響可能受多方面因素的控制, 其主要影響因素及其影響機制還有待進一步深入研究.

參考文獻

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The effect of nanoscale Fe2O3and Al2O3on organic C mineralization in mineral soils

BAI Song, SUN Zhe-hua, WANG Ran-ru
(School of Chemistry and Environmental Protection Engineering, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, P.RC.)

Objective:The effects of nanoscale Fe2O3and nanoscale Al2O3on organic C mineralization in mineral soils were investigated.Methods:With incubation test, the soil was treated by different dosages of nanoscale Fe2O3and Al2O3, and then the soil respiration rate was analyzed.Results:The respiration rate in soil treated with the nanoscale Al2O3was significantly higher than that without treatment in a culture cycle, but respiration rate in soil treated with the nanoscale Al2O3did not change significantly.Conclusion:Nanoscale Al2O3could enhance organic C mineralization in mineral soils.

soil organic carbon; soil respiration; nanoparticle

X1

A

1003-4271(2014)04-0514-04

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.04.08

2014-03-28

柏松(1979-), 男, 貴州貴陽人, 講師, 研究方向: 區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變, E-mail:songbai1240@126.com.

西南民族大學中央高校青年教師基金項目(11NZYQN20)資助.