干濕交替條件下鐵氧化對(duì)水稻土CO2排放的影響

陳凌玉，劉 飛，趙雙嬌，李朋相，丁冠宇，石 旭，彭其安*

(1.武陵山區(qū)特色資源植物種質(zhì)保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074；2.武漢紡織大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430073)

干濕交替條件下鐵氧化對(duì)水稻土CO2排放的影響

陳凌玉1,2，劉 飛2，趙雙嬌2，李朋相2，丁冠宇2，石 旭2，彭其安1,2*

(1.武陵山區(qū)特色資源植物種質(zhì)保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074；2.武漢紡織大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430073)

以湖北省2種典型水稻土[咸寧市的中稻-冬閑水稻土(第四世紀(jì)紅壤，XR)和潛江市的中稻-冬閑水稻土(鈣質(zhì)潮土，QR)]為材料，研究土壤干濕交替條件下[土壤落干(孔隙含水率55%)到完全淹水(土水比1∶1)]添加Fe2+對(duì)土壤Fe3+、可溶性有機(jī)碳(DOC)含量及CO2排放的影響，擬揭示水分轉(zhuǎn)變過(guò)程中土壤活性鐵氧化對(duì)土壤有機(jī)碳固持的影響。結(jié)果表明，整個(gè)培養(yǎng)期間，與CK(不添加Fe2+)相比，添加Fe2+促進(jìn)了XR和QR土壤中活性鐵的氧化，XR和QR土壤中Fe3+平均含量分別較CK提高了133.87%和 95.66%。落干期間，與CK 相比，添加Fe2+促進(jìn)了CO2的排放，XR和QR土壤CO2累積排放量分別增加了59.77%和124.48%;促進(jìn)了土壤DOC的積累，XR和QR土壤DOC平均含量分別提高了42.57%和23.71%。淹水期間，與CK 相比，添加Fe2+抑制了CO2的排放，XR和QR土壤CO2累積排放量分別降低了54.03%和35.27%；培養(yǎng)前期促進(jìn)了土壤DOC的積累，培養(yǎng)后期抑制了土壤DOC含量的積累，總體上XR土壤DOC平均含量降低了35.29%，QR土壤DOC含量提高了16.59%。整個(gè)培養(yǎng)期間，添加Fe2+后，XR和QR土壤CO2累積排放量分別降低了43.87%和22.14%。綜上，我國(guó)南方富含鐵氧化物的紅壤具有更高的固碳減排潛力。

干濕交替； 水稻土； 鐵氧化； 可溶性有機(jī)碳； CO2排放量

水稻土是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)耕作土壤。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水稻種植面積為2 860萬(wàn)hm2，約占世界水稻總種植面積的20%[1]。稻田生態(tài)系統(tǒng)具有較好的固碳潛勢(shì)，我國(guó)南方水稻土的固碳潛勢(shì)為6.7～15.3 Mg/hm2，對(duì)于抵消和延緩全球大氣CO2濃度增加具有重要作用[2]。近30 a來(lái)，我國(guó)中南部地區(qū)常采取水旱輪作模式種植水稻，在水稻種植期間的灌溉、曬田等農(nóng)藝措施顯著降低了稻田甲烷排放通量[3]。但這種頻繁的干濕交替過(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化規(guī)律仍未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[4]。一方面，不同作物種植方式、不同氣候等條件下的土壤樣本確實(shí)存在較大差異；另一方面，即便是同一地區(qū)、相同種植模式的不同母質(zhì)土壤，由于其母質(zhì)中某些礦質(zhì)元素(如Fe、Mn和S等)和土壤結(jié)構(gòu)等的差異，其參與的土壤碳、氮循環(huán)耦合過(guò)程對(duì)土壤有機(jī)碳礦化貢獻(xiàn)也較難確定。當(dāng)前，土壤微生物驅(qū)動(dòng)的礦質(zhì)元素生物地球化學(xué)循環(huán)已成為土壤科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

鐵作為地殼中第四大元素，在土壤中具有較高的豐度，鐵、碳、氮、硫循環(huán)等在土壤生態(tài)環(huán)境中扮演重要角色。例如，在土壤干濕交替過(guò)程中，土壤中的活性鐵氧化物會(huì)發(fā)生激烈的氧化還原反應(yīng)，必定會(huì)影響土壤氧化還原條件，改變土壤生物呼吸類型，進(jìn)而調(diào)節(jié)土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化途徑。國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于水稻土中異化鐵還原對(duì)土壤礦化的影響已有較多的研究和報(bào)道，大多數(shù)研究已證實(shí)土壤中的鐵氧化物參與異化鐵還原過(guò)程對(duì)于維持土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定具有重要作用[5-7]。然而，鐵氧化在頻繁干濕交替過(guò)程中對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化和累積的影響還有待于進(jìn)一步明確。為此，在室內(nèi)條件下控制一定的因素，探討干濕交替條件下鐵氧化對(duì)水稻土CO2排放的影響，擬揭示水分轉(zhuǎn)變過(guò)程中土壤活性鐵氧化對(duì)土壤有機(jī)碳固持的影響，為制定農(nóng)田溫室氣體減排措施提供參考。

1 材料和方法

1.1 采樣點(diǎn)概況

供試土壤采自湖北省咸寧市橫溝鎮(zhèn)附近(114°39′408″E、29°86′222″N)和湖北省潛江市西大垸農(nóng)場(chǎng)附近(112°43′26″E、30°11′45″N)。咸寧市的土壤母質(zhì)為第四紀(jì)紅壤，土地利用方式為中稻-冬閑(簡(jiǎn)稱XR)；潛江市的土壤母質(zhì)為鈣質(zhì)潮土，土地利用方式為中稻-冬閑(簡(jiǎn)稱QR)。2個(gè)采樣點(diǎn)均屬于亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，降雨量集中在4—9月，約占全年總降雨量的70%。采用“S”形布點(diǎn)采集0～20 cm耕層土壤，自然風(fēng)干后過(guò)1 mm篩備用。采樣點(diǎn)土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在土壤落干(即孔隙含水率為55%)到完全淹水(土水比為1∶1)的培養(yǎng)過(guò)程中，設(shè)置添加FeCl2(Fe2+)和空白對(duì)照(CK)2個(gè)處理。FeCl2添加量為6 mmol/kg。1 L玻璃瓶裝200 g風(fēng)干土，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。正式試驗(yàn)前，土壤預(yù)培養(yǎng)3周，然后在落干條件下培養(yǎng)15 d；淹水后，所有處理添加5 mmol/kg乙酸鈉作為補(bǔ)充碳源，繼續(xù)培養(yǎng)41 d。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 培養(yǎng)土樣Fe3+及可溶性有機(jī)碳(DOC)含量 每2～4 d取1次土樣，經(jīng)0.5 mol/L HCl浸提后，采用鄰菲啰啉分光光度法測(cè)定Fe3+含量；每2 d取1次土樣，用蒸餾水浸提后，用總有機(jī)碳/氮分析儀(Vitro，德國(guó))測(cè)定土壤DOC含量。

1.3.2 CO2排放通量及累積排放量 用培養(yǎng)瓶密閉培養(yǎng)2 h后，每天測(cè)定CO2排放通量及累積排放量。單位時(shí)間內(nèi)土壤CO2濃度的變化率用氣相色譜儀測(cè)定(Agilent 6890，美國(guó))，CO2排放通量計(jì)算參考文獻(xiàn)[8]，公式如下。

F=ρ×(V/W)×(ΔC/Δt)×273/(T+273)×α

式中，F(xiàn)為CO2排放通量；ρ為 CO2標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度；V為培養(yǎng)瓶體積；W為風(fēng)干土質(zhì)量；ΔC/Δt表示單位時(shí)間內(nèi)CO2濃度的變化率；T是培養(yǎng)溫度(℃)；α是CO2換算成C的轉(zhuǎn)換因子(α=12/44)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 16軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，利用Origin 8.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加Fe2+對(duì)2種水稻土Fe3+含量的影響

整個(gè)培養(yǎng)期間，添加Fe2+促進(jìn)了土壤活性鐵的氧化 (圖1)。落干期間，XR土壤中CK Fe3+平均含量為1.64 mg/g，F(xiàn)e2+處理Fe3+平均含量為2.52 mg/g;QR土壤中CK Fe3+平均含量為3.10 mg/g，F(xiàn)e2+處理Fe3+平均含量為4.86 mg/g。淹水期間，2種土壤鐵氧化反應(yīng)依然較強(qiáng)，XR土壤中CK Fe3+平均含量為1.49 mg/g，F(xiàn)e2+處理Fe3+平均含量為4.80 mg/g；QR土壤中CK Fe3+平均含量為4.05 mg/g，F(xiàn)e2+處理Fe3+平均含量為9.13 mg/g。總體上，整個(gè)培養(yǎng)期間，添加Fe2+使XR和QR土壤中Fe3+平均含量分別較CK提高了133.87%和 95.66%。

圖1 2種水稻土Fe3+含量變化情況

2.2 鐵氧化對(duì)2種水稻土DOC含量的影響

由2.1分析可知，添加Fe2+促進(jìn)了土壤活性鐵的氧化，而鐵氧化調(diào)節(jié)了土壤DOC含量(圖2)。落干期間，F(xiàn)e2+處理DOC含量整體上高于CK，XR土壤中CK和Fe2+處理DOC平均含量分別為51.37 mg/kg和73.24 mg/kg,Fe2+處理較CK增加了42.57%；QR土壤中CK和Fe2+處理DOC平均含量分別為60.64 mg/kg和75.02 mg/kg，F(xiàn)e2+處理較CK增加了23.71%。淹水促進(jìn)了土壤DOC的積累(盡管初期補(bǔ)充了一定碳源，但淹水后1周內(nèi)DOC含量仍然不斷增加)。值得注意的是，落干期2種土壤Fe2+處理DOC含量均高于CK，但淹水后期(41 d后)CK均高于Fe2+處理。在整個(gè)淹水期間，XR土壤中CK和Fe2+處理DOC平均含量分別為208.45 mg/kg和134.88 mg/kg，F(xiàn)e2+處理較CK降低了35.29%；而QR土壤中CK和Fe2+處理DOC平均含量分別為157.84 mg/kg和184.02 mg/kg，F(xiàn)e2+處理較CK增加了16.59%。表明厭氧鐵氧化對(duì)不同母質(zhì)土壤DOC含量的調(diào)節(jié)存在一定差異。

圖2 2種水稻土DOC含量變化情況

2.3 鐵氧化對(duì)2種水稻土CO2排放量的影響

添加Fe2+促進(jìn)了土壤活性鐵的氧化，而鐵氧化調(diào)節(jié)了土壤CO2排放通量(圖3—4)。

2.3.1 落干期間 由圖3可知，落干期間，XR與QR土壤的CO2排放通量總體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。與CK相比，2種土壤經(jīng)Fe2+處理后CO2排放通量和累積排放量均增加(圖3—4)。對(duì)于XR土壤來(lái)說(shuō)，落干期間，CK和Fe2+處理CO2排放通量的峰值均出現(xiàn)在培養(yǎng)1 d，分別為5.51 mg/(kg·d)和10.07 mg/(kg·d)，CO2排放通量均值分別為4.05 mg/(kg·d)和6.47 mg/(kg·d)；累積排放量分別為60.77 mg/kg和97.09 mg/kg，F(xiàn)e2+處理較CK增加了59.77%。對(duì)于QR土壤來(lái)說(shuō)，落干期間，CK和Fe2+處理CO2排放通量的峰值也均出現(xiàn)在培養(yǎng)1 d，分別為7.50 mg/(kg·d)和30.56 mg/(kg·d)，CO2排放通量均值分別為3.00 mg/(kg·d)和6.74 mg/(kg·d)；累積排放量分別為45.06 mg/kg和101.15 mg/kg，F(xiàn)e2+處理較CK增加了124.48%。

2.3.2 淹水期間 由圖3—4可知，淹水期間，對(duì)于XR來(lái)說(shuō)，F(xiàn)e2+處理CO2的排放通量和累積排放量總體上均低于CK。其中，CK CO2排放通量總體上呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，培養(yǎng)30 d時(shí)達(dá)到峰值，為29.48 mg/(kg·d)；Fe2+處理CO2排放通量相對(duì)比較平緩，沒(méi)有較大的波動(dòng)，最大值為11.43 mg/(kg·d)。淹水期間，CK和Fe2+處理CO2累積排放量分別為620.34 mg/kg和285.20 mg/kg，F(xiàn)e2+處理較CK降低了54.03%。對(duì)于QR來(lái)說(shuō)，F(xiàn)e2+處理CO2排放通量和累積排放量總體上均低于CK。其中，CK CO2排放通量在培養(yǎng)32 d時(shí)達(dá)到峰值，為19.84 mg/(kg·d)，F(xiàn)e2+處理CO2排放通量在培養(yǎng)16 d時(shí)最高，為14.32 mg/(kg·d)。淹水期間， CK和Fe2+處理CO2累積排放量分別為503.23 mg/kg和325.76 mg/kg，F(xiàn)e2+處理較CK降低了35.27%。

整個(gè)培養(yǎng)期(1～56 d)，XR土壤CK和Fe2+處理CO2累積排放量分別為681.11 mg/kg和382.29 mg/kg，而QR土壤分別為548.29 mg/kg 和426.91 mg/kg，F(xiàn)e2+處理XR和QR土壤CO2累積排放量較CK分別降低了43.87%和22.14%。

圖3 2種水稻土CO2排放通量變化情況

圖4 2種水稻土CO2累積排放量變化情況

3 結(jié)論與討論

前人研究表明，鐵循環(huán)過(guò)程在水稻土壤、沉積物以及自然濕地等環(huán)境中構(gòu)成了鐵-碳-氮等元素的生物地球化學(xué)耦合循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9-10]。故推測(cè)，土壤活性鐵的存在極可能是維持土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一。有研究證實(shí)，土壤在淹水條件下，DOC與鐵離子的結(jié)合可通過(guò)配位交換、多價(jià)陽(yáng)離子橋和弱鍵膠結(jié)等物理、化學(xué)的締合促進(jìn)土壤鐵-碳穩(wěn)定性復(fù)合物形成[11-12]，酸性黏土的這種固碳效應(yīng)尤為顯著[13]。曲東等[14]研究表明，土壤在淹水等厭氧條件下添加無(wú)定形氧化鐵能顯著抑制水稻土中甲烷的形成，并導(dǎo)致有機(jī)碳的轉(zhuǎn)移發(fā)生變化。

本研究結(jié)果表明，在落干土壤中添加外源Fe2+時(shí)，2種土壤的DOC含量均高于CK，表明外源Fe2+有利于土壤中DOC的釋放，促進(jìn)了土壤CO2排放；但淹水后期，外源Fe2+能明顯抑制土壤CO2排放，且對(duì)第四紀(jì)紅壤(XR)DOC的抑制效應(yīng)更為明顯。值得注意的是，盡管XR土壤中Fe3+含量比鈣質(zhì)潮土(QR)低，但對(duì)土壤DOC含量的影響卻更為明顯。很可能是因第四紀(jì)紅壤中黏粒含量較高，淹水后鐵氧化-還原過(guò)程更有利于形成穩(wěn)定的鐵-碳復(fù)合體[15]。本研究揭示了不同水分條件下紅壤的鐵氧化過(guò)程對(duì)土壤有機(jī)碳固持具有重要作用。

研究表明，鐵氧化細(xì)菌可以直接驅(qū)動(dòng)或參與調(diào)節(jié)環(huán)境中Fe2+的氧化，鐵氧化細(xì)菌對(duì)濕地土壤中鐵的生物氧化貢獻(xiàn)達(dá)50%～60%[16]。在本研究中，淹水后由于微生物的激發(fā)效應(yīng)，2種土壤的呼吸均明顯增加，鐵氧化過(guò)程對(duì)土壤呼吸表現(xiàn)出截然不同的效應(yīng)，即淹水時(shí)抑制土壤呼吸，而落干時(shí)促進(jìn)土壤呼吸。表明土壤活性鐵在不同氧化過(guò)程能直接影響土壤有機(jī)質(zhì)礦化效率。本研究結(jié)果表明，好氧鐵氧化提高XR和QR 土壤CO2累積排放量59.77%和124.48%；但在整個(gè)干濕交替過(guò)程中，外源鐵氧化降低XR和QR土壤 CO2累積排放量43.87%和22.14%。

總體而言，土壤中活性鐵氧化過(guò)程有助于維持土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定，特別是對(duì)我國(guó)南方的紅壤具有更高的固碳減排的潛力。

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Effects of Iron Oxidation on CO2Emission in Paddy Soils under Dry-wet Alternation Conditions

CHEN Lingyu1,2,LIU Fei2,ZHAO Shuangjiao2,LI Pengxiang2,DING Guanyu2,SHI Xu2,PENG Qi’an1,2*

(1.Hubei Provincial Key Laboratory for Protection and Application of Special Plants in Wuling Area,Wuhan 430074,China； 2.School of Environmental Engineering,Wuhan Textile University,Wuhan 430073,China)

The effects of Fe2+addition in soil on Fe3+,dissolved organic carbon(DOC)contents and CO2emission were studied with Xianning rice field(XR,red soil)and Qianjiang rice field(QR,calcareous fluvo-aquic soil) as materials under dry-wet alternation(55% water filled pore space and flooding)conditions,so as to reveal the effect of iron oxidation on organic carbon sequestration during water transformation.The results showed that the addition of Fe2+promoted the oxidation of active iron in XR and QR soils,compared with CK(without Fe2+),the average contents of Fe3+in XR and QR soils increased by 133.87% and 95.66%,respectively.Under drought condition,compared with CK,the addition of Fe2+promoted the CO2emission and accumulation of DOC,the cumulative CO2fluxes from XR and QR soils increased by 59.77% and 124.48%,and the average contents of DOC increased by 42.57% and 23.71%,respectively.Under the flooding condition,compared with CK,the addition of Fe2+inhibited the CO2emission,the cumulative CO2fluxes from XR and QR soils decreased by 54.03% and 35.27%,respectively;the addition of Fe2+promoted the accumulation of DOC at earlier stage,and inhibited the accumulation of DOC at later stage,the average content of DOC decreased by 35.29% in XR soil but increased by 16.59% in QR soil.During the whole period,compared with CK,the addition of Fe2+significantly decreased cumulative CO2fluxes in XR and QR soils by 43.87% and 22.14%,respectively.The results suggested that red soils with rich iron oxide in southern of China had high potential in organic carbon sequestration.

dry-wet alternation; paddy soils; iron oxidation; dissolved organic carbon; CO2emission

2017-03-20

湖北省教育廳中青年人才項(xiàng)目(164016)；武陵山區(qū)特色資源植物種質(zhì)保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(PJS12001)；武漢紡織大學(xué)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目(201607101)

陳凌玉(1996-)，女，湖南益陽(yáng)人，在讀本科生，研究方向：環(huán)境微生物。E-mail：657088288@qq.com

*通訊作者：彭其安(1981-)，男，湖北潛江人，講師，博士，主要從事農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)研究。 E-mail：pqa2002_@163.com

X511

A

1004-3268(2017)08-0072-05