High sulfate concentration enhances iron mobilization from organic soil to water

高硫酸鹽濃度增強鐵從有機土壤向水中的遷移

來源：Biogeochemistry, Volume 144, 2019, Pages 245-259

《生物地球化學》，第144卷，2019年，245-259頁

 

摘要

摘要指出，北方淡水水體中鐵濃度的增加是導致水體褐變的原因之一，但驅動因素未知。本研究通過微宇宙實驗探討了硫酸鹽濃度和氧氣條件對有機土壤中鐵遷移的影響。假設無氧條件會促進鐵釋放，而高硫酸鹽濃度會通過形成FeS或降低pH和DOC來抑制鐵遷移。結果與假設相反，高硫酸鹽濃度增強了鐵遷移，而無氧條件對鐵和DOC濃度有正面影響。實驗中還意外發現真菌Jaapia ochroleuca的建立顯著促進了鐵遷移。研究表明，無氧條件、酸度和真菌介導的遷移是控制鐵從土壤釋放的關鍵因素，而鐵在從無氧到有氧的過渡中能保持溶解狀態。結果不支持大氣硫沉積減少是鐵濃度增加的原因，而強調還原條件的重要性。

 

研究目的

研究目的是實驗檢驗硫酸鹽和氧氣對有機土壤中鐵遷移的影響，具體包括驗證兩個假設：一是無氧條件會促進鐵釋放；二是高硫酸鹽可用性會通過形成FeS、競爭電子受體或高酸度減少DOC可用性來抑制鐵遷移。同時，評估鐵在氧化條件下的穩定性，并意外利用真菌生長事件分析其對鐵遷移的作用。

 

研究思路

研究思路通過微宇宙實驗進行，采用2x2設計：高硫酸鹽處理代表峰值硫沉積水平和低硫酸鹽處理代表當前水平，結合有氧與無氧條件。土壤樣品來自北方云杉林有機層，在密閉或開放容器中培養134天，定期測量化學參數。使用統計分析和重復測量ANOVA評估處理效應，并通過再氧化實驗測試鐵在氧化條件下的穩定性。意外真菌生長被用作額外因素，分析其對鐵遷移的影響。

 

測量的數據及研究意義

1. 測量數據：溶解氧濃度

   研究意義：用于確認實驗條件，顯示有氧和無氧處理的差異，驗證氧化還原狀態對鐵遷移的影響。數據來自Fig. 1a。

 

2. 測量數據：硫酸鹽濃度

   研究意義：確保高和低硫酸鹽處理的有效性，幫助分析硫酸鹽對鐵遷移的直接和間接作用。數據來自Fig. 1b。

3. 測量數據：pH值

   研究意義：反映酸度變化，表明高硫酸鹽處理導致pH降低，從而促進鐵溶解和遷移。數據來自Fig. 2a。

 

4. 測量數據：總鐵濃度

   研究意義：量化鐵遷移程度，顯示無氧條件和高硫酸鹽均增強鐵釋放，挑戰了硫酸鹽抑制鐵遷移的假設。數據來自Fig. 2b。

5. 測量數據：DOC濃度

   研究意義：評估有機質對鐵復合作用的影響，表明DOC在無氧條件下增加，但高硫酸鹽降低DOC，而鐵遷移仍增強，說明酸度和還原條件更關鍵。數據來自Fig. 2c。

6. 測量數據：Fe(II)濃度

   研究意義：直接指示還原性鐵溶解，證實無氧條件促進Fe(III)還原為Fe(II)，支持還原機制的主導作用。數據來自Fig. 3。

 

7. 測量數據：Mn和Al濃度

   研究意義：比較其他金屬的遷移模式，顯示高硫酸鹽和無氧條件也增強Mn和Al釋放，驗證酸度對金屬溶解的普遍影響。數據來自Fig. 4。

 

8. 測量數據：NO3-和PO43-濃度

   研究意義：分析競爭電子受體的角色，NO3-消耗后鐵增加，表明電子受體可用性影響鐵還原；PO43-增加可能與鐵還原釋放有關。數據來自Fig. 5。

 

結論

研究得出結論，高硫酸鹽濃度通過降低pH和促進還原條件增強鐵遷移，而非抑制；無氧條件和真菌活動是鐵釋放的重要驅動因素。鐵在氧化條件下能保持溶解，可能與低pH和高DOC有關。結果不支持減少的大氣硫沉積是北方淡水鐵增加的原因，而強調土壤還原條件（可能受氣候變暖變濕增強）的關鍵作用。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量了溶解氧濃度、氧化還原電位和H2S濃度。研究意義在于提供了高精度、實時的氧化還原狀態數據，直接驗證了實驗條件（如無氧處理的低氧狀態）。氧化還原電位測量幫助量化了還原程度，證實了鐵還原發生的Eh閾值（低于500 mV at pH 4），從而支持了還原溶解機制在鐵遷移中的重要性。雖然H2S數據不可靠，但氧和氧化還原數據的可靠性增強了實驗的嚴謹性，為理解硫酸鹽和氧氣交互作用提供了關鍵證據。這些測量幫助排除了硫還原的干擾，突出了鐵還原的主導角色，并輔助解釋了鐵在過渡帶中的穩定性。