Effects of iron(III) reduction on organic carbon decomposition in two paddy soils under flooding conditions

淹水條件下兩種水稻土中鐵(III)還原對有機(jī)碳分解的影響

來源：Environmental Science and Pollution Research, Volume 26, 2019, Pages 12481-12490

《環(huán)境科學(xué)與污染研究》，第26卷，2019年，12481-12490頁

 

摘要：

摘要指出，鐵氧化和還原在淹水和干燥條件下對水稻土有機(jī)碳轉(zhuǎn)化有重要影響。本研究選擇鐵含量顯著不同的兩種水稻土樣本（湖南岳陽和海南?？冢?，在25天培養(yǎng)中觀察Fe(II)和Fe(III)含量及鐵形態(tài)變化對土壤溶解有機(jī)碳(DOC)水平和CH4、CO2排放的影響。淹水后Fe(II)含量與活性Fe比率增加，岳陽土壤活性Fe比例高于?？谕寥?。岳陽土壤5天內(nèi)92% Fe(III)轉(zhuǎn)化為Fe(II)，培養(yǎng)結(jié)束時幾乎全部轉(zhuǎn)化；?？谕寥繤e(II)僅占活性Fe的59%。岳陽土壤2.2 g kg-1有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為CO2和CH4，DOC增至初始值410%；?？谕寥?.7 g kg-1有機(jī)碳轉(zhuǎn)化，DOC增至245%。有機(jī)碳分解與鐵還原密切相關(guān)，鐵還原顯著影響有機(jī)碳轉(zhuǎn)化速率。

 

研究目的：

研究目的是探究淹水條件下鐵還原對水稻土有機(jī)碳分解的影響，特別是比較不同鐵含量土壤中鐵還原過程與有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和溫室氣體排放的關(guān)系，以揭示鐵還原在碳循環(huán)中的作用機(jī)制。

 

研究思路：

研究思路包括選擇岳陽和?？趦煞N水稻土，進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)后，在淹水條件下培養(yǎng)25天，定期測量氣體排放（CH4和CO2）、DOC、Fe(II)、Fe(III)、礦物氮等參數(shù)。使用破壞性采樣分析土壤化學(xué)性質(zhì)，并使用Unisense電極測量溶解氧(DO)。通過統(tǒng)計分析和主成分分析(PCA)處理數(shù)據(jù)，評估鐵還原與有機(jī)碳分解的關(guān)聯(lián)。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1. Fe(II)和Fe(III)含量變化：來自Fig. 1，數(shù)據(jù)顯示岳陽土壤鐵還原更徹底，F(xiàn)e(II)比例高，研究意義在于表明鐵還原程度與土壤類型相關(guān)，影響有機(jī)碳分解速率。

 

2. 溶解氧(DO)濃度：來自Fig. 2，使用Unisense電極測量，數(shù)據(jù)顯示岳陽土壤DO較低，研究意義在于DO反映氧化還原狀態(tài)，低DO促進(jìn)厭氧條件，增強(qiáng)鐵還原和微生物活動。

 

3. DOC濃度變化：來自Fig. 3，數(shù)據(jù)顯示岳陽土壤DOC增加更顯著，研究意義在于DOC增加表明有機(jī)碳溶解，與鐵還原過程耦合，促進(jìn)碳分解。

 

4. 銨和硝酸鹽濃度：來自Fig. 4，數(shù)據(jù)顯示氮礦化與碳分解同步，研究意義在于氮轉(zhuǎn)化反映有機(jī)質(zhì)礦化，受鐵還原影響。

 

5. CH4和CO2排放：來自Fig. 5，數(shù)據(jù)顯示岳陽土壤氣體排放更高，研究意義在于直接量化有機(jī)碳分解為溫室氣體，鐵還原刺激分解過程。

 

6. 還原物質(zhì)含量：來自文本描述，數(shù)據(jù)顯示Fe(II)是主要還原物質(zhì)，研究意義在于證實鐵還原主導(dǎo)還原環(huán)境，驅(qū)動碳轉(zhuǎn)化。

 

結(jié)論：

1. 鐵還原促進(jìn)淹水土壤有機(jī)碳分解，岳陽土壤鐵還原更徹底，有機(jī)碳分解更多。

2. Fe(II)含量與DOC、CO2排放正相關(guān)，表明鐵還原刺激有機(jī)碳礦化。

3. 鐵還原是淹水土壤碳循環(huán)的關(guān)鍵過程，受土壤鐵含量和氧化還原條件影響。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense電極（Ox100微電極）測量溶解氧(DO)，數(shù)據(jù)來自Fig. 2。研究意義在于提供高精度、實時的氧化還原狀態(tài)數(shù)據(jù)，直接捕捉淹水土壤中的氧動態(tài)。DO測量顯示岳陽土壤DO較低，表明厭氧條件更強(qiáng)，從而促進(jìn)鐵還原菌活動和有機(jī)碳分解。這種測量幫助量化環(huán)境條件對微生物過程的影響，證實低DO是鐵還原和碳分解的驅(qū)動因素，增強(qiáng)了實驗的可靠性和機(jī)制理解。