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)與利用湖北省重點實驗室,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)與利用湖北省重點實驗室,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)變過程中土壤活性鐵氧化對土壤有機(jī)碳固持的影響。結(jié)果表明，整個培養(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

水稻土是我國重要的農(nóng)業(yè)耕作土壤。據(jù)統(tǒng)計，我國水稻種植面積為2 860萬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，我國南方水稻土的固碳潛勢為6.7～15.3 Mg/hm2，對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，我國中南部地區(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[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)耦合過程對土壤有機(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，在土壤干濕交替過程中，土壤中的活性鐵氧化物會發(fā)生激烈的氧化還原反應(yīng)，必定會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。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于水稻土中異化鐵還原對土壤礦化的影響已有較多的研究和報道，大多數(shù)研究已證實土壤中的鐵氧化物參與異化鐵還原過程對于維持土壤有機(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程中對土壤有機(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水稻土CO2排放的影響，擬揭示水分轉(zhuǎn)變過程中土壤活性鐵氧化對土壤有機(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(簡稱QR)。2個采樣點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”形布點采集0～20 cm耕層土壤，自然風(fēng)干后過1 mm篩備用。采樣點土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

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)過程中，設(shè)置添加FeCl2(Fe2+)和空白對照(CK)2個處理。FeCl2添加量為6 mmol/kg。1 L玻璃瓶裝200 g風(fēng)干土，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。正式試驗前，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乙酸鈉作為補充碳源，繼續(xù)培養(yǎng)41 d。

1.3 測定項目及方法

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)測定土壤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，每天測定CO2排放通量及累積排放量。單位時間內(nèi)土壤CO2濃度的變化率用氣相色譜儀測定(Agilent 6890，美國)，CO2排放通量計算參考文獻(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2種水稻土Fe3+含量的影響

整個培養(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?？傮w上，整個培養(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下降趨勢。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)。對于XR土壤來說，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%。對于QR土壤來說，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，對于XR來說，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，培養(yǎng)30 d時達(dá)到峰值，為29.48 mg/(kg·d)；Fe2+處理CO2排放通量相對比較平緩，沒有較大的波動，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%。對于QR來說，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，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，土壤在淹水條件下，DOC與鐵離子的結(jié)合可通過配位交換、多價陽離子橋和弱鍵膠結(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，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程對土壤有機(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)動或參與調(diào)節(jié)環(huán)境中Fe2+的氧化，鐵氧化細(xì)菌對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，鐵氧化過程對土壤呼吸表現(xiàn)出截然不同的效應(yīng)，即淹水時抑制土壤呼吸，而落干時促進(jìn)土壤呼吸。表明土壤活性鐵在不同氧化過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%；但在整個干濕交替過程中，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程有助于維持土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定，特別是對我國南方的紅壤具有更高的固碳減排的潛力。

[1] 王明星.中國稻田甲烷排放[M].北京:科學(xué)出版社,2001:6-10.

[2] Yan X,Zhou H,Zhu Q H,etal.Carbon sequestration efficiency in paddy soil and upland soil under long-term fertilization in southern China[J].Soil & Tillage Research,2013,130(6):42-51.

[3] Li C S,Qiu J J,Frolking S,etal.Reduced methane emissions from large-scale changes in water management of China's rice paddies during 1980—2000[J].Geophysical Research Letters,2002,29(20):331-334.

[4] Borken W，Matzner E.Reappraisal of drying and wetting effects on C and N mineralization and fluxes in soils [J].Global Change Biology,2009,15(4):808-824.

[5] Ratering S,Schnell S.Localization of iron-reducing activity in paddy soil by profile studies[J].Biogeochemistry,2000,48(3):341-365.

[6] Qu D,Ratering S,Schnell S.Microbial reduction of weakly crystalline iron(Ⅲ) oxides and suppression of methanogenesis in paddy soil [J].Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology,2004,72(6):1172-1181.

[7] Zhou S G,Xu J L,Yang G Q,etal.Methanogenesis affected by the co-occurrence of iron(Ⅲ) oxides and humic substances[J].FEMS Microbiology Ecology,2014,88(1):107-120.

[8] Hu R G,Hatano R,Kusa K,etal.Soil respiration and net ecosystem production in an onion field in central Hokkaido,Japan[J].Soil Science and Plant Nutrition,2004,50:27-33.

[9] Lovley D R,Holmes D E,Nevin K P.Dissimilatory Fe (Ⅲ) and Mn(Ⅳ)reduction[J].Advances in Microbial Physiology,2004,55(2):259-287.

[10] Clément J C,Shrestha J,Ehrenfeld J G,etal.Ammonium oxidation coupled to dissimilatory reduction of iron under anaerobic conditions in wetland soils[J].Soil Biology and Biochemistry,2005,37(12):2323-2328.

[11] K?gel-Knabner I,Amelung W,Cao Z H,etal.Biogeochemistry of paddy soils[J].Geoderma,2010,157(1/2):1-14.

[12] Hanke A,Cerli C,Muhr J,etal.Redox control on carbon mineralization and dissolved organic matter a long a chronosequence of paddy soils[J].European Journal of Soil Science,2013,64(4):476-487.

[13] Oades J M.The retention of organic matter in soils[J].Biogeochemistry,1988,5(1):35-70.

[14] 曲東,張一平,Schnell S,等.添加氧化鐵對水稻土中H2、CO2和CH4形成的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003，14(8):1313-1316.

[15] Peng Q A,Shaaban M,Hu R G,etal.Effects of soluble organic carbon addition on CH4and CO2emissions from paddy soils regulated by iron reduction processes[J].Soil Research,2015,53(3):316-324.

[16] Neubauer S C,Emerson D,Megonigal J P.Life at the energetic edge:Kinetics of circumneutral iron oxidation by lithotrophic iron-oxidizing bacteria isolated from the wetland-plant rhizosphere[J].Applied and Environmental Microbiology,2002,68(8):3988-3995.

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)與利用湖北省重點實驗室開放基金項目(PJS12001)；武漢紡織大學(xué)大學(xué)生實踐創(chuàng)新項目(201607101)

陳凌玉(1996-)，女，湖南益陽人，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