陆地生态系统土壤铁结合态有机碳:含量、分布与调控

土壤是陆地生态系统最大的有机碳库,其有机碳储量超过植被和大气碳库的总和.铁氧化物的矿物保护被认为是土壤有机碳长期稳定性的关键机制之一.铁氧化物具有比表面积大、吸附能力强的特点,且在热带和亚热带地区含量丰富.然而,目前关于陆地生态系统土壤铁结合态有机碳占土壤总有机碳的比例(f_(Fe-OC))及其分布格局和调控机制仍不明晰.本文整理了已报道的陆地生态系统351组土壤f_(Fe-OC)数据,分析了其在不同土层、生态系统、气候带的分布格局和受气候、土壤、矿物因子的调控机制.结果表明:(1)陆地生态系统土壤f_(Fe-OC)平均为21.9%,且深层土f_(Fe-OC)(37.5%)显著高于表层土(15.4%,P<0.01).(2)土壤平均f_(Fe-OC)在不同生态系统表现为:湿地(24.5%)>草地(16.2%)>森林(14.9%)>农田(14.8%),贫氧生态系统(24.2%)显著高于有氧生态系统(15.7%,P<0.01).土壤平均f_(Fe-OC)在不同气候带呈现出热带/亚热带(23.7%)>寒带(21.9%)>温带(20.2%)>高原带(16.6%)的规律.(3)陆地生态系统土壤f_(Fe-OC)主要受土壤深度的影响,且不同土层的调控机制不同:表层土f_(Fe-OC)主要受无定形态铁和有机络合态铁含量的影响,而深层土f_(Fe-OC)主要受土壤pH和土壤质地(黏粒、粉粒和砂粒含量)的影响.本研究结果为进一步认识陆地生态系统黏土矿物对土壤有机碳的保护机制提供了理论依据.

闽江河口湿地围垦稻田对土壤铁碳结合特征的影响

土壤铁氧化物结合态有机碳是有机碳长期维持的主要途径,但其机理研究仍较为薄弱。为探究河口湿地围垦稻田对土壤铁碳结合特征的影响,本研究选择福建省闽江河口天然芦苇湿地与围垦稻田为研究对象,对两种类型土壤中的铁结合态有机碳(Fe-OC)及其相关指标进行测定与分析。结果显示:①芦苇湿地围垦稻田改变了土壤氧化还原过程,显著影响土壤中铁相的转化。围垦后土壤二价铁[Fe(Ⅱ)]、三价铁[Fe(Ⅲ)]、活性总铁含量(HCl-Fe_(t))及Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)分别显著下降了24.68%、52.56%、51.45%、35.68%(P<0.05)。游离态氧化铁(Fe_(d))与无定形态铁(Fe_(o))含量分别显著下降了21.64%和29.24%(P<0.05),络合态铁(Fe_(p))含量则有所增加。②芦苇湿地围垦稻田显著影响土壤碳固存,Fe-OC与土壤有机碳含量(SOC)在围垦稻田后分别显著下降了39.03%和18.42%(P<0.05);芦苇湿地与稻田土壤Fe-OC均主要以吸附途径结合,稻田土壤Fe-OC对土壤有机碳的贡献率(fFe-OC)显著高于芦苇湿地(P<0.05)。③土壤全氮、含水量、电导率、铁以及土壤有机碳、溶解性有机碳与Fe-OC呈显著正相关(P<0.01)。本研究可为退耕还湿、土壤碳增汇提供科学参考。

有机电子供体影响下硝酸盐和铁对磷转化的驱动作用

磷是湖泊的关键生源要素,其转化受多种生物化学反应的驱动。在富营养化后期,藻类在厌氧条件下衰败所产生的乙酸盐可作为反硝化过程的有机电子供体,铁可作为反硝化过程的电子供体和能量来源,它们会通过影响氮的转化而直接或间接对磷转化产生影响。本研究取武汉市墨水湖的样品构建了沉积物-上覆水体系,通过向上覆水中输入硝酸盐、铁和乙酸盐以探明有机电子供体(乙酸盐)影响下铁和氮对磷转化的驱动作用。在不同乙酸盐浓度下,研究上覆水和间隙水中氮、磷与铁质量浓度随时间的变化,确定沉积物中反硝化酶活性与硝酸盐型亚铁氧化菌(NDFOB)丰度,分析沉积物中的磷形态以明晰铁结合态磷的存在形式。结果表明,(1)乙酸盐增加了沉积物中NDFOB丰度和反硝化酶活性,使硝态氮(NO_(3)^(−)-N)去除效率提高22.6%。(2)总磷(TP)浓度与总铁(TFe)浓度之间显著正相关(P=0.001),易还原铁氧化物(Fe_(ox1))和可还原铁氧化物(Fe_(ox2))是沉积物中对磷吸附能力最强的铁形态,占沉积物总铁质量的43.8%-54.1%。(3)乙酸盐促进了沉积物中Fe(Ⅲ)的还原,由于沉积物中Fe_(ox1)和Fe_(ox2)还原作用而产生较高质量分数Fe(Ⅱ),铁结合态磷质量分数明显降低。(4)最终沉积物中易还原铁结合态磷(P-Fe_(ox1))质量分数比NO_(3)^(−)处理组低0.250 mg·g^(−1),同时乙酸盐抑制沉积物中Fe_(ox2)生成过程,可还原铁结合态磷(P-Fe_(ox2))质量分数比NO_(3)^(−)处理组低0.010 mg·g^(−1),上覆水和间隙水总磷浓度显著高于NO_(3)^(−)处理组(P=0.000)。研究结果通过明确不同介导作用下沉积物磷与铁结合形式的转变,有助于加深对湖泊内源污染理论的认识。

凋落物输入对木荷林土壤微团聚体有机碳及其化学结合形态的影响

[目的]探究地上凋落物、地下根系和菌根输入对红壤恢复林地土壤微团聚体的影响,为退化地进行森林恢复后土壤功能重建和生态系统碳循环提供依据。[方法]以亚热带红壤侵蚀退化地恢复形成的典型阔叶林分木荷纯林为研究对象,设置无凋落物(CT)、菌根(M)、根系+菌根(RM)、地上+地下凋落物(LRM)和地上凋落物加倍(DLRM)5种输入处理,对土壤微团聚体组成、有机碳及其化学结合形态进行分析。[结果]木荷恢复林土壤微团聚体质量百分比、有机碳、钙键结合态有机碳(Ca-SOC)、铁铝键结合态有机碳[Fe(Al)-SOC]和Ca-SOC/SOC在不同处理间均无显著差异(p>0.05);相对于CT,LRM处理使20~50μm和50~200μm粒级微团聚体Fe(Al)-SOC/SOC分别降低了40.06%和46.67%(p<0.05)。土壤微团聚体质量百分比、有机碳、Ca-SOC和Fe(Al)-SOC均随粒级的增大而减小,有机碳及结合态有机碳趋于在较小粒级的微团聚体颗粒组(<20μm)中富集。微团聚体Ca-SOC含量(0.55~1.28 g/kg)远低于Fe(Al)-SOC含量(6.88~13.34 g/kg),但其在不同粒级中的变化幅度大于Fe(Al)-SOC;Ca-SOC/SOC(1.54%~3.44%)亦小于Fe(Al)-SOC/SOC(16.75%~42.54%)。微团聚体质量百分比、有机碳、Ca-SOC和Fe(Al)-SOC两两之间呈极显著正相关关系(r=0.497~0.757,p<0.01)。[结论]木荷恢复林土壤微团聚体及其有机碳受粒级的影响,对地上凋落物、地下根系和菌根的短期输入有所响应,但未达到显著水平,需要在更长的时间尺度上开展研究。

东海特定海区表层沉积物中磷的形态、分布及其环境意义

对国家海洋局第二海洋研究所 1 998年 5月调查过程中采集的长江口外东海特定海区表层沉积物综合运用了EDEX、ASPILA和李悦方法进行了系统的总磷及其磷赋存形态分析。把磷分为 5种赋存形态 :吸附态、铁结合态、钙结合态、碎屑态和有机态。同时 ,结合其他沉积物性质和化学组分以及海水环境特征 ,讨论了磷的地球化学特征及其环境意义。研究表明 ,表层沉积物中总磷 (TP)、有机磷 (OP)和铁结合态磷 (Fe P)的含量主要受控于物质来源 ;吸附态磷 (Ad P)与Fe P和OP同属于沉积物中生物可利用磷范畴 ,其在沉积物中的循环主要与铁氧化物有关 ,钙结合态磷 (Ca P)

铁对海洋沉积有机碳保存的影响及其碳汇意义

海洋沉积物是地球表层系统中最大的有机碳库.铁(Fe)作为海洋地球化学循环的重要元素,深刻影响海洋生态及碳循环.深入分析铁对海洋沉积有机碳保存的影响,对碳的生物地球化学过程和气候变化研究具有重要的意义.本文在总结铁结合有机碳含量与结构表征方法的基础上,从活性铁矿物(铁氧化物和铁硫化物)对有机碳的选择性保存和铁的氧化还原过程两方面论述了铁对海洋沉积有机碳保存的影响机制,发现沉积有机碳的选择性保存受不同活性铁矿物和有机碳类型及官能团的影响,而铁的氧化还原过程对有机碳的保存和降解具有双重作用.在此基础上,基于不同海洋环境中铁结合态有机碳的沉积记录,阐述了铁对沉积有机碳的长期保存作用和碳汇意义.未来在寻求更有效的活性铁提取方法的基础上,应持续关注不同官能团和海洋沉积环境对有机碳选择性保存的影响,并重视微生物的介导作用,揭示铁对有机碳长期埋藏保存的影响机理,发掘其在碳增汇中的应用潜力,以更好地发挥海洋碳汇在碳中和目标实现中的巨大作用.

种养凤眼莲条件下pH值对底泥中不同形态磷释放的影响

[目的]种养凤眼莲条件下,通过定期调节上覆水pH值,对底泥中不同形态磷释放的趋势进行研究,为凤眼莲生态修复技术的更广范应用提供科学依据。[方法]采用圆柱型聚氯乙烯(PVC)桶模拟法,通过84 d种养凤眼莲模拟试验,研究底泥中不同形态磷的消减趋势及其对总磷释放的贡献。[结果]凤眼莲生长条件下,随pH值升高底泥总磷释放量呈增加趋势,上覆水总磷浓度减少量呈降低趋势。在弱酸性和中性偏碱条件下,凤眼莲吸收磷是底泥释放磷素的主要去向,分别占底泥总磷释放量的58.9%和69.7%。其中:弱酸性条件下,铁锰螯合态磷(BD-P)是对底泥总磷释放贡献最大的磷形态;中性偏碱条件下,铁铝氧化物结合态磷(NaOH-rp)和聚磷酸盐(NaOH-nrp)是对底泥总磷释放贡献较高的磷形态。而碱性条件下,不同形态磷对底泥总磷释放均呈正贡献,其中:钙磷(HCl-P)和活性磷(NH4Cl-P)对总磷释放的贡献较其他不同形态磷最小。[结论]本试验条件下,提高上覆水pH值对促进太湖底泥总磷的释放效果较为显著。碱性条件下,各磷形态对总磷释放均表现为正贡献;而弱酸性和中性偏碱条件下,不同形态磷对总磷释放的贡献存在差异。

黄河中下游流域典型湿地沉积物中不同形态磷的分布特征

为探讨黄河中下游流域典型湿地沉积物中不同形态磷的分布特征,选择河南省新乡市陈桥湿地中11种具有代表性的样地(4种为核心区,7种为缓冲区)作为研究对象,对各样地不同土层不同形态磷的分布特征进行了分析。结果表明,11种样地沉积物中各形态无机磷含量表现为铁铝结合态磷>钙结合态磷>可还原态磷>弱吸附态磷;核心区沉积物中弱吸附态磷的平均含量为3.5 mg/kg、可还原态磷的平均含量为11.6 mg/kg、铁铝结合态磷的平均含量为276.9 mg/kg、钙结合态磷的平均含量为165.2 mg/kg,缓冲区沉积物中弱吸附态磷的平均含量为3.4 mg/kg、可还原态磷的平均含量为8.6 mg/kg、铁铝结合态磷的平均含量为255.7 mg/kg、钙结合态磷的平均含量为203.9 mg/kg;弱吸附态磷大部分集中在沉积物浅层,还原态磷和铁铝结合态磷大部分集中在沉积物深层,而钙结合态磷在沉积物浅层和深层均匀分布。

微生物介导的高砷沉积物中砷释放来源性分析

江汉平原某些地区地下水已受到砷的严重污染,探讨高砷地下水的形成机制十分必要。采集江汉平原高砷区不同深度(20m、50m、100m、130m、160m和225m)的高砷沉积物样品,对其进行了地球化学成分特征分析,并通过实验室模拟试验对微生物介导的高砷沉积物中砷的溶解与转化以及来源进行了分析。地球化学分析表明:高砷沉积物中不可溶性砷和铁的平均含量分别为27.57mg/kg和21.06g/kg;实验室模拟试验表明:微生物群落可以明显促进高砷沉积物中不可溶性砷和铁的溶解与释放;砷顺序提取试验结果表明:沉积物中34.5%的不可溶性砷为无定形铁锰氧化物结合态砷;进一步的相关性分析表明:试验体系中可溶性砷的含量与沉积物中无定形铁锰氧化物结合态砷密切相关。这些结果表明:微生物可以促进高砷沉积物中不可溶性砷的溶解与释放,且释放的砷主要来自于沉积物中无定形铁锰氧化物的还原与溶解。