氧化铁纳米粒子对土壤呼吸作用的影响研究

孙喆华 汪艳如 柏松

（西南民族大学化学与环境保护工程学院 四川成都 610041）

1 引言

土壤有机碳库是陆地生态系统的最大碳库，在全球碳循环和全球气候变化中起重要作用[1]。研究表明，土壤有机碳库减少0.1%将导致大气CO2浓度相应增加1mg/L；全球土壤有机碳10%转化为CO2，其数量将超过30年来人类CO2的总量排放，并对全球气候变化产生重要影响[2]。在全球气候变暖压力下，如何进一步增加土壤碳蓄积，减少CO2排放，缓解全球气候变暖已成为世界各国关注的焦点。

纳米Fe2O3是广泛应用的磁性材料，在医药、化工、材料、建筑、环境等众多领域的应用日益增多。由于土壤具有磁性，土壤磁场的改变会对其理化性质、微生物和酶活性产生影响[3-4]]。因此，具有磁性的Fe2O3纳米粒子进入土壤生态系统，很有可能通过影响土壤微生物活性，进而影响微生物对土壤有机碳的分解矿化能力，并最终对土壤有机碳库产生一定影响。因此，深入探讨Fe2O3纳米颗粒对土壤分解矿化能力的影响是十分重要的。为此，本项目拟通过室内培养实验，研究Fe2O3纳米粒子对土壤有机碳分解矿化能力的影响，为更好的了解土壤有机碳库变化的机制提供新思路。

2 研究方法

2.1 供试材料与样品采集

纳米α-Fe2O3购买于晶试剂有限公司，纯度99.5%，平均粒径为30nm，形状为球形。供试土样为高山草甸土，采至四川若尔盖高原。土壤样品经风干研磨过2mm筛用于土壤性质和土壤呼吸指标的测定。

2.2 土壤指标测定方法

土壤颗粒组成采用吸管法测定；土壤pH值按水土比为2.5：1制成悬浮液，玻璃电极测定；土壤全N采用半微量开氏法；有机碳含量用重铬酸钾-硫酸氧化外加热法。全P采用酸溶-钼锑抗比色法；土壤呼吸采用土壤CO2原位测定仪测定。

2.3 试验设计

取10g风干土壤于500mL培养瓶中，分别按0，5，10，20，30，40g·kg-1加入纳米Fe2O3，同时以未加纳米Fe2O3的土样作为对照，保持土壤水分为60%田间持水量，置于25℃恒温培养箱中，设置2个重复，分别于1d，3d，5d，7d测定土壤呼吸强度的变化。

3 研究结果

土壤基本性质测定结果见表1和表2，由表1和表2可知，土壤有机碳含量较高，均值在5%以上。

表1 土壤基本理化性质

表2 土壤各粒径组分有机碳含量

Fe2O3纳米粒子对土壤呼吸作用的影响如表3所示，由表3可知，纳米颗粒对土壤呼吸强度具有显著影响。经纳米Fe2O3处理的土壤呼吸强度均高于对照组，说明Fe2O3纳米颗粒有助于增强土壤呼吸作用；另外，纳米Fe2O3对土壤呼吸强度的影响与其加入量密切相关；随着纳米Fe2O3加入量增加，土壤呼吸强度呈先增加后减小的趋势，当加入量为10g/kg时，土壤呼吸作用最强。

表3 土壤呼吸测定结果

值得注意的是，土壤呼吸强度除了与Fe2O3纳米粒子加入量有关外，也受培养时间的影响。由表3可见，培养时间由1天增至7天时，土壤呼吸强度先增加后减小，但总体变化并不明显。Fe2O3纳米粒子对土壤呼吸作用的影响可能与其所具有的磁性有关，因此Fe2O3纳米粒子的磁性可能会对土壤微生物活性有激活作用，从而增强微生物对土壤有机碳的分解能力，增强了土壤呼吸作用，最终导致土壤CO2排放量增加。已有研究表明，在土壤中施加磁性改良剂后转化酶活性提高了34.7%，脲酶、过氧化物酶活性等均有不同程度的提高，土壤的呼吸作用相应增强了2.5倍[5]。由此可见，Fe2O3纳米粒子对土壤有机碳分解矿化作用的影响，很可能部分取决于其磁性，但具体原因有待进一步研究。

4 结语

本研究结果表明，在试验周期内，Fe2O3纳米颗粒可以在一定程度上增强土壤呼吸作用，这可能与Fe2O3纳米粒子所具有的磁性有关。因此，Fe2O3纳米粒子进入土壤中，可能有助于增强土壤有机碳的分解矿化能力，进而导致土壤CO2排放量增加，值得引起重视。

[1]BolinB,DegensET.Theglobalbiogeochemicalcarboncycle[J].Geophysicalresearchletters,2001,(8):555-558.

[2]任军，郭金瑞，边秀芝,等.土壤有机碳研究进展[J].中国土壤与肥料,2009,06:1-7.

[3]DentingJA,LeesJA,WhiteC.Mineralmagneticpropertiesofacid gleyedsoilsunderoakandCorsicanPine[J].Geoderma,1995,68:309-319.

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[5]卢高升,俞劲炎.土壤磁学及其应用研究进展[J].土壤学进展,1991，(5):1-8.