铁铝氧化物纳米粒子对土壤有机碳矿化作用的影响

柏松, 孙喆华, 汪艳如

（西南民族大学化学与环境保护工程学院, 四川 成都 610041）

铁铝氧化物纳米粒子对土壤有机碳矿化作用的影响

柏松, 孙喆华, 汪艳如

（西南民族大学化学与环境保护工程学院, 四川 成都 610041）

目的: 了解纳米Fe2O3和纳米Al2O3颗粒对土壤有机碳分解矿化作用的影响. 方法: 以若尔盖高寒草甸土为研究对象, 采用室内培养实验方法, 测定不同纳米材料对土壤呼吸强度的影响. 结果: 在一个培养试验周期内, 添加Al2O3纳米颗粒后土壤呼吸作用增强, 添加Fe2O3纳米粒子的土壤呼吸作用变化不明显; 随纳米材料加入量增加, 土壤呼吸强度的变化无显著差异; 结论: Al2O3纳米粒子能够一定程度增强土壤有机碳分解矿化作用, Fe2O3纳米粒子对土壤有机碳分解矿化作用的影响不大.

土壤有机碳; 土壤呼吸; 纳米粒子

1 引言

土壤是陆地生态系统最大的碳库, 其表层碳含量约为1500 PgC[1], 是大气碳含量的2倍[2], 土壤碳储量的微小变化对大气中CO2浓度会产生巨大影响. 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, 缓解全球气候变化已成为世界各国关注的焦点. 土壤有机碳矿化是受温度、土壤水分、有机碳含量以及土壤营养状况等诸多因子影响的生物化学过程[3]. 温度升高会加快土壤有机碳的矿化作用, 释放更多的CO2[4]. 土壤有机碳矿化所产生的CO2在很大程度上决定着陆地生态系统的碳源/汇功能[5]. 因此, 深入了解土壤有机碳矿化与全球气候变化之间的反馈作用, 研究土壤有机碳矿化的主要机制及其影响因素对于预测未来全球气候变化具有重要意义.

目前, 大量研究报道了温度、水分、有机碳含量以及土壤中营养状况等诸多因子对土壤有机碳矿化作用的影响[5-6], 但纳米颗粒对土壤有机碳矿化作用的影响尚未报道. 纳米材料的生产、使用和排放不可避免地增加了环境中纳米颗粒的数量, 随着纳米材料的广泛应用, 其对环境的影响也越来越重要, 而纳米材料在土壤环境中的分配、反应、行为、归趋及生态毒理等尚缺乏系统了解, 特别是纳米颗粒进入土壤生态系统后可能对土壤有机碳矿化作用产生怎样的影响, 目前还很不清楚.

纳米Fe2O3和纳米Al2O3是广泛应用的纳米材料, 在医药、化工、材料、建筑、环境等众多领域的应用日益增多[7-9]. 这些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作用, 并最终对土壤有机碳库产生影响. 因此, 深入探讨纳米颗粒对土壤有机碳矿化作用的影响是十分必要的. 为此, 本项目将以若尔盖高寒高山草甸土壤为研究对象, 通过室内培养实验, 研究Fe2O和Al2O3两种纳米粒子对土壤有机碳矿化能力的影响, 为更好的了解土壤有机碳库变化的机制提供科学依据.

2 研究方法

2.1 供试材料与样品采集

供试土壤为高山草甸土, 采至四川若尔盖高原, 为1～30 cm表层土壤. 土壤样品经风干研磨过2 mm筛用于土壤性质和土壤呼吸强度的测定. 纳米Fe2O3和纳米Al2O3购买于晶试剂有限公司. Fe2O3纳米粒子为球形, 纯度99.5%,平均粒径20 nm; Al2O3纳米粒子为球形, 纯度99.9%, 平均粒径50 nm; 上述纳米粒子的SEM图如图2所示.

2.2 土壤指标测定方法

土壤机械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. 土壤全P采用酸溶-钼锑抗比色法; 土壤呼吸采用室内密闭培养法测定.

2.3 试验设计

取3份10 g风干土样于500 mL培养瓶中, 分别按0, 5, 10, 20, 30, 40 g·kg-1加入纳米Fe2O3、Al2O3, 以及Fe2O3和Al2O3纳米颗粒混合物(质量比为1: 1), 同时以未加纳米颗粒的土样为对照, 保持土壤水分为60%田间持水量,置于25℃恒温培养箱中培养一星期, 设置3个重复, 于培养第7 d 测定土壤呼吸强度.

3 结果与讨论

土壤基本性质测定结果见表1, 由表1可见, 供试土样的有机碳含量较高, 其值为7.27%. 另据图1土壤机械组成的分析结果, 供试土样中粘粒、粉砂和沙粒含量分别为23%, 36%和46%, 表明土壤沙粒含量最高. 一般说来, 不同粒径颗粒的土壤有机碳的矿化能力不同, 粘粒最大, 粉砂次之, 砂粒最小. 因此, 本研究供试土壤沙粒含量较高, 表明其有机碳矿化能力较弱.

表1 土壤基本理化性质Tab.1 physiochemical properties of soil tested

图1 供试土壤机械组成图Fig. 1 Mechanical composition of the soil tested

图2 纳米Fe2O3(a)和纳米Al2O3(a)扫描电镜图Fig. 2 SEM image of nanoscale Fe

图3 铁铝氧化物纳米粒子对土壤呼吸的影响Fig. 3 Effect iron and aluminum oxide nanoparticles of on soil respiration“*”表示实验组与对照组存在显著差异(p<0.05)

由图3可见, 在一个培养周期内(7天), 不同纳米颗粒对土壤呼吸强度的影响不同. 经Fe2O3纳米颗粒处理后,土壤呼吸强度与对照组没有显著差异, 说明Fe2O3纳米颗粒对土壤有机碳矿化作用的影响不大; 但值得注意的是, 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[10], 该研究表明具有磁性的纳米粒子可能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. 然而, 在本研究中具有磁性的Fe2O3纳米颗粒对土壤呼吸作用的影响并不明显, 这可能与Fe2O3纳米粒子的磁性较弱有关.

本研究还发现, 经Al2O3纳米颗粒处理的土壤呼吸强度明显增加, 表明Al2O3纳米颗粒对土壤有机碳分解矿化作用有较大影响, 这一结果表明, 纳米材料对土壤有机碳分解矿化能力的影响除了与其磁性有关外, 还受其他因素的影响. 另外, 由图3还可以看出, 随着Fe2O3和Al2O3纳米粒子加入量的增加, 土壤呼吸强度变化亦不明显(图3), 说明纳米材料添加量不是影响土壤有机碳分解矿化的主要因素. 总之, 纳米颗粒进入土壤后将会对土壤有机碳矿化作用产生一定影响, 但其主要的影响因素及其影响机制还有待进一步深入研究.

4 结论

本研究结果表明, 在一个培养试验周期内(7天), Al2O3纳米颗粒能够在一定程度上增强土壤呼吸作用, 而磁性Fe2O3纳米粒子的影响则不大; 纳米材料对土壤有机碳分解矿化能力的影响可能受多方面因素的控制, 其主要影响因素及其影响机制还有待进一步深入研究.

参考文献

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The effect of nanoscale Fe2O3and Al2O3on organic C mineralization in mineral soils

BAI Song, SUN Zhe-hua, WANG Ran-ru
(School of Chemistry and Environmental Protection Engineering, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, P.RC.)

Objective:The effects of nanoscale Fe2O3and nanoscale Al2O3on organic C mineralization in mineral soils were investigated.Methods:With incubation test, the soil was treated by different dosages of nanoscale Fe2O3and Al2O3, and then the soil respiration rate was analyzed.Results:The respiration rate in soil treated with the nanoscale Al2O3was significantly higher than that without treatment in a culture cycle, but respiration rate in soil treated with the nanoscale Al2O3did not change significantly.Conclusion:Nanoscale Al2O3could enhance organic C mineralization in mineral soils.

soil organic carbon; soil respiration; nanoparticle

X1

A

1003-4271(2014)04-0514-04

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.04.08

2014-03-28

柏松(1979-), 男, 贵州贵阳人, 讲师, 研究方向: 区域生态环境演变, E-mail:songbai1240@126.com.

西南民族大学中央高校青年教师基金项目(11NZYQN20)资助.