干湿交替条件下铁氧化对水稻土CO2排放的影响

陈凌玉，刘 飞，赵双娇，李朋相，丁冠宇，石 旭，彭其安*

(1.武陵山区特色资源植物种质保护与利用湖北省重点实验室,湖北 武汉 430074；2.武汉纺织大学 环境工程学院，湖北 武汉 430073)

干湿交替条件下铁氧化对水稻土CO2排放的影响

陈凌玉1,2，刘 飞2，赵双娇2，李朋相2，丁冠宇2，石 旭2，彭其安1,2*

(1.武陵山区特色资源植物种质保护与利用湖北省重点实验室,湖北 武汉 430074；2.武汉纺织大学 环境工程学院，湖北 武汉 430073)

以湖北省2种典型水稻土[咸宁市的中稻-冬闲水稻土(第四世纪红壤，XR)和潜江市的中稻-冬闲水稻土(钙质潮土，QR)]为材料，研究土壤干湿交替条件下[土壤落干(孔隙含水率55%)到完全淹水(土水比1∶1)]添加Fe2+对土壤Fe3+、可溶性有机碳(DOC)含量及CO2排放的影响，拟揭示水分转变过程中土壤活性铁氧化对土壤有机碳固持的影响。结果表明，整个培养期间，与CK(不添加Fe2+)相比，添加Fe2+促进了XR和QR土壤中活性铁的氧化，XR和QR土壤中Fe3+平均含量分别较CK提高了133.87%和 95.66%。落干期间，与CK 相比，添加Fe2+促进了CO2的排放，XR和QR土壤CO2累积排放量分别增加了59.77%和124.48%;促进了土壤DOC的积累，XR和QR土壤DOC平均含量分别提高了42.57%和23.71%。淹水期间，与CK 相比，添加Fe2+抑制了CO2的排放，XR和QR土壤CO2累积排放量分别降低了54.03%和35.27%；培养前期促进了土壤DOC的积累，培养后期抑制了土壤DOC含量的积累，总体上XR土壤DOC平均含量降低了35.29%，QR土壤DOC含量提高了16.59%。整个培养期间，添加Fe2+后，XR和QR土壤CO2累积排放量分别降低了43.87%和22.14%。综上，我国南方富含铁氧化物的红壤具有更高的固碳减排潜力。

干湿交替； 水稻土； 铁氧化； 可溶性有机碳； CO2排放量

水稻土是我国重要的农业耕作土壤。据统计，我国水稻种植面积为2 860万hm2，约占世界水稻总种植面积的20%[1]。稻田生态系统具有较好的固碳潜势，我国南方水稻土的固碳潜势为6.7～15.3 Mg/hm2，对于抵消和延缓全球大气CO2浓度增加具有重要作用[2]。近30 a来，我国中南部地区常采取水旱轮作模式种植水稻，在水稻种植期间的灌溉、晒田等农艺措施显著降低了稻田甲烷排放通量[3]。但这种频繁的干湿交替过程中土壤有机质的分解和转化规律仍未形成统一的认识[4]。一方面，不同作物种植方式、不同气候等条件下的土壤样本确实存在较大差异；另一方面，即便是同一地区、相同种植模式的不同母质土壤，由于其母质中某些矿质元素(如Fe、Mn和S等)和土壤结构等的差异，其参与的土壤碳、氮循环耦合过程对土壤有机碳矿化贡献也较难确定。当前，土壤微生物驱动的矿质元素生物地球化学循环已成为土壤科学领域的研究热点之一。

铁作为地壳中第四大元素，在土壤中具有较高的丰度，铁、碳、氮、硫循环等在土壤生态环境中扮演重要角色。例如，在土壤干湿交替过程中，土壤中的活性铁氧化物会发生激烈的氧化还原反应，必定会影响土壤氧化还原条件，改变土壤生物呼吸类型，进而调节土壤有机质的转化途径。国内外学者关于水稻土中异化铁还原对土壤矿化的影响已有较多的研究和报道，大多数研究已证实土壤中的铁氧化物参与异化铁还原过程对于维持土壤有机质稳定具有重要作用[5-7]。然而，铁氧化在频繁干湿交替过程中对土壤有机质转化和累积的影响还有待于进一步明确。为此，在室内条件下控制一定的因素，探讨干湿交替条件下铁氧化对水稻土CO2排放的影响，拟揭示水分转变过程中土壤活性铁氧化对土壤有机碳固持的影响，为制定农田温室气体减排措施提供参考。

1 材料和方法

1.1 采样点概况

供试土壤采自湖北省咸宁市横沟镇附近(114°39′408″E、29°86′222″N)和湖北省潜江市西大垸农场附近(112°43′26″E、30°11′45″N)。咸宁市的土壤母质为第四纪红壤，土地利用方式为中稻-冬闲(简称XR)；潜江市的土壤母质为钙质潮土，土地利用方式为中稻-冬闲(简称QR)。2个采样点均属于亚热带大陆性季风气候，降雨量集中在4—9月，约占全年总降雨量的70%。采用“S”形布点采集0～20 cm耕层土壤，自然风干后过1 mm筛备用。采样点土壤基本理化性质见表1。

表1 土壤基本理化性质

1.2 试验设计

在土壤落干(即孔隙含水率为55%)到完全淹水(土水比为1∶1)的培养过程中，设置添加FeCl2(Fe2+)和空白对照(CK)2个处理。FeCl2添加量为6 mmol/kg。1 L玻璃瓶装200 g风干土，每个处理设置3个重复。正式试验前，土壤预培养3周，然后在落干条件下培养15 d；淹水后，所有处理添加5 mmol/kg乙酸钠作为补充碳源，继续培养41 d。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 培养土样Fe3+及可溶性有机碳(DOC)含量 每2～4 d取1次土样，经0.5 mol/L HCl浸提后，采用邻菲啰啉分光光度法测定Fe3+含量；每2 d取1次土样，用蒸馏水浸提后，用总有机碳/氮分析仪(Vitro，德国)测定土壤DOC含量。

1.3.2 CO2排放通量及累积排放量 用培养瓶密闭培养2 h后，每天测定CO2排放通量及累积排放量。单位时间内土壤CO2浓度的变化率用气相色谱仪测定(Agilent 6890，美国)，CO2排放通量计算参考文献[8]，公式如下。

F=ρ×(V/W)×(ΔC/Δt)×273/(T+273)×α

式中，F为CO2排放通量；ρ为 CO2标准状况下的密度；V为培养瓶体积；W为风干土质量；ΔC/Δt表示单位时间内CO2浓度的变化率；T是培养温度(℃)；α是CO2换算成C的转换因子(α=12/44)。

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS 16软件进行方差分析和相关性分析，利用Origin 8.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 添加Fe2+对2种水稻土Fe3+含量的影响

整个培养期间，添加Fe2+促进了土壤活性铁的氧化 (图1)。落干期间，XR土壤中CK Fe3+平均含量为1.64 mg/g，Fe2+处理Fe3+平均含量为2.52 mg/g;QR土壤中CK Fe3+平均含量为3.10 mg/g，Fe2+处理Fe3+平均含量为4.86 mg/g。淹水期间，2种土壤铁氧化反应依然较强，XR土壤中CK Fe3+平均含量为1.49 mg/g，Fe2+处理Fe3+平均含量为4.80 mg/g；QR土壤中CK Fe3+平均含量为4.05 mg/g，Fe2+处理Fe3+平均含量为9.13 mg/g。总体上，整个培养期间，添加Fe2+使XR和QR土壤中Fe3+平均含量分别较CK提高了133.87%和 95.66%。

图1 2种水稻土Fe3+含量变化情况

2.2 铁氧化对2种水稻土DOC含量的影响

由2.1分析可知，添加Fe2+促进了土壤活性铁的氧化，而铁氧化调节了土壤DOC含量(图2)。落干期间，Fe2+处理DOC含量整体上高于CK，XR土壤中CK和Fe2+处理DOC平均含量分别为51.37 mg/kg和73.24 mg/kg,Fe2+处理较CK增加了42.57%；QR土壤中CK和Fe2+处理DOC平均含量分别为60.64 mg/kg和75.02 mg/kg，Fe2+处理较CK增加了23.71%。淹水促进了土壤DOC的积累(尽管初期补充了一定碳源，但淹水后1周内DOC含量仍然不断增加)。值得注意的是，落干期2种土壤Fe2+处理DOC含量均高于CK，但淹水后期(41 d后)CK均高于Fe2+处理。在整个淹水期间，XR土壤中CK和Fe2+处理DOC平均含量分别为208.45 mg/kg和134.88 mg/kg，Fe2+处理较CK降低了35.29%；而QR土壤中CK和Fe2+处理DOC平均含量分别为157.84 mg/kg和184.02 mg/kg，Fe2+处理较CK增加了16.59%。表明厌氧铁氧化对不同母质土壤DOC含量的调节存在一定差异。

图2 2种水稻土DOC含量变化情况

2.3 铁氧化对2种水稻土CO2排放量的影响

添加Fe2+促进了土壤活性铁的氧化，而铁氧化调节了土壤CO2排放通量(图3—4)。

2.3.1 落干期间 由图3可知，落干期间，XR与QR土壤的CO2排放通量总体呈波动下降趋势。与CK相比，2种土壤经Fe2+处理后CO2排放通量和累积排放量均增加(图3—4)。对于XR土壤来说，落干期间，CK和Fe2+处理CO2排放通量的峰值均出现在培养1 d，分别为5.51 mg/(kg·d)和10.07 mg/(kg·d)，CO2排放通量均值分别为4.05 mg/(kg·d)和6.47 mg/(kg·d)；累积排放量分别为60.77 mg/kg和97.09 mg/kg，Fe2+处理较CK增加了59.77%。对于QR土壤来说，落干期间，CK和Fe2+处理CO2排放通量的峰值也均出现在培养1 d，分别为7.50 mg/(kg·d)和30.56 mg/(kg·d)，CO2排放通量均值分别为3.00 mg/(kg·d)和6.74 mg/(kg·d)；累积排放量分别为45.06 mg/kg和101.15 mg/kg，Fe2+处理较CK增加了124.48%。

2.3.2 淹水期间 由图3—4可知，淹水期间，对于XR来说，Fe2+处理CO2的排放通量和累积排放量总体上均低于CK。其中，CK CO2排放通量总体上呈现先升高后降低的趋势，培养30 d时达到峰值，为29.48 mg/(kg·d)；Fe2+处理CO2排放通量相对比较平缓，没有较大的波动，最大值为11.43 mg/(kg·d)。淹水期间，CK和Fe2+处理CO2累积排放量分别为620.34 mg/kg和285.20 mg/kg，Fe2+处理较CK降低了54.03%。对于QR来说，Fe2+处理CO2排放通量和累积排放量总体上均低于CK。其中，CK CO2排放通量在培养32 d时达到峰值，为19.84 mg/(kg·d)，Fe2+处理CO2排放通量在培养16 d时最高，为14.32 mg/(kg·d)。淹水期间， CK和Fe2+处理CO2累积排放量分别为503.23 mg/kg和325.76 mg/kg，Fe2+处理较CK降低了35.27%。

整个培养期(1～56 d)，XR土壤CK和Fe2+处理CO2累积排放量分别为681.11 mg/kg和382.29 mg/kg，而QR土壤分别为548.29 mg/kg 和426.91 mg/kg，Fe2+处理XR和QR土壤CO2累积排放量较CK分别降低了43.87%和22.14%。

图3 2种水稻土CO2排放通量变化情况

图4 2种水稻土CO2累积排放量变化情况

3 结论与讨论

前人研究表明，铁循环过程在水稻土壤、沉积物以及自然湿地等环境中构成了铁-碳-氮等元素的生物地球化学耦合循环的关键环节[9-10]。故推测，土壤活性铁的存在极可能是维持土壤有机质稳定的关键因素之一。有研究证实，土壤在淹水条件下，DOC与铁离子的结合可通过配位交换、多价阳离子桥和弱键胶结等物理、化学的缔合促进土壤铁-碳稳定性复合物形成[11-12]，酸性黏土的这种固碳效应尤为显著[13]。曲东等[14]研究表明，土壤在淹水等厌氧条件下添加无定形氧化铁能显著抑制水稻土中甲烷的形成，并导致有机碳的转移发生变化。

本研究结果表明，在落干土壤中添加外源Fe2+时，2种土壤的DOC含量均高于CK，表明外源Fe2+有利于土壤中DOC的释放，促进了土壤CO2排放；但淹水后期，外源Fe2+能明显抑制土壤CO2排放，且对第四纪红壤(XR)DOC的抑制效应更为明显。值得注意的是，尽管XR土壤中Fe3+含量比钙质潮土(QR)低，但对土壤DOC含量的影响却更为明显。很可能是因第四纪红壤中黏粒含量较高，淹水后铁氧化-还原过程更有利于形成稳定的铁-碳复合体[15]。本研究揭示了不同水分条件下红壤的铁氧化过程对土壤有机碳固持具有重要作用。

研究表明，铁氧化细菌可以直接驱动或参与调节环境中Fe2+的氧化，铁氧化细菌对湿地土壤中铁的生物氧化贡献达50%～60%[16]。在本研究中，淹水后由于微生物的激发效应，2种土壤的呼吸均明显增加，铁氧化过程对土壤呼吸表现出截然不同的效应，即淹水时抑制土壤呼吸，而落干时促进土壤呼吸。表明土壤活性铁在不同氧化过程能直接影响土壤有机质矿化效率。本研究结果表明，好氧铁氧化提高XR和QR 土壤CO2累积排放量59.77%和124.48%；但在整个干湿交替过程中，外源铁氧化降低XR和QR土壤 CO2累积排放量43.87%和22.14%。

总体而言，土壤中活性铁氧化过程有助于维持土壤有机质稳定，特别是对我国南方的红壤具有更高的固碳减排的潜力。

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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

湖北省教育厅中青年人才项目(164016)；武陵山区特色资源植物种质保护与利用湖北省重点实验室开放基金项目(PJS12001)；武汉纺织大学大学生实践创新项目(201607101)

陈凌玉(1996-)，女，湖南益阳人，在读本科生，研究方向：环境微生物。E-mail：657088288@qq.com

*通讯作者：彭其安(1981-)，男，湖北潜江人，讲师，博士，主要从事农田生态系统碳、氮循环研究。 E-mail：pqa2002_@163.com

X511

A

1004-3268(2017)08-0072-05