红壤铁氧化物对有机碳的固定及其对长期施肥的响应*

万 丹, 王伯仁, 张 璐, 张 婷, 陈玖斌, 余光辉, 韩亚峰, 黄巧云**

(1.华中农业大学资源与环境学院/农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室 武汉 430070; 2.天津大学地球系统科学学院天津 300072; 3.中国农业科学院衡阳红壤试验站 衡阳 421001)

土壤有机碳的稳定性更多地取决于其与矿物间的复杂相互作用。铁氧化物由于其巨大的比表面积和高的吸附亲和力, 被认为是土壤有机碳的“锈汇”, 在土壤有机碳固定中起着重要作用。铁氧化物调控土壤有机碳储存的机制主要包括以下几个方面: 1)铁氧化物通过吸附或共沉淀的方式与有机碳结合, 形成矿物有机复合体, 从而降低有机碳的分解速率; 2)促进土壤团聚体的形成, 减少土壤有机碳的生物可利用性; 3)调控土壤微生物群落多样性和组成。研究发现, 耕地土壤中铁氧化物结合态有机碳占土壤总有机碳的比例最高可达31.2%。Jeewani等观察到, 与低铁氧化物含量土壤相比, 铁氧化物含量高的土壤具有较低的小麦(Triticum aestivum)秸秆矿化速率和土壤有机质激发效应, 作者认为其原因主要是铁氧化物结合态有机碳的形成以及较低的有机碳微生物可利用性。非晶形铁氧化物比晶形铁氧化物具有更高的比表面积和更多的表面活性位点, 被认为在土壤有机碳保存中起着更为重要的作用。然而, Coward等发现亚热带森林土壤中短程有序铁氧化物与土壤总有机碳之间并没有显著相关性。此外, Heckman等研究表明, 矿物-有机复合体的稳定性与矿物类型密切相关。因此, 在研究铁氧化物对土壤有机碳储存的贡献时, 除了关注铁含量和有机碳储量间的相关性以及铁氧化物结合态有机碳含量和组成外, 铁氧化物类型及其丰度与土壤有机碳组成和稳定性间的联系也不容忽视。

施肥是维持作物高产和提高或保持土壤有机碳储量的有效措施之一。然而, 研究发现, 施肥会导致土壤中铁氧化物形态发生转变, 比如长期施用有机肥会增加红壤中非晶形铁氧化物含量, 而化肥则导致晶形铁氧化物含量的升高。此外, Wen等指出, 长期施肥会改变红壤中铁还原细菌群落结构,进而影响土壤铁循环。不同类型铁氧化物之间的转化所引起的其结合有机碳的释放及后续的吸附, 可能会促进碳的保存或降解, 从而影响土壤碳循环。然而, 目前关于不同类型铁氧化物对土壤有机碳固定的影响, 以及由施肥所引起的不同类型铁氧化物间的转化会如何影响土壤有机碳的储存还不清楚。为了回答上述问题, 本研究依托中国农业科学院衡阳红壤实验站, 以不同施肥处理(不施肥、单施化肥和单施有机肥)红壤为研究对象, 通过连续提取方法,获得了土壤中不同类型铁氧化物及其结合有机碳,然后使用总有机碳分析仪和紫外-可见光谱技术对其含量和性质进行了表征。研究结果对于深入理解土壤有机碳的稳定机制, 提升红壤肥力, 以及进行红壤的综合利用管理等具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤是2015年11月(冬小麦苗期)采集于中国农业科学院衡阳红壤实验站的红壤, 成土母质为第四纪红土, 是亚热带地区具有富铁铝化特征的一种地带性土壤。衡阳红壤实验站始建于1990年,位于湖南省衡阳市境内(111.87°E, 26.75°N, 海 拔120 m), 属于典型的亚热带季风气候,年均温17.8 ℃,年降水1250 mm, 种植模式为冬小麦-夏玉米(Zea mays)轮作。建站时土壤基本理化性质如下: 土壤总有机碳7.89 g·kg, 总氮1.07 g·kg, pH 5.70 (水土比为2.5∶1), 土壤质地为黏土, 主要黏粒矿物为高岭石。

采集不施肥(CK)、单施化肥(NPK)和单施有机肥(M)处理的表层土壤(0～20 cm), 详细肥料施用量见前人报道。将田间采集的新鲜土样立即置于冰盒中, 并迅速运回实验室, 将其中一部分样品置于4 ℃冰箱保存, 剩余的自然风干后研磨, 过2 mm筛, 在研磨的过程中弃去植物根系和石块。取其中部分过2 mm筛的样品继续研磨, 分别制备过0.25 mm和0.149 mm筛的土壤样品, 将所有过完筛的土样置于干净的干燥器中保存, 以备后续分析。

1.2 土壤理化性质测定和矿物结合态有机质提取

土壤pH在水土比为2.5∶1下用pH计(FiveEasy Plus, 梅特勒-托利多公司, 瑞士)测定; 土壤总有机碳采用元素分析仪(Vario PYRO cube, 元素分析系统公司, 德国)测定; 土壤矿物结合态有机质(MaOM)的提取参照文献[23]进行: 向10 g过2 mm筛的土样中加入30 mL 1.6 g·cm的聚钨酸钠(SPT)溶液,摇均, 振荡(25 ℃、200 r·min) 2 min后静置30 min,5100 g下离心1 h, 弃去上清液, 向残渣中加入30 mL 2.0 g·cm的SPT溶液, 并加入10颗直径6 mm的玻璃珠, 摇匀后, 置于摇床中振荡16 h, 5100 g下离心1 h, 弃去上清液, 残渣用超纯水清洗3次后, 冻干即得到MaOM。

1.3 土壤中不同类型铁氧化物及其结合态有机碳提取

土壤中不同类型铁氧化物及其结合的有机碳提取参照文献[10,12-13]进行, 方法简述如下:

络合铁及其结合态有机碳: 称取0.5 g MaOM置于离心管中, 加入30 mL 0.1 mol·L的焦磷酸钠溶液,摇匀后振荡(25 ℃、180 rpm) 16 h, 40 000 g下离心10 min, 将上清液用0.22 μm滤膜过滤后即可用来测定络合铁(Fe)及其结合态有机碳(OC), 用5 mL超纯水将滤膜上的残留物冲洗回离心管中, 将离心管置于50 °C水浴中蒸干, 称重后用干净的玻璃棒将管内残渣捣碎, 用于下一步提取。

非晶形铁氧化物及其结合态有机碳: 向上一步的离心管中加入30 mL 0.25 mol·L盐酸羟胺-0.25 mol·L盐酸溶液, 摇匀后振荡16 h, 离心, 收集过滤后的上清液即可测定非晶形铁氧化物(Fe)及其结合态有机碳(OC), 随后对滤膜和离心管内残渣进行上一步提取中的操作。

晶形铁氧化物及其结合态有机碳: 向上一步的离心管中加入30 mL 0.0574 mol·L连二亚硫酸钠溶液,摇匀后振荡16 h, 离心, 将过滤后的上清液置于干净的容器中, 向离心管中的残渣中加入10 mL 0.05 mol·L的盐酸溶液, 摇匀后振荡1 h, 离心后, 将上清液与前面的连二亚硫酸钠提取液合并, 即可用来测定晶形铁氧化物(Fe)及其结合态有机碳(OC)。

土壤中不同类型铁氧化物(Fe、Fe和Fe)含量及其结合态有机碳(OC、OC和OC)含量分别用ICP-OES (5110, 安捷伦公司, 美国)和总有机碳分析仪(vario TOC, 元素分析系统公司, 德国)测定。

1.4 紫外-可见光光谱分析

将1.3中提取的铁氧化物结合态有机碳稀释至合适的可溶性有机碳(DOC)浓度后, 用紫外分光光度计(Cary 8454, 安捷伦公司, 美国)采集样品的紫外-可见光吸收光谱, 将样品光谱数据分别扣减对应试剂空白后计算样品的E/E值(样品在250 nm和365 nm处吸光值的比值)、A(样品在260 nm处的吸光度)以及SUVA(样品在254 nm处的吸收系数与DOC的比值), 分别用作样品平均分子量大小、疏水组分比例以及芳香化程度的评价标准。吸收系数按照公式(1)计算得到。

式中: a为吸收系数(m); A为吸光度; L为光路长度(cm), 本文测试中所用的为L=1 cm的石英比色皿(安捷伦公司, 美国)。

1.5 数据处理

分别利用Excel 2018、Origin 2016和SPSS 20进行数据处理、图表制作和统计分析。使用单因素方差分析(ANOVA)结合图基事后检验(post hoc Tukey’s HSD test)进行多重比较(P＜0.05), 在分析前对数据进行了正态分布和方差齐性检查, 并在必要时对数据进行了相应转换。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对土壤pH和总有机碳含量的影响

几种处理的土壤pH如表1所示。单施化肥处理(NPK)比原始土壤(1990年)的pH 5.70下降1.93个单位, 比对照处理(CK)降低1.08个单位(P＜0.05); 而单施有机肥处理(M)的土壤pH较原始土壤提高0.26个单位, 显著高于CK 1.11个单位(P＜0.05)。

表1 长期不同施肥处理的红壤pH和总有机碳含量Table 1 pH and organic carbon content in red soil under different long-term fertilization treatments

经过25年长期施肥后, NPK和M处理土壤的总有机碳含量分别比CK增加34%和136% (P＜0.05)。以1990年土壤初始总有机碳含量7.89 g·kg为基准,计算得到NPK和M处理中, 土壤年均固碳速率分别为0.06 g(C)·kg和0.34 g(C)·kg, 说明红壤施用有机肥比施用化肥具有更强的有机碳固存能力。

2.2 长期施肥对土壤中不同类型铁氧化物含量的影响

图1展示了不同施肥处理红壤中络合铁(Fe)、非晶形铁氧化物(Fe)和晶形铁氧化物(Fe)含量。土壤中的铁氧化物主要以Fe为主, 其次为Fe(CK和NPK处理)或Fe(M处理), 最后为Fe(CK和NPK处理)或Fe(M处理)。

图1 长期不同施肥处理对土壤中铁氧化物含量的影响Fig.1 Contents of iron oxides in red soil under different longterm fertilization treatments

长期施肥显著改变了土壤中络合铁的含量, NPK处理显著增加了土壤中Fe含量(P＜0.05), 而M处理则降低了Fe含量(P＜0.05)。施肥均显著提高了土壤Fe含量(P＜0.05), NPK和M处理使Fe的含量增加了2.7%和43.1%。不同类型肥料施用对Fe的影响存在差异, NPK处理显著增加了Fe含量(P＜0.05), 而M处理则没有显著影响。

2.3 长期施肥对土壤中不同类型铁氧化物结合态有机碳含量的影响

施肥对土壤中不同类型铁氧化物结合态有机碳含量的影响如图2所示。土壤中不同类型铁氧化物结合态有机碳的含量大小为: 络合铁结合态有机碳(OC)＞晶形铁氧化物结合态有机碳(OC)＞非晶形铁氧化物结合态有机碳(OC) (P＜0.05)。NPK处理显著(P＜0.05)增加了土壤中OC和OC的含量,M处理显著(P＜0.05)提高了土壤中OC含量, 而土壤中OC的含量对长期施肥处理的响应不敏感。

图2 长期不同施肥处理对红壤中铁氧化物结合态有机碳含量的影响Fig.2 Contents of Fe-oxide-bound organic carbon in red soil under different long-term fertilization treatments

2.4 不同类型铁氧化物结合态有机碳的形成方式

表2展示了不同类型铁氧化物结合态有机碳的碳/铁摩尔比, 所有土壤中的铁氧化物结合态有机碳的碳/铁摩尔比大小排序均为: OC＞OC＞OC。长期施用化肥显著增加了OC的碳/铁摩尔比, 降低了OC的碳/铁摩尔比(P＜0.05), 对OC的碳/铁摩尔比没有显著影响。有机肥的长期施用则显著增加了OC和OC的碳/铁摩尔比, 显著降低了OC的碳/铁摩尔比(P＜0.05)。长期施肥改变了红壤中不同铁氧化物结合态有机碳的碳/铁摩尔比, 表明施肥会影响红壤中铁氧化物对有机碳的固持能力。

表2 长期不同施肥处理下红壤不同铁氧化物结合态有机碳的碳/铁摩尔比Table 2 C/Fe molar ratios of different Fe-oxide-bound organic carbon under different long-term fertilization treatments

前人研究表明, 铁氧化物结合态有机碳的碳/铁摩尔比可以用来指示其形成方式, 一般认为吸附方式形成的铁氧化物结合态有机碳的碳/铁摩尔比＜1, 而以共沉淀或螯合方式结合则碳/铁摩尔比通常＞6。从表2可知, 红壤中不同类型铁氧化物结合态有机碳的碳/铁摩尔比在0.24～15.95之间, OC具有最大的碳/铁摩尔比(5.75～15.95), OC的碳/铁摩尔比最小(0.24～0.40), OC的碳/铁摩尔比位于二者之间(1.27～1.98)。这一结果表明共沉淀或螯合方式是红壤中OC的主要形成方式, 同时也在OC的形成中起着重要作用, 而OC则主要是通过吸附方式形成。虽然不同施肥处理间OC、OC和OC的碳/铁摩尔比有显著差异(P＜0.05), 但土壤中不同类型铁氧化物与有机碳间的结合方式并没有发生变化。

2.5 长期施肥对土壤中不同类型铁氧化物结合态有机碳性质的影响

土壤中不同类型铁氧化物结合态有机碳的E/E值大小为OC＞OC＞OC(P＜0.05) (图3a)。前人研究指出, DOC的紫外-可见光吸收光谱的E/E值可以用来表征有机碳的平均分子量大小, 其值越大, 有机碳分子越小, 其中的富里酸(FA)比例越高。图3a结果表明, 红壤中不同铁氧化物结合态有机碳的平均分子量大小为OC＞OC＞OC。NPK处理显著降低(P＜0.05) OC的E/E值, M处理显著增加(P＜0.05) OC的E/E值, 而施肥处理对OC的E/E值没有显著影响。

图3 长期不同施肥处理对红壤中铁氧化物结合态有机碳E2/E3比值(a)、A260 (b)和SUVA254 (c)的影响Fig.3 E2/E3 (a), A260 (b), and SUVA254 (c) values of Fe-oxidebound organic carbon of red soils under different longterm fertilization treatments

Dilling等认为, DOC的紫外-可见光吸收光谱的A值可以用来表征DOC中疏水组分比例, 其值越高, 表示DOC疏水性越强。红壤中不同类型铁氧化物结合态有机碳的A值排序为: OC＞OC＞OC(图3b), 这表明相较于Fe和Fe, 红壤中的Fe更容易与疏水性强的有机碳结合。M处理显著降低了铁氧化物结合态有机碳的A值(P＜0.05),而NPK处理仅显著升高OC的A值(P＜0.05), 对其他铁氧化物结合态有机碳的A值没有显著影响。

有学者采用有机碳的SUVA值指示其芳香化程度, 其值越大, 表示芳香化程度越高。红壤中不同类型铁氧化物结合态有机碳SUVA值的排序为OC＞OC＞OC(图3c), 这表明土壤中铁氧化物结合态有机碳的芳香化程度为OC＞OC＞OC。长期施肥处理仅对红壤中OC和OC的芳香性有显著影响(P＜0.05)(图3c), M处理降低了它们的芳香性,而NPK处理则增加了其芳香性。

3 讨论

3.1 不同类型铁氧化物对红壤有机碳的固持作用

铁氧化物不但可以通过吸附或者共沉淀方式与有机碳结合, 还能促进土壤团聚体的形成, 从而使一部分有机碳在土壤中保存数十至数百年。研究表明, 在我国某些耕地土壤中, 高达32.1%的有机碳是以铁氧化物结合态形式存在的。非晶形铁氧化物由于其较大的比表面积和高吸附亲和力, 被认为在土壤有机碳保存中起着尤为重要的作用。然而, 除了铁含量和土壤有机碳储量间的显著相关性之外,较少有研究定量评估实际土壤中不同类型铁氧化物对土壤有机碳保存的贡献。研究发现, 红壤中不同类型铁氧化物结合态有机碳的含量高低为: 络合铁结合态有机碳(OC)＞晶形铁氧化物结合态有机碳(OC)＞非晶形铁氧化物结合态有机碳(OC) (图2)。焦磷酸钠提取的有机碳(络合铁结合态有机碳, OC)含量最高, 占土壤总有机碳的15.4%～38.0%, 这与前人报道的焦磷酸钠提取态有机碳占土壤总有机碳30%～43%和30%较为接近。本研究中, 络合态铁(Fe)的含量显著低于晶形铁氧化物(Fe) (图1),但其结合的有机碳比例最高, 这表明络合态铁比非晶形铁氧化物和晶形铁氧化物具有更强的有机碳结合能力。这可能是由于铁氧化物与有机碳之间存在多种结合方式导致的。本研究中, OC主要是通过共沉淀或螯合的方式形成, 而OC和OC则主要是吸附方式形成。Chen等发现共沉淀或螯合方式形成的铁氧化物结合态有机碳会比吸附方式形成的具有更高的碳/铁摩尔比。然而, 高含量的OC也可能是由于碱性提取环境(pH 10左右)促进了一部分水铁矿、针铁矿等晶形或非晶形铁氧化物结合碳的释放、非铁结合有机碳的溶解以及潜在的胶体分散造成的。在将来的工作中, 需要进一步解析焦磷酸钠提取态有机碳的组成, 以确定其是否是土壤中具有特定功能的碳库。同时, 也需要结合Fe K-edge EXAFS等技术确定焦磷酸钠所提取的铁矿物组成。本研究虽然没有区分络合态铁结合有机碳和碱溶有机碳, 但是我们的结果进一步证实, 有机-矿物复合体是土壤有机碳长期保存中的一个重要中间过程。OC比OC具有更大的碳/铁摩尔比(表2), 这表明非晶形铁氧化物比晶形铁氧化物具有更强的有机碳结合能力, 这与以往认为的非晶形铁氧化物(Fe)比晶形铁氧化物(Fe)在土壤有机碳储存中起着更为重要作用的观点相符。但是, 我们发现红壤中OC的含量要显著高于OC, 其原因可能是因为红壤中晶形铁氧化物含量要数倍于非晶形铁氧化物(图1)。这也就说明, 尽管Fe比Fe具有更强的有机碳结合能力, 但是在二者含量相差数倍的土壤中, 我们需要重新审视Fe在土壤有机碳储存中的重要作用。此外, 相比于OC以及其他碳库, OC和OC表现出C亏缺特性。因此,在Fe含量非常高的红壤中, Fe可能在土壤有机碳储存中起着比Fe更重要的作用。

了解不同类型铁氧化物结合态有机碳的组成,有助于查明土壤有机碳降解的化学轨迹。紫外-可见光谱的结果显示, 与Fe和Fe相比, 红壤中的Fe更倾向于芳香性弱、疏水性强的大分子有机物结合(图3)。Coward等利用FT-ICR-MS发现, 热带森林土壤中焦磷酸钠提取的有机碳主要由不饱和脂肪类物质和饱和的碳水化合物组成, 而木质素和芳香类化合物占比很少。本研究发现, OC和OC比OC具有较强的芳香性, 并且OC更强(图3c)。Chen等借助NEXAFS发现, 碳/铁摩尔比小于1.5的铁氧化物-有机碳复合体中富含芳香类化合物。本研究中OC和OC的碳/铁摩尔比小于2 (表2)。此外, 前人研究也发现, 潜育水耕人为土中非晶形铁氧化物与芳香类物质间存在显著的正相关关系。本研究中, 红壤中的Fe比Fe更倾向于相对分子量较大的有机碳化合物结合(图3a), 这与前人报道的水铁矿比针铁矿更倾向于结合高分子量有机物的结果相一致。综上所述, 本研究提取了红壤中不同类型铁氧化物及其结合态有机碳, 并借助紫外-可见光谱对铁氧化物结合态有机碳的性质进行了初步表征,然而由于红壤异质性和有机碳组成的复杂性, 在后期需要进一步考察不同类型红壤中不同铁氧化物对有机碳固持的贡献, 并联合EXAFS和NMR、FTICR-MS、NEXAFS等多种现代分析技术对铁氧化物及其结合态有机碳组成进行深入探讨, 以深化我们对土壤有机碳储存机制的认识。

3.2 长期施肥对红壤中不同类型铁氧化物固定土壤有机碳的影响

研究发现, 不同类型铁氧化物之间的转化引起的结合有机碳的释放及后续的吸附, 可能会促进碳的保存或降解, 从而影响土壤碳循环。施肥是维持作物高产、提高或保持土壤有机碳储量的有效措施之一。前人研究表明, 长期施肥会影响土壤中不同类型铁氧化物的含量。然而, 不同类型铁氧化物结合态有机碳对长期施肥的响应尚不明确。本研究显示, 长期化肥处理显著增加了红壤中OC和OC的含量, 有机肥处理仅显著提高了OC含量, 而长期施肥对红壤中OC的含量均没有显著影响(图2)。化肥处理增加OC和OC含量的原因一方面可能是因为施用化肥显著增加了土壤中铁氧化物(图1)和总有机碳(表1)的含量, 从而有利于他们之间的结合。另一方面, 长期施用化肥引起的土壤pH降低(表1), 可能促进胶体铁和有机碳间的螯合或团聚,从而促进OC的形成。此外, 低pH有利于铁氧化物对有机碳的吸附, 从而促进OC和OC的形成, OC的碳/铁摩尔比在化肥处理中的显著增加也验证了这一推测。然而, 我们发现, 化肥处理并没有引起OC的显著升高, 这可能是由于Fe具有更大的比表面积和更多活性位点, 使土壤中增加的有机碳优先与Fe发生结合, 这也是为何化肥处理中,OC的碳/铁摩尔比发生了显著下降的原因。长期施用有机肥仅显著提高了红壤中OC的含量, 可能是由于有机肥处理虽然增加了土壤有机碳的含量(表1), 但仅仅增加了土壤中的Fe, 而对Fe的含量影响不大, 并且显著降低了Fe的含量。长期施肥不但影响铁氧化物结合态有机碳的含量, 还对其部分性质有影响(图3)。化肥处理显著增加OC的平均分子量以及OC的疏水性和芳香性, 有机肥处理降低了OC的平均分子量、OC和OC的疏水性和芳香性。综上所述, 本研究探讨了长期施肥对不同类型铁氧化物固定土壤有机碳的影响, 相关结果对于调控铁氧化物结合态有机碳, 提升土壤肥力和缓解全球气候变化具有一定的启示作用。

4 结论

基于中国农业科学院衡阳红壤实验站长期定位施肥试验, 探讨了亚热带红壤中不同类型铁氧化物对土壤有机碳固定的贡献及其对长期施肥的响应。研究发现, 红壤中不同类型铁氧化物结合态有机碳的含量为络合铁结合态有机碳(OC)＞晶形铁氧化物结合态有机碳(OC)＞非晶形铁氧化物结合态有机碳(OC), 其中OC主要是胶体铁与芳香性弱、疏水性强的大分子有机物通过螯合或者共沉淀作用形成, 而OC和OC主要是一些芳香类化合物吸附到羟基铁氧化物上形成, OC比OC具有更大分子量和更强的芳香性。长期施用化肥显著促进了红壤中非晶形铁氧化物和胶体铁与有机碳的结合, 长期施用有机肥仅促进非晶形铁氧化物与有机碳结合。长期施用化肥显著增加红壤中OC的相对分子量以及OC的疏水性和芳香性, 而有机肥处理降低了OC的相对分子量、OC和OC的疏水性和芳香性。