High sulfate concentration enhances iron mobilization from organic soil to water

高硫酸鹽濃度增強(qiáng)鐵從有機(jī)土壤向水中的遷移

來源：Biogeochemistry, Volume 144, 2019, Pages 245-259

《生物地球化學(xué)》，第144卷，2019年，245-259頁(yè)

 

摘要

摘要指出，北方淡水水體中鐵濃度的增加是導(dǎo)致水體褐變的原因之一，但驅(qū)動(dòng)因素未知。本研究通過微宇宙實(shí)驗(yàn)探討了硫酸鹽濃度和氧氣條件對(duì)有機(jī)土壤中鐵遷移的影響。假設(shè)無氧條件會(huì)促進(jìn)鐵釋放，而高硫酸鹽濃度會(huì)通過形成FeS或降低pH和DOC來抑制鐵遷移。結(jié)果與假設(shè)相反，高硫酸鹽濃度增強(qiáng)了鐵遷移，而無氧條件對(duì)鐵和DOC濃度有正面影響。實(shí)驗(yàn)中還意外發(fā)現(xiàn)真菌Jaapia ochroleuca的建立顯著促進(jìn)了鐵遷移。研究表明，無氧條件、酸度和真菌介導(dǎo)的遷移是控制鐵從土壤釋放的關(guān)鍵因素，而鐵在從無氧到有氧的過渡中能保持溶解狀態(tài)。結(jié)果不支持大氣硫沉積減少是鐵濃度增加的原因，而強(qiáng)調(diào)還原條件的重要性。

 

研究目的

研究目的是實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)硫酸鹽和氧氣對(duì)有機(jī)土壤中鐵遷移的影響，具體包括驗(yàn)證兩個(gè)假設(shè)：一是無氧條件會(huì)促進(jìn)鐵釋放；二是高硫酸鹽可用性會(huì)通過形成FeS、競(jìng)爭(zhēng)電子受體或高酸度減少DOC可用性來抑制鐵遷移。同時(shí)，評(píng)估鐵在氧化條件下的穩(wěn)定性，并意外利用真菌生長(zhǎng)事件分析其對(duì)鐵遷移的作用。

 

研究思路

研究思路通過微宇宙實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，采用2x2設(shè)計(jì)：高硫酸鹽處理代表峰值硫沉積水平和低硫酸鹽處理代表當(dāng)前水平，結(jié)合有氧與無氧條件。土壤樣品來自北方云杉林有機(jī)層，在密閉或開放容器中培養(yǎng)134天，定期測(cè)量化學(xué)參數(shù)。使用統(tǒng)計(jì)分析和重復(fù)測(cè)量ANOVA評(píng)估處理效應(yīng)，并通過再氧化實(shí)驗(yàn)測(cè)試鐵在氧化條件下的穩(wěn)定性。意外真菌生長(zhǎng)被用作額外因素，分析其對(duì)鐵遷移的影響。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. 測(cè)量數(shù)據(jù)：溶解氧濃度

   研究意義：用于確認(rèn)實(shí)驗(yàn)條件，顯示有氧和無氧處理的差異，驗(yàn)證氧化還原狀態(tài)對(duì)鐵遷移的影響。數(shù)據(jù)來自Fig. 1a。

 

2. 測(cè)量數(shù)據(jù)：硫酸鹽濃度

   研究意義：確保高和低硫酸鹽處理的有效性，幫助分析硫酸鹽對(duì)鐵遷移的直接和間接作用。數(shù)據(jù)來自Fig. 1b。

3. 測(cè)量數(shù)據(jù)：pH值

   研究意義：反映酸度變化，表明高硫酸鹽處理導(dǎo)致pH降低，從而促進(jìn)鐵溶解和遷移。數(shù)據(jù)來自Fig. 2a。

 

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)：總鐵濃度

   研究意義：量化鐵遷移程度，顯示無氧條件和高硫酸鹽均增強(qiáng)鐵釋放，挑戰(zhàn)了硫酸鹽抑制鐵遷移的假設(shè)。數(shù)據(jù)來自Fig. 2b。

5. 測(cè)量數(shù)據(jù)：DOC濃度

   研究意義：評(píng)估有機(jī)質(zhì)對(duì)鐵復(fù)合作用的影響，表明DOC在無氧條件下增加，但高硫酸鹽降低DOC，而鐵遷移仍增強(qiáng)，說明酸度和還原條件更關(guān)鍵。數(shù)據(jù)來自Fig. 2c。

6. 測(cè)量數(shù)據(jù)：Fe(II)濃度

   研究意義：直接指示還原性鐵溶解，證實(shí)無氧條件促進(jìn)Fe(III)還原為Fe(II)，支持還原機(jī)制的主導(dǎo)作用。數(shù)據(jù)來自Fig. 3。

 

7. 測(cè)量數(shù)據(jù)：Mn和Al濃度

   研究意義：比較其他金屬的遷移模式，顯示高硫酸鹽和無氧條件也增強(qiáng)Mn和Al釋放，驗(yàn)證酸度對(duì)金屬溶解的普遍影響。數(shù)據(jù)來自Fig. 4。

 

8. 測(cè)量數(shù)據(jù)：NO3-和PO43-濃度

   研究意義：分析競(jìng)爭(zhēng)電子受體的角色，NO3-消耗后鐵增加，表明電子受體可用性影響鐵還原；PO43-增加可能與鐵還原釋放有關(guān)。數(shù)據(jù)來自Fig. 5。

 

結(jié)論

研究得出結(jié)論，高硫酸鹽濃度通過降低pH和促進(jìn)還原條件增強(qiáng)鐵遷移，而非抑制；無氧條件和真菌活動(dòng)是鐵釋放的重要驅(qū)動(dòng)因素。鐵在氧化條件下能保持溶解，可能與低pH和高DOC有關(guān)。結(jié)果不支持減少的大氣硫沉積是北方淡水鐵增加的原因，而強(qiáng)調(diào)土壤還原條件（可能受氣候變暖變濕增強(qiáng)）的關(guān)鍵作用。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測(cè)量了溶解氧濃度、氧化還原電位和H2S濃度。研究意義在于提供了高精度、實(shí)時(shí)的氧化還原狀態(tài)數(shù)據(jù)，直接驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)條件（如無氧處理的低氧狀態(tài)）。氧化還原電位測(cè)量幫助量化了還原程度，證實(shí)了鐵還原發(fā)生的Eh閾值（低于500 mV at pH 4），從而支持了還原溶解機(jī)制在鐵遷移中的重要性。雖然H2S數(shù)據(jù)不可靠，但氧和氧化還原數(shù)據(jù)的可靠性增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，為理解硫酸鹽和氧氣交互作用提供了關(guān)鍵證據(jù)。這些測(cè)量幫助排除了硫還原的干擾，突出了鐵還原的主導(dǎo)角色，并輔助解釋了鐵在過渡帶中的穩(wěn)定性。