Effects of artificial aeration and iron inputs on the transformation of carbon and phosphorus in a typical wetland soil  

人工通氣與鐵輸入對典型濕地土壤中碳和磷轉(zhuǎn)化的影響  

來源：Journal of Soils and Sediments, Volume 18, 2018, Pages 3244-3255

《土壤與沉積物雜志》，第18卷，2018年，第3244-3255頁

 

摘要  

摘要闡述了本研究探討人工通氣和鐵輸入對濕地土壤中碳和磷轉(zhuǎn)化的影響。人工通氣改變土壤表面氧化還原條件，而鐵輸入在波動(dòng)氧化還原條件下影響碳和磷循環(huán)。通過比較好氧和厭氧條件，研究發(fā)現(xiàn)鐵添加能影響磷形態(tài)和有機(jī)碳耦合，但這種效應(yīng)依賴氧化還原條件。實(shí)驗(yàn)設(shè)置不同F(xiàn)e/P比（5或10）和溶解氧濃度（高>6 mg/L，低<2 mg/L），監(jiān)測溶解氧、氧化還原電位及元素變化。結(jié)果表明，溶解氧濃度分層，隨土壤深度減少而隨時(shí)間增加；氧化還原電位波動(dòng)升高。鐵結(jié)合磷占總磷45%，表明湖泊具有高內(nèi)部磷負(fù)荷。鐵添加影響元素循環(huán)，但過量鐵可能導(dǎo)致環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)如富營養(yǎng)化。

 

研究目的  

研究目的是測試人工通氣和鐵輸入下濕地土壤中溶解氧、氧化還原電位、鐵氧化物、磷形態(tài)和碳組成的垂直變化，并分析鐵、磷、碳元素之間的關(guān)系。具體目標(biāo)包括評估外源鐵輸入如何影響磷形態(tài)和碳轉(zhuǎn)化，以及氧化還原條件在其中的作用。

 

研究思路  

研究思路包括進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，采集興凱湖濕地24個(gè)完整土壤核心，設(shè)置不同處理因素：Fe/P比（5或10）和溶解氧濃度（好氧>6 mg/L，厭氧<2 mg/L）。實(shí)驗(yàn)分為四組（有植物好氧、有植物厭氧、無植物好氧、無植物厭氧），重復(fù)三次。使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測溶解氧和氧化還原電位的垂直變化（深度分辨率750微米），并在實(shí)驗(yàn)后分析土壤表面（0-1厘米）的總磷、有機(jī)磷、無機(jī)磷、溶解性活性磷、土壤有機(jī)碳、總鐵、無定形鐵和游離鐵含量。通過統(tǒng)計(jì)和相關(guān)分析探討元素間關(guān)系。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1 溶解氧濃度和氧化還原電位數(shù)據(jù)：來自圖2，顯示不同土層深度和時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。研究意義是這些數(shù)據(jù)揭示人工通氣如何改變土壤微環(huán)境氧化還原條件，直接影響鐵和磷的轉(zhuǎn)化過程，如好氧條件促進(jìn)磷沉淀。  

 

 

 

 

 

2 磷形態(tài)數(shù)據(jù)：來自表2和表3，包括松散吸附磷、鋁結(jié)合磷、鐵結(jié)合磷、閉蓄態(tài)磷、鈣結(jié)合磷、溶解性活性磷、無機(jī)磷和有機(jī)磷含量。研究意義是鐵結(jié)合磷比例高（約45%）表明濕地內(nèi)部磷負(fù)荷大，鐵添加在好氧條件下抑制磷釋放，為控制富營養(yǎng)化提供依據(jù)。  

 

 

3 鐵含量數(shù)據(jù)：來自圖3，包括總鐵、無定形鐵和游離鐵含量。研究意義是鐵氧化物轉(zhuǎn)化影響磷吸附能力，無定形鐵與有機(jī)碳相關(guān)，表明鐵在碳穩(wěn)定中的作用。  

 

4 土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)：來自圖4，顯示不同處理下有機(jī)碳含量。研究意義是好氧條件下有機(jī)碳增加，表明鐵氧化物可能通過共沉淀穩(wěn)定有機(jī)碳，增強(qiáng)濕地碳匯功能。  

 

5 元素相關(guān)性數(shù)據(jù)：來自表4和表5，顯示鐵、磷、碳元素間的相關(guān)系數(shù)。研究意義是揭示元素耦合機(jī)制，如鐵與有機(jī)碳正相關(guān)，說明鐵輸入可能促進(jìn)碳封存。

 

 

 

結(jié)論  

1 人工通氣導(dǎo)致溶解氧濃度分層，隨深度減少而隨時(shí)間增加，氧化還原電位在好氧條件下波動(dòng)升高，改變土壤氧化還原環(huán)境。  

2 磷形態(tài)中鐵結(jié)合磷比例高，表明濕地存在高內(nèi)部磷負(fù)荷，鐵添加在好氧條件下抑制磷釋放，但依賴氧化還原條件。  

3 鐵和碳含量在好氧條件下增加，無定形鐵與有機(jī)碳相關(guān)，表明鐵氧化物可能穩(wěn)定有機(jī)碳，但鐵輸入過量可能帶來環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。  

4 鐵輸入需考慮與碳的關(guān)聯(lián)，大規(guī)模實(shí)驗(yàn)是理解濕地元素行為的關(guān)鍵。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

使用丹麥Unisense電極（如針型微電極）測量溶解氧和氧化還原電位數(shù)據(jù)具有重要研究意義。這些電極提供高分辨率（750微米）原位實(shí)時(shí)監(jiān)測，能精確捕捉土壤水界面氧化還原條件的垂直梯度和動(dòng)態(tài)變化（如圖2所示）。研究意義在于：首先，高精度數(shù)據(jù)允許量化人工通氣對微環(huán)境的即時(shí)影響，如溶解氧分層和氧化還原電位波動(dòng)，直接關(guān)聯(lián)鐵和磷的轉(zhuǎn)化機(jī)制；其次，原位測量避免樣品擾動(dòng)，真實(shí)反映濕地土壤中氧化還原敏感過程，如好氧條件下鐵磷共沉淀，為評估人工通氣效率提供可靠依據(jù)；最后，這種技術(shù)有助于理解元素循環(huán)的微觀驅(qū)動(dòng)因素，支持濕地管理策略開發(fā)，如控制磷釋放和增強(qiáng)碳封存。