pH与石灰性水稻土铁氧化还原过程的关系

光照和pH是调控土壤铁氧化物厌氧生物氧化还原的关键环境因素。本文采用恒温厌氧培养试验研究了黑暗、光照条件下土壤pH的变化及pH对铁氧化还原的影响,探索了pH与Fe(II)和水溶性无机碳的关系。结果表明,光照可改变土壤厌氧培养过程中pH的变化趋势,避光培养时土壤pH呈降低趋势,光照时呈先降低后增加趋势。pH介于4~9之间均可发生铁的还原反应,pH=7时还原量最大,128.5μmol g-1,pH调至4和9均可抑制避光条件下的铁还原。光照条件下pH 6~8时可发生Fe(II)的再氧化,控制初始pH为7时可使其再氧化量增加77.13%,达49.17μmol g-1。厌氧培养过程中Fe(II)与水溶性无机碳在避光时存在显著线性正相关关系,pH与Fe(II)和水溶性无机碳之间均存在显著线性负相关关系。     

旱作褐土中氧化铁的厌氧还原与光合型亚铁氧化特征

土壤中铁的氧还过程与碳氮转化及自净能力关系密切,已还原亚铁的氧化受土壤性质的影响。采用室内恒温培养试验研究了旱作褐土中铁还原氧化过程、及其与水溶性碳、NO3-、SO42-的关系。结果表明旱作褐土中铁氧化物在厌氧光照条件下可先被还原后被再次氧化,其再氧化量介于1.46~3.00 mg g-1之间,平均2.09 mg g-1;再氧化速率常数介于0.23~0.80 d-1之间,平均0.48 d-1。再氧化量与土壤无定形铁、水溶性硫酸盐含量、阳离子交换量显著负相关,与土壤总氮、总磷显著正相关;再氧化速率常数与土壤有机碳显著负相关,与黏粒含量极显著正相关。厌氧光照培养可使旱作褐土水溶性无机碳平均降低52.74%,水溶性NO3-降低92.15%,水溶性SO42-增加55.38%。研究结果为深入理解旱作土壤潜在的微生物铁循环转化方式提供理论支持。     

旱作褐土中铁氧化物的厌氧还原动力学特征

异化铁还原是厌氧环境中有机物降解的重要微生物过程,不仅影响Cr、U等无机污染物在环境中的迁移,还与CH4、N2O、H2S等温室气体的释放关系密切.本文选择7个旱作褐土样品,采用泥浆厌氧恒温培养的方法,研究了旱作褐土中氧化铁的厌氧还原特征,结果表明旱作褐土在淹水条件下可以发生铁氧化物的异化还原,其还原潜势介于4.47～5.95 mg g-1之间,还原速率常数介于0.15 ～0.27 d-1之间.褐土中部分晶态铁氧化物可在这一过程中被还原,游离铁的平均还原率为41.95％.经过40 d厌氧培养后,99.26％的NO3-和88.82％的SO42-被还原.还原过程的速率常数κ、Vmax、Tmax随着土壤有机碳含量增加而增加,还原潜势与土壤SO42-含量呈显著负相关关系.     

厌氧条件下水稻土中铁硫循环与光照的关系

采用恒温厌氧培养试验研究了黑暗、光照、黑暗转光照和光照转黑暗条件下水稻土中硫酸盐还原和铁的氧化还原.结果表明光照是调控土壤铁、硫生物化学转化的一个关键环境因素,光照对铁、硫还原的抑制作用体现在5d后.黑暗培养30 d土壤游离铁的70.07％可被还原;光照培养时35.60 μmol g-1Fe(Ⅲ)先被还原后被氧化,30 d后仍有32.70％的游离铁被还原,转黑暗后被氧化的铁可再次被还原.黑暗时土壤中99.50％的水溶性硫酸盐(WSS)在可5d内被还原,光照培养30 d有42.73％的WSS被还原.水溶性无机碳(WSIC)与体系中Fe(Ⅱ)和WSS之间存在显著相关关系.无光照转换时水溶性有机碳(WSOC)与Fe(Ⅱ)和WSS的转化速率存在显著正相关关系;黑暗条件下WSOC＞ 7.89 μmol g-1时,体系中Fe(Ⅲ)和WSS还原;光照条件下WSOC＞ 8.27 μmol g-1时体系中Fe(Ⅲ)还原,WSOC＞8.40μmol g-1时WSS还原.     

水稻土中铁氧化还原循环的光照水分效应

水稻土中铁的氧化还原循环与CO2和CH4排放关系密切。采用恒温厌氧培养试验分别在黑暗、光照条件下研究了不同水分状况对水稻土中铁氧化还原过程、水溶性碳含量及CO2和CH4排放的影响。结果表明,水分和光照是调控土壤铁氧化还原过程及其耦合的碳转化过程的关键环境因子。避光时增加含水量缩短铁还原最大速率出现的时间,促进CH4排放。光照条件下含水量小于50%时增加含水量可促进亚铁的再氧化,大于50%时则抑制了亚铁的再氧化。避光时增加含水量可增加体系的水溶性无机碳含量(WSIC),WSIC与CH4的排放存在显著正相关关系。光照可显著降低体系的WSIC,降低幅度随含水量的增加而增大。在含水量25%～200%范围内,光照可使CO2和CH4排放量分别降低95.80%和96.08%。     

控制光照条件下添加SO_4~（2-）对水稻土中Fe（Ⅲ）还原的影响

为探讨光照和硫酸盐对微生物Fe（Ⅲ）还原的影响,在光照和光暗转换条件下,采用厌氧泥浆恒温培育方法分别在四川和天津2种石灰性水稻土中添加不同浓度硫酸盐溶液（20、50、800mmol·kg-1）,培养过程中定期测定土壤泥浆的Fe（Ⅱ）、叶绿素a含量和pH值。结果表明：光照条件下,添加20mmol·kg-1和50mmol·kg-1硫酸盐能减缓光照培养中因为蓝细菌光合作用放氧引起的Fe（Ⅱ）氧化反应,Fe（Ⅱ）氧化反应启动时间与对照处理相比延迟3～7d;蓝细菌在光照培养5d后开始迅速繁殖生长,叶绿素a增长速率表现为随硫酸盐浓度增大而增加,其最终含量在四川和天津水稻土中分别为20mg·kg-1和16mg·kg-1;800mmol·kg-1硫酸盐则完全抑制了Fe（Ⅱ）的重新氧化,且在整个培养周期中没有发现光合细菌存在。pH值变化呈现先微弱下降后升高的趋势,但始终维持在弱碱性范围内。当由光照转入避光培养后,Fe（Ⅱ）累积量又重新回升,增长速率表现为对照〉20mmol·kg-1S处理〉50mmol·kg-1S处理。表明光照并非直接影响铁还原微生物,而是通过光合微生物繁殖间接影响铁还原过程。     

淹水对石灰性土壤无机磷形态转化的影响

  【目的】  磷肥施入土壤后大部分转化为与铁氧化物关系密切的Fe-P和O-P,而淹水后土壤中铁的氧化还原过程可能影响与铁氧化物结合的磷的形态及有效性的变化。研究不同施磷处理下淹水土壤Fe (II) 、无机磷组分等的变化,以期明确淹水后土壤无机磷形态及磷有效性变化及其与铁氧化还原过程的关系。  【方法】  用不施磷土壤 (P0) 和连续6年施用P 180 kg/hm2的土壤 (P180) 进行室内模拟培养试验。将土壤装于西林瓶内,加水模拟淹水条件,西林瓶密封后,分别在避光或者光照条件下,于 (30 ± 1)℃恒温培养40天。测定供试土壤以及淹水培养土壤中的速效磷、无机磷以及不同形态无机磷组分含量,测定培养过程Fe (II) 的动态变化,以探讨磷形态转化与铁氧化还原过程的关系。  【结果】  施用磷肥显著增加土壤中的速效磷含量和无机磷总量,P0处理土壤速效磷含量为 (7.65 ± 1.65) mg/kg,P180处理土壤速效磷含量高达 (33.5 ± 2.01) mg/kg。施入土壤中的磷只有很小部分以Ca₂-P存在,主要以Ca₁₀-P、Ca₈-P、Al-P和Fe-P形态存在。避光淹水培养后,土壤速效磷含量增加,P0和P180处理土壤速效磷含量的增量分别为8.44、2.95 mg/kg。淹水培养降低了土壤Ca₈-P含量,提升了Fe-P、O-P、Al-P含量。光照和避光条件下P180处理土壤中Ca₈-P含量分别降低106.8、156.2 mg/kg,Fe-P含量分别增加23.4、47.0 mg/kg,O-P含量分别增加64.1、92.9 mg/kg,Al-P含量分别增加38.8、34.7 mg/kg,避光时Ca₈-P降幅以及Fe-P和O-P的增量均大于光照条件下。避光条件下,铁还原量和还原最大速率与Ca₈-P变化量之间存在显著负相关关系,与Fe-P、O-P增量之间存在显著正相关关系。  【结论】  淹水条件下,石灰性土壤中的Fe (Ⅲ) 还原形成Fe (Ⅱ) 和Fe (Ⅲ) 混合物,增加了铁氧化物的比表面积和磷吸附点,可促进Ca₈-P向O-P、Fe-P和Al-P转化。光照降低了Fe (Ⅲ) 的还原量,可能是Ca₈-P向O-P、Fe-P和Al-P转化率低的原因之一。     

豫西旱作褐土剖面土壤的氧化铁还原与亚铁氧化特征

土壤铁氧化物的氧化还原过程不仅与重金属的生物有效性和有机污染物降解转化关系密切,也与旱地土壤肥力关系密切,因而备受关注。然剖面土壤耕层以下是否存在铁氧化物的还原、氧化过程,其特征如何尚未可知。本文采用恒温厌氧泥浆培养的方法研究旱地褐土剖面中铁的氧化还原特征。结果表明,旱地土壤剖面0~100cm中均存在铁的厌氧还原过程,还原潜势、最大速率均随剖面深度增加而显著降低;剖面0~80cm土层中均存在光合型Fe(II)氧化现象,0~40cm土层Fe(II)氧化量和氧化速率显著高于40~80cm。剖面的铁氧化还原过程不仅受有机碳含量影响,也受N、K等养分元素的影响。结果可为拓展对铁氧化还原微生物生境的认识、深入理解土壤剖面中铁氧化还原过程提供依据。     

亚热带土壤亚铁与厌氧反硝化

本文就亚热带土壤亚铁参与反硝化的可能性进行了探讨。研究结果表明:厌氧还原条件下加入KNO3的处理中,Fe2+浓度随培养时间延长而下降,且Fe2+浓度的降低和NO3–-N浓度的降低呈显著正相关。预培养结束后的亚铁浓度(In-Fe2+)和厌氧培养期间Fe2+浓度降低速率与反硝化势表征指标k、b、v7,以及与无定形铁氧化物(活性铁)含量的显著正相关性初步证明,活性铁通过不同价态铁离子(Fe2+和Fe3+)之间的转化,参与了反硝化的电子传递过程。当有机碳等电子供体受限时,Fe2+可作为电子供体参与反硝化还原NO3–-N。这一结果表明,NO3–-N作为电子受体参与厌氧条件下Fe2+氧化成Fe3+的反应可能在铁氧化物含量丰富的亚热带土壤中普遍存在。     

光照对水稻土中氧化铁还原的影响

选择不同地区的水稻土样品,采用泥浆厌氧恒温培育方法,在避光和光照条件下,测定了培养过程中土壤泥浆的Fe(Ⅱ)浓度及叶绿素a含量的变化。结果表明:光合微生物的产氧作用是影响水稻土中铁还原的主要原因,而光照对铁还原微生物没有直接影响;光合微生物仅在某些水稻土中大量繁殖,其叶绿素a含量随着光照时间延长由逐渐增加到趋于稳定。通过微生物镜检和光谱分析发现,由天津和四川水稻土中分离的光合微生物主要是念珠蓝细菌(Nostocsp.)和鱼腥蓝细菌(Anabaenasp.),其吸收光谱曲线均具有664 nm的叶绿素a吸收峰,表明其具有利用光合系统Ⅱ进行产氧光合作用的特征。在厌氧培养过程中Fe(Ⅱ)浓度与土壤中叶绿素a含量变化有着明显的负相关关系。     

Implications of iron solubilization on soil phosphorus release in seasonally flooded forests of the lower Orinoco River, Venezuela

The microbial reduction of Fe oxides is thought to contribute with the release of P in sedimentary environments. However, secondary reactions of the bioproduced Fe(II) with P in solution, can lead to a decrease in the soluble P concentration. In this study, we examined how the reduction of Fe(III) affects the soluble P concentration, when the soils of a seasonally flooded forest gradient are subjected to anaerobic conditions. Soil samples were collected during the dry season from two zones subjected to different flooding intensity: MAX and MIN zones that were inundated 8 and 2 months per year, respectively. When anaerobic conditions were applied to soils from both zones, a clear stimulatory effect on the Fe(III) reduction was observed. However, bioproduced Fe(II) underwent secondary chemical reactions, masking the extend of Fe(III) reduction of these soils. Iron was reduced mainly during the first 15 days of the anaerobic incubation and it was stimulated by a pulse of labile carbon. Iron dissolution did not lead to an increase of the soluble P content. However, in both zones P was high and positively correlated with Fe(II), implying that soil P mobilization was linked to Fe dissolution. In the MIN zone, soluble P concentration decreased, probably as a consequence of the secondary reactions of solubilized P with other non-redox sensitive soils elements. Fe solubilization also had an effect on the activity of acid phosphatase and consequently in the solubilization of P from the organic pool. In conclusion, the P cycle in these soils is strongly coupled to C and Fe cycles.     

生物炭对红壤和褐土中镉形态的影响

【目的】重金属对环境危害的大小主要取决于其形态分布,尤其是生物有效态镉 (Cd) 的含量和存在比例。添加生物炭可以降低Cd超标土壤中生物有效态Cd的含量,本文研究了施用生物炭后红壤和褐土中Cd形态的变化及其与生物炭施用量的关系,以加深对生物炭修复Cd污染土壤机理的认识。【方法】选择红壤 (pH 5.21) 和褐土 (pH 7.75) 两类土壤进行了室内培养试验。将两个过2 mm筛的自然风干土壤各40 kg,分别装于20 L塑料盒中,加Cd(NO₃)₂溶液使土壤外源Cd含量达到5 mg/kg,保持70%田间最大持水量,于25℃条件下平衡两周;之后,在每1000 g土内,分别添加生物炭0、5、10、20 g,均匀混合后,室温培养50 d;在培养1、4、7、14、21、35、49 d时分别取样,测定土壤pH和有机碳含量,利用Tessier分级法测定土壤Cd形态。【结果】红壤pH随生物炭施用量的增加显著升高,培养14天后,生物炭施加量为2%时,土壤由酸性变为弱碱性,生物炭对褐土pH的提高作用不显著。红壤和褐土有机碳含量均随生物炭施用量的增加而升高。培养49天后,红壤可交换态Cd含量的降幅较大,降幅为0.31～0.82 mg/kg,且处理2%的可交换态Cd含量最低,为1.24 mg/kg,生物炭施用量2%的红壤碳酸盐结合态Cd含量最高,为1.06 mg/kg,施用生物炭的红壤碳酸盐结合态Cd和Fe、Mn氧化物结合态Cd所占比例增加了3.14%～14.21%、8.20%～23.96%,施用生物炭的褐土碳酸盐结合态Cd和Fe、Mn氧化物结合态Cd升高了0.94%～2.61%、0.80%～7.90%。褐土的土壤有机碳含量和生物炭施用量与土壤可交换态Cd呈极显著负相关关系,与土壤碳酸盐结合态Cd,土壤Fe、Mn氧化物结合态Cd和土壤有机结合态Cd呈极显著正相关关系;红壤pH、有机碳含量和生物炭施用量均与土壤可交换态Cd呈极显著负相关关系,与土壤其他四种形态Cd呈极显著正相关关系。但在红壤中土壤有机碳和生物炭施用量与各形态Cd的相关系数均大于在褐土中的相关系数。【结论】综合分析两种类型土壤中Cd形态的变化,发现生物炭对红壤的修复效果优于对褐土的修复效果,因此生物炭可以作为Cd污染的酸性土壤的一种修复改良材料。     

Potential Iron and Phosphate Mobilization During Flooding of Soil Material

This study shows that mobilization of phosphate from soils under anaerobic conditions can be intimately coupled with reductive dissolution of iron from iron oxides. Among four soil samples from the reclaimed Skjernå estuary in Denmark incubated anaerobically and amended with glucose, 28–39% of the dithionite-citrate-bicarbonate-extractable iron and 10–25% of the oxalate-extractable phosphorus (P_ox) were released to the soil solution after 31 days. Significant correlation (r = 0.992**) between the molar ratio P_ox/(Fe_ox + Al_ox) for the aerobic samples and (P_{P sol}/Fe_sol) (the molar ratio between phosphate and iron in solution during anaerobic incubation), indicates that the phosphate saturation status of the soil is an important determinant of the amount of phosphate released during flooding of moderately acid soils.     

水稻土中水溶性有机碳对铁还原过程的贡献

【目的】 淹水稻田中Fe (Ⅲ) 还原过程与有机质的厌氧分解和氮、磷、硫等营养元素的有效性密切相关。通过探讨水溶性有机碳 (DOC) 对Fe (Ⅲ) 还原过程的贡献,以期为深入理解淹水稻田中铁循环耦联的碳、氮、磷、硫循环提供理论基础。 【方法】 采集我国不同植稻区的20个典型水稻土,通过有机碳分析仪及三维荧光光谱扫描比较分析不同水稻土DOC的含量及荧光特性;并模拟稻田淹水过程对水稻土进行厌氧淹水培养,采用微生物生长模型对不同水稻土厌氧培养过程中Fe (Ⅲ) 还原特征进行表征;依据相关分析和冗余分析,明确水稻土DOC与Fe (Ⅲ) 还原过程的关系。 【结果】 不同水稻土DOC含量为0.250～1.082 g/kg,仅占土壤有机碳的2.06%～6.86%。三维荧光光谱扫描鉴定得到不同水稻土DOC中4个共有的类腐殖酸荧光组分,其中陆源的UVC类腐殖酸和UVC+UVA类腐殖酸组分在不同水稻土中具有较高荧光强度,分别为0.799～4.570和0.830～5.273。水源的可见光区类腐殖酸和UVA腐殖酸的含量相对较低。各类腐殖酸来源以外源输入为主,内源输入为辅。不同水稻土铁还原潜势a、最大Fe (Ⅲ) 还原速率 (V_max) 及达到最大Fe (Ⅲ) 还原速率对应的时间 (T_Vmax) 间均差异显著,淹水5 d时水稻土中易被还原的非晶态氧化铁已基本被还原。DOC的腐殖化系数与Fe (Ⅲ) 还原特征参数存在显著相关性。其中以陆源的大分子量UVC类腐殖酸对a和V_max的贡献最高,陆源的UVC+UVA类腐殖酸和水源的UVA腐殖酸与a和V_max的相关关系也达到显著或极显著水平,而DOC含量的贡献最小。 【结论】 水稻土DOC的腐殖化程度及其中陆源腐殖酸类组分的荧光强度与Fe (Ⅲ) 还原潜势和Fe (Ⅲ) 还原反应速率呈正相关。水稻土DOC除了作为Fe (Ⅲ) 还原过程的电子供体外,其还以电子穿梭体的形式在Fe (Ⅲ) 还原过程中起重要作用。      

Light inhibition of carbon mineralization associated with iron redox processes in calcareous paddy soil

Purpose

The iron redox cycle is closely tied to the fate of carbon in terrestrial ecosystems, especially paddy soils. Varies diurnally and seasonally, light—the crucial environmental factor—may be a fundamental factor elucidating temporal and spatial variabilities of carbon-containing gases emission. The role of sunlight in the iron-mediated carbon cycle, however, has not been fully elucidated. We conduct this study to test the role of light in the iron-mediated carbon cycling.

Materials and methods

In this study, we conducted anaerobic incubation experiments of a calcareous paddy soil in serum vials under alternating dark and light conditions. The dynamic evolution of the carbon and iron contents was evaluated by measuring the CO₂, CH₄, and O₂ concentrations in the headspace of the vials, as well as the water-soluble inorganic carbon, microbial biomass carbon, and HCl-extractable ferrous iron contents in soil slurries. We also analyzed the soil microbial community structure by high-throughput 16S rRNA gene sequencing.

Results and discussion

The results highlighted the positive correlation between carbon mineralization and ferric iron reduction under dark conditions. Under light conditions, however, ferrous iron was oxidized by the O₂ generated via oxygenic photosynthesis of phototrophic bacteria such as Cyanobacteria, along with a decreased production of CO₂, CH₄, and water-soluble inorganic carbon. The abundance of Cyanobacteria positively correlated to O₂ levels and MBC content significantly. Light-induced periodic variations in the redox conditions facilitated carbon fixation in microbial biomass and up to 31.79 μmol g^?1 carbon was sequestrated during 30 days light incubation.

Conclusions

These results indicate that light inhibits the emission of carbon-containing greenhouse gases associated with the iron redox cycle in calcareous paddy soil. Assimilation of inorganic carbon by phototrophs may responsible for the inhibition of carbon mineralization. Our study suggests that procedures allowing more light to reach the soil surface, for instance, reducing the planting density, may mitigate greenhouse gas emissions and promote carbon sequestration in paddy soils.