不同水分状况下铁氧化物对水稻土有机碳矿化的影响机制

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土壤有机碳储存丰富,作为全球温室气体的源和汇,在全球碳收支中占核心地位。水稻土作为人为湿地,相对于旱地普遍具有更高的有机碳含量,固碳潜力巨大,水稻土有机碳的矿化对全球碳循环和气候变化有重要的意义。水稻种植期和休耕期的淹水和落干操作可能使水稻土有机碳矿化过程因水分变化而不同。铁氧化物在土壤有机碳固定中起重要作用,同时在水分变化过程中,铁作为变价金属,其氧化还原过程可能对水稻土有机碳矿化造成影响。针对水分状况和铁氧化物这两个重要因素,本文以我国典型亚热带水稻土为对象,选取三种铁含量有差异的水稻土,在不同的水分状况(干湿交替、淹水以及厌氧)下,开展室内模拟培养实验,揭示不同水分状况下水稻土有机碳矿化特征;探究水稻土中铁氧化物形态和价态变化及水稻土有机碳矿化对其的响应;结合土壤理化性质、微生物量和酶活性等信息,分析红壤水稻土铁氧化物影响有机碳矿化的机制。这对完善稻田生态系统碳循环理论研究、揭示稻田土壤长期持续固碳能力的机理具有重要科学意义。主要结果如下:(1)铁含量和水分对CO2释放规律的影响显著。水稻土铁氧化物含量越高,其CO2累积释放量越大;厌氧条件下三种铁含量土壤间的CO2累积释放量差异最大,干湿交替条件下三种土壤间的差异最小;干湿培养条件的淹水培养后,高、中和低铁土土壤有机碳矿化日速率分别增加了1.53、1.28和1.88倍。(2)铁含量和水分对呼吸商和酶活性的影响显著。水稻土铁氧化物含量越高,土壤呼吸商的变化值越大;培养初期淹水和厌氧培养条件下比干湿交替条件下的呼吸商高,培养过沉重淹水和厌氧培养条件的呼吸商先快速降低后平缓,干湿交替呼吸商培养期间变化不大。在三种不同水分状况下,水稻土铁含量对PER酶(过氧化酶,Peroxidase)影响显著,其酶活性大小与土壤铁含量水平一致;在干湿交替和淹水水分状况下的酶活性以BG酶(β-葡糖苷酶,β-Glucosidase)和NAG酶(β-乙酰葡糖胺糖苷酶,β-N-acetylglucosaminidase)为主,在厌氧水分状况下以PER酶为主。(3)三种水分状况下铁形态和价态与DOC含量显著相关。水稻土铁氧化物含量越高,土壤DOC含量培养前后的变化值越大;淹水条件下DOC变化值大于干湿交替条件下。不同形态铁对土壤DOC的偏相关性分析显示,干湿交替的不淹水阶段,土壤游离态以及无定形态铁含量影响土壤DOC含量;在干湿淹水阶段、淹水培养以及厌氧培养条件下只有游离态铁含量影响土壤DOC含量。(4)三种水分状况下铁形态和价态与土壤有机碳矿化显著相关。三种水分状况下,Fe2+含量大小顺序:厌氧>淹水>干湿交替培养条件下。CO2累积释放量与Fe2+以及络合态铁含量显著相关;与游离态铁含量只有在厌氧培养条件下呈显著正相关关系,在淹水和厌氧条件下与无定形态铁含量成显著正相关关系。累积矿化率只有在厌氧条件下与三种形态铁氧化物以及Fe2+含量呈显著正相关;络合态铁和无定形态铁含量在干湿淹水阶段、淹水培养以及厌氧培养条件下与累积矿化率呈显著正相关。
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