【摘 要】
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湿地的水文功能退化会导致大面积的湿地土壤暴露在空气中,增加土壤有机碳(SOC)的分解速率和温室气体排放速率,使SOC含量下降。铁元素的生物地球化学循环对SOC碳库储量及分子结构稳定性有重要影响,一方面通过吸附、共沉淀、络合等方式形成铁结合态有机碳(OC-Fe)使得OC避免遭到微生物分解;另一方面,当OC-Fe处于厌氧环境下,铁还原菌能够通过异化铁还原的方式导致铁氧化物所固持的OC被重新被释放。因此
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【基金项目】
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国家重点研发专项“长白山区水资源高效利用及其安全保障技术研发与应用”(2019YFC0409102); 国家自然科学基金面上项目“退耕还湿土壤铁固持有机碳作用机制研究”(41971136); 吉林省自然科学基金项目“吉林省湿地生物多样性保护优先化与关键动植物栖息地功能提升技术研究”(20190201308JC);
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湿地的水文功能退化会导致大面积的湿地土壤暴露在空气中,增加土壤有机碳(SOC)的分解速率和温室气体排放速率,使SOC含量下降。铁元素的生物地球化学循环对SOC碳库储量及分子结构稳定性有重要影响,一方面通过吸附、共沉淀、络合等方式形成铁结合态有机碳(OC-Fe)使得OC避免遭到微生物分解;另一方面,当OC-Fe处于厌氧环境下,铁还原菌能够通过异化铁还原的方式导致铁氧化物所固持的OC被重新被释放。因此,铁氧化物在SOC循环过程中扮演一把“双刃剑”的角色。过去的研究并没有同时考虑这两种过程,使得铁氧化物在土壤中对碳循环的净效应不明确。为了探究铁氧化物能否发挥其固碳潜力从而提高湿地土壤碳汇功能,助力于湿地恢复,本研究选取三江平原洪河自然保护区的淡水湿地土壤以及松嫩平原莫莫格自然保护区的盐碱湿地土壤,采用室内厌氧培养的方式,探究了外源赤铁矿添加(Fe)、褐煤添加(C)以及共同添加(FeC)三种处理对湿地土壤温室气体排放以及焦磷酸钠(PP)提取的络合铁结合碳(OCPP)、盐酸-盐酸羟胺(HH)提取的无定形铁结合碳(OCHH)和盐酸-连二亚硫酸钠(DH)提取的晶质铁结合碳的影响(OCDH);通过热裂解气质联用仪分析了不同添加方式对SOC化学组分的变化的影响;通过高通量测序的方法评估了不同添加方式对土壤细菌群落结构组成、多样性、互作关系及功能的影响。主要结论如下:(1)外源Fe和FeC添加显著降低了淡水湿地土壤异化铁还原程度,小幅度的增加了盐碱湿地土壤异化铁还原程度;外源C添加对两种湿地土壤异化铁还原过程无显著影响。Fe添加显著提高了淡水湿地土壤有机碳净矿化量,然而C添加显著促进了盐碱湿地土壤有机碳的净矿化量。(2)外源Fe添加显著降低了淡水湿地和盐碱湿地土壤OCPP含量,提高了OCHH含量。外源C和FeC添加均显著提高了淡水湿地和盐碱湿地土壤OCPP含量。OCPP占土壤有机碳的50.91%~74.79%,说明有机矿物复合体是淡水湿地和盐碱湿地土壤有机碳累积的主要机制。(3)OCHH/Fe HH和OCDH/Fe DH摩尔比结果表明Fe HH和Fe DH保护有机碳的方式主要为吸附或共沉淀作用。OCPP/Fe PP摩尔比介于10~60之间,表明可能存在其它机制。(4)淡水湿地和盐碱湿地土壤SOC的芳香族、酚类、脂肪族化合物占比具有一致性,其所占比的高低顺序均为:芳香族化合物>酚类化合物>脂肪族。在淡水湿地中,FeC添加对土壤有机碳化学组分的影响由Fe添加主导,而在盐碱湿地中由C添加主导。(5)Fe添加会导致土壤有机碳矿化程度增加,加快土壤温室气体排放,而C添加可以增加铁氧化物对土壤有机碳固持效应(淡水湿地:5.9±3.6 mg g-1;盐碱湿地:8.3±3.2 mg g-1),促进有机碳的积累。因此,褐煤可以作为一种湿地土壤改良剂有助于淡水湿地和盐碱湿地碳汇功能的提升。(6)外源Fe和C添加显著改变了淡水湿地和盐碱湿地土壤细菌群落结构组成,显著提高了细菌多样性和丰富度,DOC和Eh是影响淡水湿地和盐碱湿地土壤细菌群落结构两个重要环境因素。C添加处理增加了淡水湿地土壤细菌网络的复杂程度;但Fe添加和FeC添加均导致网络的复杂程度下降。三种处理均增加了盐碱湿地土壤细菌网络的复杂程度。(7)外源Fe和FeC添加显著降低了淡水湿地土壤异化铁还原的能力,增加了甲烷氧化、硫酸盐呼吸、硫化物呼吸、发酵、芳香族化合物分解以及烃类分解的能力。各种处理均显著降低了盐碱湿地土壤甲烷氧化、硫化物呼吸、芳香族化合物分解以及烃类分解的能力。盐碱湿地土壤硫酸盐呼吸显著高于淡水湿地,淡水湿地土壤的反硝化能力显著高于盐碱湿地。
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