摘要

目的人工曝氣改變土壤表面的氧化還原條件。在波動(dòng)的氧化還原條件下，向濕地中引入鐵會(huì )影響碳（C）和磷（P）的循環(huán)。然而，將人工鐵引入濕地并不常見(jiàn)，也沒(méi)有鐵劑量指南。我們比較了好氧和厭氧條件，以驗證添加鐵雖然依賴(lài)氧化還原，但會(huì )影響P形態(tài)和有機C耦合的假設。材料和方法從小興凱湖湖泊濕地隨機收集24個(gè)完整的土壤芯。并收集了具有代表性的、同質(zhì)的山毛櫸幼苗。培養設計有兩個(gè)處理因素：鐵磷比（5或10）和高、低溶解氧（DO）濃度（>6和<2 mg L）?分別為1）。隨機分為四組，每組三個(gè)重復，分別標記為好氧+植物處理、厭氧+植物處理和好氧或厭氧處理（對照組）。結果與討論溶解氧濃度呈分層分布，隨土壤深度降低，隨時(shí)間增加而增加，尤其是在有氧條件下。在有氧條件下，Eh值通常隨波動(dòng)而增加。人工曝氣極大地改變了水-土界面的氧化還原環(huán)境。在總磷中，45%為活性鐵結合態(tài)磷，表明小興凱湖具有較高的內部磷負荷。兩種鐵磷比土壤表層全鐵、無(wú)定形鐵和有機碳含量無(wú)顯著(zhù)差異；然而，觀(guān)察到游離鐵的顯著(zhù)差異。土壤無(wú)定形鐵與土壤有機碳顯著(zhù)相關(guān)，表明氧化鐵與土壤化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。結論短期孵育后，添加鐵可以影響濕地中主要元素的循環(huán)，盡管這種影響依賴(lài)于氧化還原。過(guò)量的鐵劑量可能會(huì )導致區域環(huán)境風(fēng)險，如富營(yíng)養化和濕地生態(tài)系統的碳匯。為了充分了解濕地土壤元素的行為，需要進(jìn)行大規模的對照試驗。

1導言

濕地生態(tài)系統中的土壤受到干濕循環(huán)的強烈影響，干濕循環(huán)改變了土壤氧化還原環(huán)境，從而控制了生物地球化學(xué)過(guò)程（Jiang等人，2006）。濕地是水和陸地之間的過(guò)渡地帶，由于土壤氧化還原條件的變化，濕地被認為是鐵還原和亞鐵氧化的熱點(diǎn)，鐵循環(huán)迅速（Liesack et al.2000；Weiss et al.2004）。作為一種重要的氧化還原活性過(guò)渡金屬，鐵可以參與主要元素（如碳（C）、磷（P）的地球化學(xué)循環(huán)；Reddy和Delaune 2008），展示了元素循環(huán)之間的相互作用。對鐵輸入增加的人工曝氣湖泊的長(cháng)期研究表明，曝氣并不能完全抑制磷的釋放（Kleeberg等人，2013年）。鐵絡(luò )合物對磷的吸附可能對氧化還原變化高度敏感。在土壤表面，高鐵磷比不能抑制磷的釋放（Kleeberg et al.2013）。盡管鐵的應用有可能使湖泊中的磷沉淀或失活，但這種技術(shù)的使用并不常見(jiàn)，也沒(méi)有鐵劑量指南（Deppe和Benndorf，2002年）。

近年來(lái)，鐵對濕地碳循環(huán)的影響備受關(guān)注（Smemo和Yavitt，2011年；Riedel等人，2013年）。有人建議，這種鐵-碳組合可以促進(jìn)沉積物有機物的長(cháng)期保護（Lalonde等人，2012年），后者被公認為重要的碳庫。在特殊的人工曝氣條件下，濕地中的氧化還原電位（Eh）和溶解氧（DO）等相關(guān)環(huán)境因素在短時(shí)間內易發(fā)生變化。之前的研究（Miao et al.2006；Wang et al.2008b）已經(jīng)報道，土壤-水界面的DO和Eh對土壤P釋放有相當大的影響；值得注意的是，缺氧條件導致更多的磷釋放到水中。眾所周知，亞鐵和磷酸鹽（PO43?)當氧氣不足時(shí)，同時(shí)累積。然而，在下一個(gè)湖泊周轉期，當引入氧氣時(shí)，磷酸鐵（FePO4）會(huì )沉淀（Gunnars等人，2002年）。此外，有機碳的參與可以抑制這些過(guò)程（Antelo等人，2007年）。濕地中鐵、碳、磷之間存在耦合關(guān)系，影響濕地土壤磷、碳水平，進(jìn)而影響富營(yíng)養化和碳固存；然而，在人工曝氣條件下，當氧化還原條件發(fā)生變化時(shí)，外源鐵輸入如何影響濕地中的磷形態(tài)和碳組成尚不清楚。因此，我們假設這些短期環(huán)境變化對濕地-土壤系統的影響將反映在土壤元素的耦合中，因為許多生態(tài)過(guò)程，如鐵氧化物轉化，都發(fā)生在土壤中。

在我們的研究中，我們考察了小興凱湖濕地，這是一個(gè)位于中國三江平原南部的大型淡水沼澤濕地。由于水分充足，年平均氣溫較低，有機質(zhì)在小興凱湖濕地土壤中分解緩慢，積累強烈。然而，濕地碳封存已受到氣候變暖的威脅（Hou 2012）。農業(yè)開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的外源鐵輸入被引入自然濕地（鄒等人，2011年、2012年），這顯著(zhù)影響了該地區的碳平衡。根據樸和王（2011）的研究報告，小興凱湖的總磷（TP）含量正在增加。因此，進(jìn)一步研究人為鐵輸入引起的鐵、碳、磷變化，對科學(xué)保護和管理小興凱湖至關(guān)重要。因此，我們比較了在兩種不同鐵輸入下，通氣對DO、Eh和Fe、C和P轉化的影響。本研究的目的是：（1）測試不同氧化還原條件下土壤中DO、Eh和鐵氧化物、P形態(tài)和C組成的垂直變化；（2）分析接受外源鐵輸入的濕地中Fe、P和C之間的關(guān)系。

2.材料和方法

2.1采樣地點(diǎn)、水監測和現場(chǎng)土壤巖芯采樣

采樣點(diǎn)位于小興凱湖（45°16′-45°24′N(xiāo)，132°20′-132°50′E）邊緣鹿場(chǎng)湖沼的典型區域（132°46′26〃E，45°13′47〃N，72m asl）。這一地區覆蓋著(zhù)大量的甘草叢，這是一種多年生根莖型水生草本植物，生長(cháng)在潮濕的草甸和沼澤中，主要分布在中國東北部，尤其是三江平原。細莖澤蘭通常在其莖、葉、根莖和根中發(fā)育通氣組織，這使其能夠適應淹沒(méi)條件，并已成為小興凱湖周?chē)礉竦氐膬?yōu)勢種之一。土壤表面為腐殖質(zhì)沼澤，發(fā)育在深湖沉積物上，無(wú)泥炭堆積，有一薄層草根。表1提供了現場(chǎng)的環(huán)境特征、水體質(zhì)量和土壤性質(zhì)。

表1采樣點(diǎn)水和土壤的物理化學(xué)參數。土壤值表示為平均值±標準誤差

2016年7月8日至10日對湖水進(jìn)行了現場(chǎng)監測。使用多參數儀器（美國YSI EXO2探空儀）收集以下水質(zhì)數據：溫度（Temp）、溶解氧（DO）、濁度（桶）、葉綠素a（Chl.a）和電導率（EC）。從10平方米的采樣區收集24個(gè)完整的土芯，以盡量減少異質(zhì)性，然后壓入透明聚氯乙烯（PVC）（高度30厘米，直徑6.8厘米）管中。在取樣過(guò)程中，垂直按壓每個(gè)PVC管，以收集15厘米的浸沒(méi)土壤。在用橡膠塞蓋住每根PVC管后，清除土壤表面的垃圾。所有這些PVC管在48小時(shí)內被運回實(shí)驗室。此外，收集了具有代表性的、同質(zhì)的穗狀根瘤菌幼苗，并轉移到溫室中進(jìn)行后續培養，以提高其在人工環(huán)境中的存活率。

2.2實(shí)驗設計和化學(xué)分析

模擬實(shí)驗于2016年7月25日至8月18日進(jìn)行。PVC管在23–25°C的同一環(huán)境室中培養25天。為了避免蒸發(fā)，我們使用了一個(gè)透明的蓋子，帶有水的入口/出口、一個(gè)通氣孔和PVC管頂部的蓋子（圖1）。

圖1培養箱示意圖

試驗設計了兩個(gè)處理因子（通氣×Fe/P×重復），每個(gè)處理有三個(gè)重復。在實(shí)驗之前，選擇60株同樣高度（約7厘米）的穗狀木幼苗（每芯5株）用長(cháng)鑷子小心地植入芯中。在成功引種3天后，上覆的水被虹吸進(jìn)土柱，其中含有5或10 mg L?1鐵和1毫克升?1 P（Fe/P=5或10）與FeCl2·4H2O和NaH2PO4·2H2O溶液。調整曝氣處理以建立高濃度（>6 mg L?1，需氧）和低濃度（<2 mg L?1，厭氧）通過(guò)分別與O2或N2連續溫和鼓泡。將24個(gè)土樣隨機分為兩組，每組具有不同的鐵磷比；因此，每組包括4個(gè)處理（好氧+植物、厭氧+植物、好氧或厭氧處理）。通過(guò)將曝氣管插入水中，我們人為地控制曝氣通量和曝氣時(shí)間，從而調節水的溶解氧濃度。在試驗開(kāi)始后的0、3、5、8、12、17和24天，對上覆水進(jìn)行了七次監測。最后一次采樣后，收集每個(gè)PVC管中的土壤表面（0–1cm），分析TP、有機磷（Or-P）、無(wú)機磷（IP）、溶解活性磷（DRP）、土壤有機碳（SOC）、總鐵（TFe）、無(wú)定形鐵（Feo）和游離鐵（Fed）的含量。

在這項研究中，我們確定了1厘米的土壤表面作為水-土界面，從而將土壤剖面分成14層，長(cháng)度為750μm，通過(guò)使用針型微電極（Unisense，丹麥）監測DO和Eh的垂直變化。使用數字pH計（PHS-3C，中國上海利達儀器有限公司）在1:5土壤/水（w/v）懸浮液中測量土壤pH。在強酸處理后，用鉬酸鹽光譜法萃取磷酸鹽，測定TP、Or-P和IP。通過(guò)順序IP提?。↙u 2000），區分了以下結合形式：松散吸收的P（ExP）；鋁結合磷（Al-P）；還原劑可溶性磷，主要是鐵結合磷（Fe-P）；磷被連二亞硫酸鈉（Oc-P）還原溶解；鈣結合蛋白（Ca-P）。用0.5 mol L提取DRP?1 NaHCO3（pH=8.5），并使用鉬藍法測定提取P的含量。TFe用HNO3–HF–HClO4消化0.5小時(shí)，然后使用原子吸收分光光度法添加鹽酸羥胺進(jìn)行測量。Fed和Feo含量分別使用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鹽-碳酸氫鈉和草酸銨緩沖溶液（pH=3.2）法測定。此外，在分光光度法中使用鄰菲羅啉來(lái)測定提取的鐵的含量。采用重鉻酸鉀加熱法測定SOC。使用SPSS Statistics 21.0（美國SPSS公司）進(jìn)行統計分析?；诙嘧兞糠讲罘治觯ˋNOVA），比較了通氣對P形態(tài)的主要影響。Pearson的相關(guān)分析用于分析鐵氧化物、P形態(tài)和有機C之間的關(guān)系。計算所有平均值和標準誤差，并使用Origin Pro 8.0（美國Originab公司）創(chuàng )建所有圖形。