摘要


目的人工曝气改变土壤表面的氧化还原条件。在波动的氧化还原条件下，向湿地中引入铁会影响碳（C）和磷（P）的循环。然而，将人工铁引入湿地并不常见，也没有铁剂量指南。我们比较了好氧和厌氧条件，以验证添加铁虽然依赖氧化还原，但会影响P形态和有机C耦合的假设。材料和方法从小兴凯湖湖泊湿地随机收集24个完整的土壤芯。并收集了具有代表性的、同质的山毛榉幼苗。培养设计有两个处理因素：铁磷比（5或10）和高、低溶解氧（DO）浓度（>6和<2 mg L）−分别为1）。随机分为四组，每组三个重复，分别标记为好氧+植物处理、厌氧+植物处理和好氧或厌氧处理（对照组）。结果与讨论溶解氧浓度呈分层分布，随土壤深度降低，随时间增加而增加，尤其是在有氧条件下。在有氧条件下，Eh值通常随波动而增加。人工曝气极大地改变了水-土界面的氧化还原环境。在总磷中，45%为活性铁结合态磷，表明小兴凯湖具有较高的内部磷负荷。两种铁磷比土壤表层全铁、无定形铁和有机碳含量无显著差异；然而，观察到游离铁的显著差异。土壤无定形铁与土壤有机碳显著相关，表明氧化铁与土壤化学性质有关。结论短期孵育后，添加铁可以影响湿地中主要元素的循环，尽管这种影响依赖于氧化还原。过量的铁剂量可能会导致区域环境风险，如富营养化和湿地生态系统的碳汇。为了充分了解湿地土壤元素的行为，需要进行大规模的对照试验。


1导言


湿地生态系统中的土壤受到干湿循环的强烈影响，干湿循环改变了土壤氧化还原环境，从而控制了生物地球化学过程（Jiang等人，2006）。湿地是水和陆地之间的过渡地带，由于土壤氧化还原条件的变化，湿地被认为是铁还原和亚铁氧化的热点，铁循环迅速（Liesack et al.2000；Weiss et al.2004）。作为一种重要的氧化还原活性过渡金属，铁可以参与主要元素（如碳（C）、磷（P）的地球化学循环；Reddy和Delaune 2008），展示了元素循环之间的相互作用。对铁输入增加的人工曝气湖泊的长期研究表明，曝气并不能完全抑制磷的释放（Kleeberg等人，2013年）。铁络合物对磷的吸附可能对氧化还原变化高度敏感。在土壤表面，高铁磷比不能抑制磷的释放（Kleeberg et al.2013）。尽管铁的应用有可能使湖泊中的磷沉淀或失活，但这种技术的使用并不常见，也没有铁剂量指南（Deppe和Benndorf，2002年）。


近年来，铁对湿地碳循环的影响备受关注（Smemo和Yavitt，2011年；Riedel等人，2013年）。有人建议，这种铁-碳组合可以促进沉积物有机物的长期保护（Lalonde等人，2012年），后者被公认为重要的碳库。在特殊的人工曝气条件下，湿地中的氧化还原电位（Eh）和溶解氧（DO）等相关环境因素在短时间内易发生变化。之前的研究（Miao et al.2006；Wang et al.2008b）已经报道，土壤-水界面的DO和Eh对土壤P释放有相当大的影响；值得注意的是，缺氧条件导致更多的磷释放到水中。众所周知，亚铁和磷酸盐（PO43−)当氧气不足时，同时累积。然而，在下一个湖泊周转期，当引入氧气时，磷酸铁（FePO4）会沉淀（Gunnars等人，2002年）。此外，有机碳的参与可以抑制这些过程（Antelo等人，2007年）。湿地中铁、碳、磷之间存在耦合关系，影响湿地土壤磷、碳水平，进而影响富营养化和碳固存；然而，在人工曝气条件下，当氧化还原条件发生变化时，外源铁输入如何影响湿地中的磷形态和碳组成尚不清楚。因此，我们假设这些短期环境变化对湿地-土壤系统的影响将反映在土壤元素的耦合中，因为许多生态过程，如铁氧化物转化，都发生在土壤中。


在我们的研究中，我们考察了小兴凯湖湿地，这是一个位于中国三江平原南部的大型淡水沼泽湿地。由于水分充足，年平均气温较低，有机质在小兴凯湖湿地土壤中分解缓慢，积累强烈。然而，湿地碳封存已受到气候变暖的威胁（Hou 2012）。农业开发产生的外源铁输入被引入自然湿地（邹等人，2011年、2012年），这显着影响了该地区的碳平衡。根据朴和王（2011）的研究报告，小兴凯湖的总磷（TP）含量正在增加。因此，进一步研究人为铁输入引起的铁、碳、磷变化，对科学保护和管理小兴凯湖至关重要。因此，我们比较了在两种不同铁输入下，通气对DO、Eh和Fe、C和P转化的影响。本研究的目的是：（1）测试不同氧化还原条件下土壤中DO、Eh和铁氧化物、P形态和C组成的垂直变化；（2）分析接受外源铁输入的湿地中Fe、P和C之间的关系。


2.材料和方法


2.1采样地点、水监测和现场土壤岩芯采样


采样点位于小兴凯湖（45°16′-45°24′N，132°20′-132°50′E）边缘鹿场湖沼的典型区域（132°46′26〃E，45°13′47〃N，72m asl）。这一地区覆盖着大量的甘草丛，这是一种多年生根茎型水生草本植物，生长在潮湿的草甸和沼泽中，主要分布在中国东北部，尤其是三江平原。细茎泽兰通常在其茎、叶、根茎和根中发育通气组织，这使其能够适应淹没条件，并已成为小兴凯湖周围湖泊湿地的优势种之一。土壤表面为腐殖质沼泽，发育在深湖沉积物上，无泥炭堆积，有一薄层草根。表1提供了现场的环境特征、水体质量和土壤性质。


表1采样点水和土壤的物理化学参数。土壤值表示为平均值±标准误差


2016年7月8日至10日对湖水进行了现场监测。使用多参数仪器（美国YSI EXO2探空仪）收集以下水质数据：温度（Temp）、溶解氧（DO）、浊度（桶）、叶绿素a（Chl.a）和电导率（EC）。从10平方米的采样区收集24个完整的土芯，以尽量减少异质性，然后压入透明聚氯乙烯（PVC）（高度30厘米，直径6.8厘米）管中。在取样过程中，垂直按压每个PVC管，以收集15厘米的浸没土壤。在用橡胶塞盖住每根PVC管后，清除土壤表面的垃圾。所有这些PVC管在48小时内被运回实验室。此外，收集了具有代表性的、同质的穗状根瘤菌幼苗，并转移到温室中进行后续培养，以提高其在人工环境中的存活率。


2.2实验设计和化学分析


模拟实验于2016年7月25日至8月18日进行。PVC管在23–25°C的同一环境室中培养25天。为了避免蒸发，我们使用了一个透明的盖子，带有水的入口/出口、一个通气孔和PVC管顶部的盖子（图1）。

图1培养箱示意图


试验设计了两个处理因子（通气×Fe/P×重复），每个处理有三个重复。在实验之前，选择60株同样高度（约7厘米）的穗状木幼苗（每芯5株）用长镊子小心地植入芯中。在成功引种3天后，上覆的水被虹吸进土柱，其中含有5或10 mg L−1铁和1毫克升−1 P（Fe/P=5或10）与FeCl2·4H2O和NaH2PO4·2H2O溶液。调整曝气处理以建立高浓度（>6 mg L−1，需氧）和低浓度（<2 mg L−1，厌氧）通过分别与O2或N2连续温和鼓泡。将24个土样随机分为两组，每组具有不同的铁磷比；因此，每组包括4个处理（好氧+植物、厌氧+植物、好氧或厌氧处理）。通过将曝气管插入水中，我们人为地控制曝气通量和曝气时间，从而调节水的溶解氧浓度。在试验开始后的0、3、5、8、12、17和24天，对上覆水进行了七次监测。最后一次采样后，收集每个PVC管中的土壤表面（0–1cm），分析TP、有机磷（Or-P）、无机磷（IP）、溶解活性磷（DRP）、土壤有机碳（SOC）、总铁（TFe）、无定形铁（Feo）和游离铁（Fed）的含量。


在这项研究中，我们确定了1厘米的土壤表面作为水-土界面，从而将土壤剖面分成14层，长度为750μm，通过使用针型微电极（Unisense，丹麦）监测DO和Eh的垂直变化。使用数字pH计（PHS-3C，中国上海利达仪器有限公司）在1:5土壤/水（w/v）悬浮液中测量土壤pH。在强酸处理后，用钼酸盐光谱法萃取磷酸盐，测定TP、Or-P和IP。通过顺序IP提取（Lu 2000），区分了以下结合形式：松散吸收的P（ExP）；铝结合磷（Al-P）；还原剂可溶性磷，主要是铁结合磷（Fe-P）；磷被连二亚硫酸钠（Oc-P）还原溶解；钙结合蛋白（Ca-P）。用0.5 mol L提取DRP−1 NaHCO3（pH=8.5），并使用钼蓝法测定提取P的含量。TFe用HNO3–HF–HClO4消化0.5小时，然后使用原子吸收分光光度法添加盐酸羟胺进行测量。Fed和Feo含量分别使用连二亚硫酸钠-柠檬酸盐-碳酸氢钠和草酸铵缓冲溶液（pH=3.2）法测定。此外，在分光光度法中使用邻菲罗啉来测定提取的铁的含量。采用重铬酸钾加热法测定SOC。使用SPSS Statistics 21.0（美国SPSS公司）进行统计分析。基于多变量方差分析（ANOVA），比较了通气对P形态的主要影响。Pearson的相关分析用于分析铁氧化物、P形态和有机C之间的关系。计算所有平均值和标准误差，并使用Origin Pro 8.0（美国Originab公司）创建所有图形。