全球领先的微电极研究系统

3结果

3.1水和土壤特性

表1列出了水和土壤的物理和化学性质。根据现场调查，小兴凯湖水体溶解氧浓度低，pH值偏碱性，受人为干扰，研究区水体的溶解氧浓度较高。与水不同，小兴凯湖的土壤呈弱酸性，这可能是由微生物作用造成的。小兴凯湖土壤中有机碳、总磷和全氟含量的平均值为38.41±5.43 kg−1444.60±38.97毫克/千克−1和11.80±0.52克/千克−分别为1。

3.2不同铁磷比下土壤元素的积累特征DO浓度分为三类：0-1500、2250-5250和≥6000，不考虑Fe/P（图2a，b）。当深度小于1500μm时，所有四种处理的DO浓度都是稳定的。由于氧气的引入，有氧组保持较高的DO浓度，其他两组在4 mg L左右波动−1因为氮气的引入。在2250和5250μm之间的深度，溶解氧浓度随波动而增加。深度大于6000μm时，溶解氧浓度达到极限值（0.3 mg L−1），但在有氧条件下第12天后增加，表明深层土壤中的DO浓度降低，但随着时间的推移迅速增加。土壤Eh值在两种不同的铁磷比之间差异很大。铁磷比为5时，不同处理的土壤Eh值不同（图2c）。好氧+植物处理的土壤Eh值向上波动，而厌氧+植物处理的土壤Eh值降至最低（第5天），然后缓慢上升，而对照处理的土壤Eh值则波动并下降。在铁磷比为10的情况下，土壤Eh值通常先降低后升高（图2d）。

图2两种铁磷比下四种处理（好氧+植物、厌氧+植物、好氧和厌氧）不同土层的溶解氧（DO）浓度（a、b）和氧化还原电位（Eh）值（c、d）随时间的变化

环境因子（DO和Eh）的变化影响土壤元素的积累。土壤磷形态的含量见表2和表3。小兴凯湖湿地土壤有机磷和有机磷含量分别占总磷含量的50%左右。不同IP组分的减少顺序为Fe-P>Al-P>Oc-P>Ca-P>Ex-P。不同处理之间的Fe-P、Ex-P或Al-P含量存在显着差异，但Oc-P、Ca-P和DRP没有显着差异（表2和表3）。此外，我们还发现，在四种处理中，有氧条件下的磷形态含量最高。

铁是湿地土壤化学形态转化的主要元素之一。在培养期间，在土壤中观察到TFe和铁氧化物（Feo和Fed）（图3）。好氧处理的土壤TFe、Feo和饲料含量显着高于其他三个处理（图3）。根据多变量方差分析，各处理间TFe含量存在显着差异（F=5.827，p=0.021），但Feo含量无显着差异（F=1.419，p=0.307）。观察到的美联储变化更为复杂。在铁磷比为5的情况下，在好氧+植物处理（P=0.047）、厌氧+植物处理（P=0.015）和厌氧处理（P=0.025）中观察到显着差异；然而，在铁磷比为10时，没有显着差异（P>0.05）。

土壤有机碳随着其他元素之间的相互作用而变化。如图4所示，无论铁磷比如何（F=34.035，P<0.0001；F=8.089，P=0.008），四种处理的土壤有机碳含量显着不同。在铁磷比为5的条件下，土壤有机碳的平均含量按以下顺序降低：需氧（85.01g/kg）−1）>好氧+植物（31.28 g kg−1）>厌氧（29.13克/千克−1）>厌氧+工厂（24.10 g kg−1).在铁磷比为10的条件下，土壤有机碳的平均含量按以下顺序降低：好氧（54.82g/kg）−1）>厌氧（44.88克/千克−1）>厌氧+工厂（26.82 g kg−1）>好氧+植物（21.87 g kg−1).

表2铁磷比为5时四种处理的不同磷形态。数值表示为平均值±标准误差。同一列中具有相同小写字母的平均数在p<0.05时显着不同（反之亦然）

3.3不同铁磷比下铁、磷和碳元素的相关性分析

对不同铁磷比下的TFe、Feo、Fed、P形态和SOC进行了相关分析（表4）。铁磷比为5时，Feo、铁活性（Feo/Fed）和SOC之间存在显着相关性（p<0.05），但在铁磷比为10时，Feo/Fed和SOC之间没有相关性。因此，有机碳（即有机质）的增加会促进Feo的增加，但不一定会增强土壤的氧化铁活性。

表4不同铁磷比下总磷（TP）、无机磷（IP）、溶解活性磷（DRP）、全铁（TFe）、无定形铁（Feo）、游离铁（Fed）、氧化铁活化度（Feo/Fed）与土壤有机碳（SOC）的相关性

铁磷比为10时，磷形态与土壤有机碳之间的相关性比铁磷比为5时更显着（表5）。无论铁磷比如何，TP、IP和SOC之间都存在显着相关性（P<0.01）。当Fe/P比为10时，土壤有机碳与Fe/Al-P显着相关（r=0.778，r=0.919；P<0.01），但与其他IP形式无关，间接表明IP主要由Fe/Al-P组成。IP、Or-P和TP之间存在显着相关性，表明IP和Or-P对土壤TP的贡献相同。

表5不同铁磷比下磷形态与土壤有机碳的相关性

4讨论

好氧和厌氧处理中的DO浓度随时间显着变化（图2a，b）。此外，人工曝气确保了氧化继续通过水-土界面，这一过程不会在深层土壤中自然发生。因此，由于曝气装置（图2c，d）的运行而增加的Eh刺激的磷沉淀可以增强曝气的预期效果。重要的是要认识到，铁磷在好氧和厌氧处理之间存在显着差异（表2和表3），表明磷的释放受到曝气的抑制。磷吸附到铁络合物的过程会导致从水柱中大量去除磷（Gunnars等人，2002年），并且对氧化还原变化敏感。土壤表面氧化还原敏感铁磷的数量、磷的释放及其与铁的共沉淀均受人工曝气的控制。当引入O2时，磷酸铁沉淀；否则，在氧气不足的情况下会释放磷。因此，使用铁来灭活磷需要连续完全混合或曝气（Cooke 1993；Jaeger 1994）。人工铁输入改变了湖泊的铁储量，在很大程度上决定了磷的流动性。在土壤表面，铁磷比越高，磷释放率越低（Jensen et al.1992）。最近，Zou et al.（2018）还发现，与厌氧处理相比，好氧处理对TP的去除率最高，尤其是在较高的铁磷比下，这表明在好氧条件下引入的铁抑制了土壤TP的释放，从而降低了水TP。因此，添加铁会影响沉积物中P的埋藏，从而对湖泊的营养状态产生强烈影响，尤其是在DO浓度较高的情况下。

表3铁磷比为10时四种处理的不同磷形态。数值表示为平均值±标准误差。同一列中具有相同小写字母的平均数在p<0.05时显着不同（反之亦然）

我们发现，小兴凯湖土壤中都存在IP和Or-P，每一种都占总磷的50%左右。这一结果与俞（2014）关于小兴凯湖沉积物磷释放的结果一致。Rydin（2000）报道，除了Oc-P、Ca-P和40%OrP之外，土壤P可被微生物利用，并形成生物有效P。因此，Ex-P、Al/Fe-P和60%Or-P的总和被估计为总生物有效P。在我们的研究中，生物活性P约占TP含量的65.97%，这表明，如果水生干扰和环境因素影响磷循环，小兴凯湖沉积物很可能成为磷源，导致富营养化。

TFe向土壤表面的显着增加（图3）归因于氧化还原，在没有O2的情况下，Fe2+还原溶解和扩散到上覆水中，以及在O2存在的情况下连续氧化为Fe3+（Zhang et al.2017）。然而，在人工曝气期间，两种铁磷比的TFe没有显着差异（F=1.505，P=0.233）。在迁移过程中，观察到了总铁质量的变化和铁化学形态的转变。我们发现，在铁磷比为5（F=3.980，P=0.047）的处理中，饲喂量存在显着差异，而在铁磷比为10（图3）的处理中没有差异。相比之下，在两个铁磷比中，不同处理之间的铁氧比没有显着差异。

土壤铁氧化物的转化是控制磷有效性的一个重要机制，尤其是Feo的影响（Su等人，2001年；Gao等人，2002年）。在Fe/P比为10时，溶解活性磷（DRP）与Feo呈强相关（r=0.608，P<0.05；表4），表明随着Feo的增加，DRP逐渐增加，从而提高了土壤有效磷含量。这种情况与钙质土壤不一致（Zhu等人，1993年），但支持旱地土壤的研究结果（Wang等人，2008a）。此外，土壤物质组成也会影响土壤P的行为。传闻证据表明，溶解活性磷与TP不完全相关，但与土壤有机质呈正相关或负相关（Jia和Li，2011；Liu等人，2012）。在该研究中，我们发现DRP和TP之间没有显着相关性，DRP和SOC之间的正相关性仅出现在铁磷比为10时（表4），这可能与铁输入浓度对耦合元素循环的影响有关。

图3两种铁磷比下四种处理（好氧+植物、厌氧+植物、好氧和厌氧）的总铁（TFe）、无定形铁（Feo）和游离铁（Fed）含量

两种铁磷比之间的SOC没有显着差异（图4）。然而，四种处理的SOC显着不同（对于5的铁磷比，F=34.036，p<0.001；对于10的铁磷比，F=8.089，p=0.008）。我们注意到，在好氧处理中，SOC含量最高。在好氧条件下，铁氧化物可能会强烈吸附SOC，并通过共沉淀形成络合物，以稳定有机碳（Mikutta等人，2006年；Lalonde等人，2012年）。我们观察到的Feo含量与SOC之间的正相关关系（表4）表明，随着Feo含量的大幅增加，SOC含量实际上可能会增加。在湿地土壤中，Feo和有机C之间的相互作用可能是有机C稳定的最重要机制（Kleber等人，2005年；Lalonde等人，2012年）。有趣的是，SOC和铁活度（Feo/Fed）之间的相关性因铁磷比不同而不同。我们发现，土壤有机碳与Feo、Fe活性呈正相关（对于Fe/P比为5的土壤，r=0.882；对于Fe/P比为10的土壤，r=0.756；P<0.01），表明增加有机碳（即有机质）的输入可以增加土壤中Feo的含量，提高铁氧化物的活性。然而，在铁磷比为10时，没有发现这种关系。因此，增加有机碳输入并不一定会提高湿地土壤中的铁活性。

图4两种铁磷比下四种处理（好氧+植物、厌氧+植物、好氧和厌氧）的土壤有机碳含量

5结论

模拟不同Fe/P比的人工曝气对DO、Eh的垂直变化以及C和P的转化的影响，我们的研究结果表明，DO浓度在水-土界面分层，随土壤深度降低，随时间迅速增加。在有氧条件下，Eh值通常随波动而增加。小兴凯湖土壤表层的磷形态由半磷和磷组成，其中铁磷比例最高，与较高的内部磷负荷有关。在好氧条件下，总铁质量和SOC比厌氧条件下增加更多，且不受铁磷比的影响。Feo的增加可能是通气处理后SOC增加的原因之一。然而，铁活性和SOC之间的相关性受到铁输入的影响。我们认为，施加的Fe输入强度必须考虑Fe与有机C的相关性，并且应施加过量的Fe，以提供一个大的反应FE-P池和连续补充Fe以有效地结合土壤P。需要进行大规模的控制实验，以充分了解湿地中土壤元素的行为，包括潜在的富营养化风险和碳固存，这在淡水湿地生态系统中的重要性越来越明显。

致谢

中国国家自然科学基金（2016YFC0500 408）、国家自然科学基金（41271107,41471079）、中国农业科学院东北地理与农业生态研究所（IGA-135-05）资助了该研究。