南方稻田土壤富含鐵礦物，大量研究強調(diào)了碳鐵耦合對土壤有機碳長期儲存和穩(wěn)定的重要性，但由于碳鐵復(fù)合物難以從土壤中分離，其對土壤有機碳的保護機制認識尚未深入。
為此，中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所吳金水研究團隊以2線水鐵礦和6線水鐵礦（分別代表無定型和晶型鐵礦物）及13C-葡萄糖為原料制備了四種碳鐵復(fù)合物（包括2線水鐵礦結(jié)合態(tài)高量、低量葡萄糖和6線水鐵礦結(jié)合態(tài)高量、低量葡萄糖），并以高量、低量純葡萄糖為對照，采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗，在60天培養(yǎng)期內(nèi)觀測了稻田土壤碳鐵復(fù)合物的礦化過程及對土壤原有有機碳礦化的激發(fā)效應(yīng)。結(jié)果表明，2線水鐵礦結(jié)合態(tài)葡萄糖的累積礦化率比6線水鐵礦結(jié)合態(tài)葡萄糖高~21%。僅葡萄糖添加刺激了土壤原有有機碳礦化，形成了正激發(fā)（~0.27 % SOC），但碳鐵復(fù)合物輸入抑制了土壤原有有機碳礦化，引起了負激發(fā)（-0.33% ~ -0.55% SOC）。CO2的激發(fā)效應(yīng)強度取決于于水鐵礦結(jié)晶度，即：6線水鐵礦結(jié)合態(tài)葡萄糖引起的CO2激發(fā)效應(yīng)強度僅為2線水鐵礦結(jié)合態(tài)葡萄糖的一半。這是由于：6線水鐵礦的鐵還原速率較慢，其結(jié)合的葡萄糖釋放量少；6線水鐵礦吸附了溶解性有機碳、銨態(tài)氮和有效磷等，加重了微生物碳源和養(yǎng)分限制，從而抑制微生物活性。CH4的激發(fā)效應(yīng)與水鐵礦結(jié)合的葡萄糖濃度高度相關(guān)，即：水鐵礦結(jié)合態(tài)高量葡萄糖的CH4負激發(fā)效應(yīng)強度弱于水鐵礦結(jié)合低量葡萄糖。這是由于：水鐵礦結(jié)合態(tài)高量葡萄糖的鐵還原速率快，葡萄糖被釋放量多，為產(chǎn)甲烷菌提供更充分底物。研究明確了鐵礦物通過降低其結(jié)合的碳被礦化并誘導(dǎo)負激發(fā)效應(yīng)（抑制土壤有機碳礦化），進而促進稻田土壤有機碳積累，且碳積累增強效應(yīng)取決于鐵礦物的結(jié)晶度以及碳負載量。因此，促進無定型鐵礦物向晶型鐵礦物轉(zhuǎn)化，可增強富鐵水稻土有機碳積累。研究結(jié)果有助于深入理解碳鐵復(fù)合物促進南方紅黃壤性水稻土有機碳積累的過程機制，并對該區(qū)域土壤肥力提升及田間綜合管理等方面具有重要指導(dǎo)意義。
該項研究近期以題為Iron–organic carbon associations stimulate carbon accumulation in paddy soils by decreasing soil organic carbon priming發(fā)表在土壤學期刊Soil Biology and Biochemistry上。該研究得到了國家自然科學基金和中科院青促會項目的資助。
圖1 土壤碳鐵復(fù)合物制備及晶型結(jié)構(gòu)表征
圖2 稻田土壤碳鐵復(fù)合物對有機碳的保護機制圖