摘要

目的人工曝氣改變土壤表面的氧化還原條件。在波動的氧化還原條件下，向濕地中引入鐵會影響碳（C）和磷（P）的循環(huán)。然而，將人工鐵引入濕地并不常見，也沒有鐵劑量指南。我們比較了好氧和厭氧條件，以驗(yàn)證添加鐵雖然依賴氧化還原，但會影響P形態(tài)和有機(jī)C耦合的假設(shè)。材料和方法從小興凱湖湖泊濕地隨機(jī)收集24個完整的土壤芯。并收集了具有代表性的、同質(zhì)的山毛櫸幼苗。培養(yǎng)設(shè)計(jì)有兩個處理因素：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(jī)分為四組，每組三個重復(fù)，分別標(biāo)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(jié)果與討論溶解氧濃度呈分層分布，隨土壤深度降低，隨時間增加而增加，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(jié)合態(tài)磷，表明小興凱湖具有較高的內(nèi)部磷負(fù)荷。兩種鐵磷比土壤表層全鐵、無定形鐵和有機(jī)碳含量無顯著差異；然而，觀察到游離鐵的顯著差異。土壤無定形鐵與土壤有機(jī)碳顯著相關(guān)，表明氧化鐵與土壤化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。結(jié)論短期孵育后，添加鐵可以影響濕地中主要元素的循環(huán)，盡管這種影響依賴于氧化還原。過量的鐵劑量可能會導(dǎo)致區(qū)域環(huán)境風(fēng)險，如富營養(yǎng)化和濕地生態(tài)系統(tǒng)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(guī)模的對照試驗(yàn)。

1導(dǎo)言

濕地生態(tài)系統(tǒng)中的土壤受到干濕循環(huán)的強(qiáng)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)過程（Jiang等人，2006）。濕地是水和陸地之間的過渡地帶，由于土壤氧化還原條件的變化，濕地被認(rèn)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(yīng)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，也沒有鐵劑量指南（Deppe和Benndorf，2002年）。

近年來，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(jī)物的長期保護(hù)（Lalonde等人，2012年），后者被公認(rèn)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)境因素在短時間內(nèi)易發(fā)生變化。之前的研究（Miao et al.2006；Wang et al.2008b）已經(jīng)報(bào)道，土壤-水界面的DO和Eh對土壤P釋放有相當(dāng)大的影響；值得注意的是，缺氧條件導(dǎo)致更多的磷釋放到水中。眾所周知，亞鐵和磷酸鹽（PO43?)當(dāng)氧氣不足時，同時累積。然而，在下一個湖泊周轉(zhuǎn)期，當(dāng)引入氧氣時，磷酸鐵（FePO4）會沉淀（Gunnars等人，2002年）。此外，有機(jī)碳的參與可以抑制這些過程（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)而影響富營養(yǎng)化和碳固存；然而，在人工曝氣條件下，當(dāng)氧化還原條件發(fā)生變化時，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(shè)這些短期環(huán)境變化對濕地-土壤系統(tǒng)的影響將反映在土壤元素的耦合中，因?yàn)樵S多生態(tài)過程，如鐵氧化物轉(zhuǎn)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(jī)質(zhì)在小興凱湖濕地土壤中分解緩慢，積累強(qiáng)烈。然而，濕地碳封存已受到氣候變暖的威脅（Hou 2012）。農(nóng)業(yè)開發(fā)產(chǎn)生的外源鐵輸入被引入自然濕地（鄒等人，2011年、2012年），這顯著影響了該地區(qū)的碳平衡。根據(jù)樸和王（2011）的研究報(bào)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(hù)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(zhuǎn)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(jiān)測和現(xiàn)場土壤巖芯采樣

采樣點(diǎn)位于小興凱湖（45°16′-45°24′N，132°20′-132°50′E）邊緣鹿場湖沼的典型區(qū)域（132°46′26〃E，45°13′47〃N，72m asl）。這一地區(qū)覆蓋著大量的甘草叢，這是一種多年生根莖型水生草本植物，生長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(xì)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(yīng)淹沒條件，并已成為小興凱湖周圍湖泊濕地的優(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，無泥炭堆積，有一薄層草根。表1提供了現(xiàn)場的環(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(shù)。土壤值表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差

2016年7月8日至10日對湖水進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測。使用多參數(shù)儀器（美國YSI EXO2探空儀）收集以下水質(zhì)數(shù)據(jù)：溫度（Temp）、溶解氧（DO）、濁度（桶）、葉綠素a（Chl.a）和電導(dǎo)率（EC）。從10平方米的采樣區(qū)收集24個完整的土芯，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。在取樣過程中，垂直按壓每個PVC管，以收集15厘米的浸沒土壤。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小時內(nèi)被運(yùn)回實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)移到溫室中進(jìn)行后續(xù)培養(yǎng)，以提高其在人工環(huán)境中的存活率。

2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和化學(xué)分析

模擬實(shí)驗(yàn)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(yǎng)25天。為了避免蒸發(fā)，我們使用了一個透明的蓋子，帶有水的入口/出口、一個通氣孔和PVC管頂部的蓋子（圖1）。

圖1培養(yǎng)箱示意圖

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩個處理因子（通氣×Fe/P×重復(fù)），每個處理有三個重復(fù)。在實(shí)驗(yàn)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(diào)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）通過分別與O2或N2連續(xù)溫和鼓泡。將24個土樣隨機(jī)分為兩組，每組具有不同的鐵磷比；因此，每組包括4個處理（好氧+植物、厭氧+植物、好氧或厭氧處理）。通過將曝氣管插入水中，我們?nèi)藶榈乜刂破貧馔亢推貧鈺r間，從而調(diào)節(jié)水的溶解氧濃度。在試驗(yàn)開始后的0、3、5、8、12、17和24天，對上覆水進(jìn)行了七次監(jiān)測。最后一次采樣后，收集每個PVC管中的土壤表面（0–1cm），分析TP、有機(jī)磷（Or-P）、無機(jī)磷（IP）、溶解活性磷（DRP）、土壤有機(jī)碳（SOC）、總鐵（TFe）、無定形鐵（Feo）和游離鐵（Fed）的含量。

在這項(xiàng)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，長度為750μm，通過使用針型微電極（Unisense，丹麥）監(jiān)測DO和Eh的垂直變化。使用數(shù)字pH計(jì)（PHS-3C，中國上海利達(dá)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(qiáng)酸處理后，用鉬酸鹽光譜法萃取磷酸鹽，測定TP、Or-P和IP。通過順序IP提取（Lu 2000），區(qū)分了以下結(jié)合形式：松散吸收的P（ExP）；鋁結(jié)合磷（Al-P）；還原劑可溶性磷，主要是鐵結(jié)合磷（Fe-P）；磷被連二亞硫酸鈉（Oc-P）還原溶解；鈣結(jié)合蛋白（Ca-P）。用0.5 mol L提取DRP?1 NaHCO3（pH=8.5），并使用鉬藍(lán)法測定提取P的含量。TFe用HNO3–HF–HClO4消化0.5小時，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(tǒng)計(jì)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(jī)C之間的關(guān)系。計(jì)算所有平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差，并使用Origin Pro 8.0（美國Originab公司）創(chuàng)建所有圖形。