南方稻田土壤富含铁矿物，大量研究强调了碳铁耦合对土壤有机碳长期储存和稳定的重要性，但由于碳铁复合物难以从土壤中分离，其对土壤有机碳的保护机制认识尚未深入。

为此，中国科学院亚热带农业生态研究所吴金水研究团队以2线水铁矿和6线水铁矿（分别代表无定型和晶型铁矿物）及¹³C-葡萄糖为原料制备了四种碳铁复合物（包括2线水铁矿结合态高量、低量葡萄糖和6线水铁矿结合态高量、低量葡萄糖），并以高量、低量纯葡萄糖为对照，采用室内培养试验，在60天培养期内观测了稻田土壤碳铁复合物的矿化过程及对土壤原有有机碳矿化的激发效应。结果表明，2线水铁矿结合态葡萄糖的累积矿化率比6线水铁矿结合态葡萄糖高~21%。仅葡萄糖添加刺激了土壤原有有机碳矿化，形成了正激发（~0.27 % SOC），但碳铁复合物输入抑制了土壤原有有机碳矿化，引起了负激发（-0.33% ~ -0.55% SOC）。CO₂的激发效应强度取决于于水铁矿结晶度，即：6线水铁矿结合态葡萄糖引起的CO₂激发效应强度仅为2线水铁矿结合态葡萄糖的一半。这是由于：6线水铁矿的铁还原速率较慢，其结合的葡萄糖释放量少；6线水铁矿吸附了溶解性有机碳、铵态氮和有效磷等，加重了微生物碳源和养分限制，从而抑制微生物活性。CH₄的激发效应与水铁矿结合的葡萄糖浓度高度相关，即：水铁矿结合态高量葡萄糖的CH₄负激发效应强度弱于水铁矿结合低量葡萄糖。这是由于：水铁矿结合态高量葡萄糖的铁还原速率快，葡萄糖被释放量多，为产甲烷菌提供更充分底物。研究明确了铁矿物通过降低其结合的碳被矿化并诱导负激发效应（抑制土壤有机碳矿化），进而促进稻田土壤有机碳积累，且碳积累增强效应取决于铁矿物的结晶度以及碳负载量。因此，促进无定型铁矿物向晶型铁矿物转化，可增强富铁水稻土有机碳积累。研究结果有助于深入理解碳铁复合物促进南方红黄壤性水稻土有机碳积累的过程机制，并对该区域土壤肥力提升及田间综合管理等方面具有重要指导意义。

该项研究近期以题为Iron–organic carbon associations stimulate carbon accumulation in paddy soils by decreasing soil organic carbon priming发表在土壤学期刊Soil Biology and Biochemistry上。该研究得到了国家自然科学基金和中科院青促会项目的资助。

论文链接

图1 土壤碳铁复合物制备及晶型结构表征

图2 稻田土壤碳铁复合物对有机碳的保护机制图