铁-碳协同作用通过微生物活动和氧化还原反应的调节，减少了宁夏黄河灌溉区稻田中的碳排放

《Applied Soil Ecology》：Iron–carbon synergy mitigates carbon emissions via microbial and redox regulation in paddy fields of the Ningxia Yellow River irrigation zone

土壤碳动态与铁氧化物还原协同调控机制研究。采用盆栽实验探究有机改良剂（秸秆、生物炭）与铁氧化物的交互作用，发现联合应用（如BF处理）显著降低45天厌氧孵化期累计CO?（-32.5%）和CH?（-41.2%）排放，机制涉及铁还原抑制微生物矿化（MBC降低27.8%）及促进甲烷氧化菌（pmoA）丰度（+58.3%）。铁氧化物形态分析表明FeO与Fed含量分别与CH?减排呈强负相关（r=-0.72）和正相关（r=0.70）。该成果为水稻土碳减排提供了理论依据。

　　本研究围绕铁氧化物与有机材料在淹水稻田土壤碳动态中的协同作用展开，旨在揭示如何通过铁氧化物的应用来优化土壤肥力并减少碳排放。在农业生产中，特别是水稻种植过程中，土壤碳的稳定与释放对全球气候变化具有重要影响。铁氧化物在土壤中扮演着关键角色，它们不仅能够稳定有机碳，还能在特定条件下影响微生物的代谢活动，从而调控温室气体的排放。然而，目前对于铁氧化物在厌氧环境下的具体作用机制，尤其是与有机材料结合时的效应，仍存在诸多未解之谜。因此，本研究通过盆栽实验，系统分析了铁氧化物与不同有机材料（如秸秆和生物炭）对土壤碳矿化过程的影响，并探讨了其在减少温室气体排放方面的潜力。

### 铁氧化物与土壤碳稳定性的关系

铁氧化物在土壤碳稳定性方面具有重要作用。在好氧条件下，铁（III）氧化物，尤其是短程有序的铁氧化物如赤铁矿，能够通过共沉淀、表面吸附和物理保护等方式稳定有机碳。然而，在稻田这种典型的厌氧环境中，铁氧化物可能被微生物还原为亚铁离子（Fe2?），这一过程可能对土壤碳矿化产生复杂影响。例如，铁还原可能破坏原本被铁氧化物保护的有机碳，从而促进土壤有机碳的矿化。同时，铁还原还可能通过电子竞争抑制甲烷生成，从而减少温室气体排放。因此，铁氧化物在厌氧条件下的作用机制需要进一步研究，以明确其对土壤碳循环的调控作用。

### 有机材料对土壤碳循环的影响

有机材料，如秸秆和生物炭，广泛应用于提高稻田土壤肥力。然而，它们对土壤碳循环的影响并不单一，且存在显著差异。秸秆作为一种易分解的有机材料，能够提供丰富的可溶性碳源，促进微生物活动，从而加速土壤有机碳的矿化过程。在厌氧条件下，这种作用可能进一步增强甲烷（CH?）的排放。相比之下，生物炭由于其较高的稳定性，通常不会像秸秆那样迅速释放碳，但它在某些情况下可以作为电子传递介质，促进铁还原过程。此外，生物炭的添加还可能改变土壤的理化性质，从而影响微生物群落的组成和活性。

然而，有机材料的添加并不总是有益的。在某些情况下，它们可能增加土壤碳的排放潜力，甚至对农业碳足迹产生负面影响。例如，秸秆的分解过程可能释放大量二氧化碳（CO?）和甲烷，而生物炭的使用虽然能够减少碳的快速释放，但其长期稳定性仍有待验证。因此，如何在提高土壤肥力的同时，有效控制碳排放，成为当前农业可持续发展的重要课题。

### 铁氧化物与有机材料的协同作用

本研究的实验设计采用了六种处理方式：CK（对照，不添加有机材料和赤铁矿）、B（生物炭）、S（秸秆）、F（赤铁矿）、BF（生物炭与赤铁矿结合）、SF（秸秆与赤铁矿结合）。实验过程中，研究人员采集了稻田土壤样本，分析了土壤碳组分、铁氧化物形态以及功能微生物的丰度。同时，通过厌氧培养实验，评估了不同处理条件下土壤碳排放的动态变化。实验结果显示，赤铁矿与有机材料的联合应用显著降低了45天内的累积CO?和CH?排放量，相较于单独添加有机材料的效果更为明显。

这一结果表明，铁氧化物与有机材料之间存在复杂的相互作用。一方面，铁氧化物的还原过程可能通过电子竞争抑制微生物的碳矿化活动，从而减少CO?的释放；另一方面，铁氧化物的还原也可能通过释放分子氧，促进甲烷氧化微生物的活性，从而降低CH?的排放。此外，铁氧化物的添加还可能改变土壤中的碳形态，如溶解性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（MBC），进而影响碳的矿化速率和方向。

### 实验结果的详细分析

实验数据显示，有机材料的添加显著提高了土壤中的碳含量，尤其是SOC（土壤有机碳）和DOC（溶解性有机碳）。与对照组相比，生物炭和秸秆的添加分别使SOC含量增加了24.52%和24.12%，而赤铁矿的添加则对SOC的提升作用相对较小。这一结果可能与有机材料的来源及其对土壤结构的影响有关。例如，秸秆的分解过程可能释放更多的可溶性有机碳，从而促进DOC的积累，而生物炭由于其较高的稳定性，可能对SOC的增加贡献更大。

在微生物生物量碳（MBC）方面，有机材料的添加显著提升了其含量，但赤铁矿的加入则抑制了这一增长。特别是生物炭与赤铁矿的联合应用（BF处理）表现出最低的MBC含量，这可能与铁氧化物的还原过程抑制了微生物的活性有关。此外，MBC与CO?排放之间存在显著的正相关关系，而自由铁氧化物（Fed）则与CO?排放呈负相关，这表明铁氧化物通过稳定有机碳和抑制微生物呼吸作用，有效降低了CO?的释放。

在甲烷排放方面，赤铁矿的加入显著抑制了CH?的产生，特别是在生物炭与赤铁矿联合应用的情况下，其抑制效果最为明显。这可能与铁氧化物的还原过程提供了额外的电子受体，从而减少了甲烷生成微生物的可用碳源有关。同时，甲烷氧化微生物（如pmoA基因）的丰度在赤铁矿处理下有所增加，进一步支持了铁氧化物对甲烷排放的抑制作用。

### 微生物群落的响应

实验还分析了土壤中与铁还原和甲烷代谢相关的功能微生物群落。结果显示，赤铁矿的添加显著增加了铁还原微生物（如Geobacteraceae）的丰度，而甲烷生成微生物（如mcrA基因）的丰度则受到抑制。这一现象可能与铁氧化物的还原过程改变了土壤的电子传递路径有关。铁还原微生物在厌氧条件下能够优先利用铁氧化物作为电子受体，从而抑制了甲烷生成微生物的活动。此外，生物炭的加入不仅促进了铁氧化物的积累，还通过其结构特性增强了铁还原微生物的活性，这可能进一步解释了其对碳排放的抑制作用。

### 铁氧化物对碳排放的调控机制

研究结果表明，铁氧化物在调控土壤碳排放方面具有重要作用。一方面，铁氧化物的还原过程通过增加Fe2?的浓度，抑制了微生物的呼吸活动，从而减少了CO?的释放。另一方面，铁氧化物的还原可能通过提供额外的电子受体，促进甲烷氧化微生物的活动，从而降低CH?的排放。此外，铁氧化物的加入还可能改变土壤中有机碳的形态，使其更易被微生物稳定，从而减少其矿化速率。

这些调控机制可能包括以下几个方面：首先，铁氧化物的还原过程可能通过热力学限制，抑制微生物的呼吸途径；其次，铁还原过程中可能产生的自由基反应（如Fenton反应）可能破坏微生物的细胞功能；最后，铁氧化物可能通过竞争性排除其他电子受体，从而改变微生物的代谢路径。这些机制共同作用，使得铁氧化物在减少碳排放方面表现出显著的调控能力。

### 实验设计与方法

本实验在宁夏黄河灌区的水稻种植基地进行，选用的土壤为人为形成的冲积土，具有较粗的土壤结构。实验过程中，研究人员通过五点采样法采集了0-20厘米深度的土壤样本，并进行了风干、研磨和过筛处理，以确保实验条件的一致性。实验设置了六种处理方式，每种处理均设置三个重复，共计18个盆栽。所有处理均在相同的基础肥料条件下进行，包括氮肥、磷肥和钾肥的施加。实验过程中，研究人员通过定期采样和气体分析，评估了不同处理条件下土壤碳排放的动态变化。

在数据处理方面，研究人员首先对所有数据进行了正态性检验，并在必要时进行了对数转换以满足正态分布的假设。随后，通过单因素方差分析（ANOVA）和事后检验（Tukey’s HSD）比较了不同处理之间的差异。此外，研究人员还采用了冗余分析（RDA）和相关性分析，以识别影响碳排放的关键因素。这些分析方法为理解铁氧化物与有机材料在调控土壤碳动态中的作用提供了坚实的理论基础。

### 研究意义与应用前景

本研究的结果不仅揭示了铁氧化物在调控土壤碳排放中的重要作用，还为农业可持续发展提供了新的思路。通过合理应用铁氧化物，可以有效减少有机材料在稻田中的碳排放潜力，同时保持土壤肥力。这一发现对于优化土壤管理策略、实现低碳高产的农业生产模式具有重要意义。特别是在宁夏黄河灌区这样的特殊农业生态系统中，铁氧化物的应用可能成为减少温室气体排放、提高土壤肥力的有效手段。

此外，本研究还为未来的研究提供了重要的方向。例如，如何量化铁氧化物与有机材料之间的竞争与氧化过程，如何进一步提高生物炭在促进铁还原中的作用，以及如何评估铁-碳复合物在长期红ox循环中的稳定性，都是亟待解决的问题。这些问题的答案将有助于更全面地理解土壤碳动态的调控机制，并为农业碳减排提供科学依据。

总之，本研究通过系统的实验设计和数据分析，揭示了铁氧化物与有机材料在调控稻田土壤碳排放中的协同作用。这些发现不仅有助于优化农业实践，还为全球范围内的低碳农业提供了理论支持和实践指导。未来的研究可以进一步探索这些机制在不同土壤类型和环境条件下的适用性，以期为全球农业可持续发展做出更大贡献。