铁氧化物（ferrihydrite与goethite）对土壤微团聚体（<20 μm）形成与稳定性的调控机制研究

推荐：本研究针对长期农业管理下土壤微团聚体（SMA）稳定性下降的问题，通过添加不同铁氧化物（ferrihydrite和goethite）及腐殖酸（HA），结合激光衍射和扫描电镜技术，揭示了铁氧化物通过静电作用促进3–10 μm SMA形成，并优化>10 μm SMA结构的机制。成果为土壤结构修复提供了理论依据，发表于《Geoderma》。

　　

土壤是地球生态系统的基石，其结构稳定性直接影响碳封存、养分循环和作物生产力。然而，长期集约化农业管理（如休耕）导致土壤有机质（SOM）流失，削弱了微团聚体（Soil Microaggregates, SMA <20 μm）的稳定性。铁氧化物（Fe oxides）作为关键无机胶结剂，虽在酸性至中性土壤中通过表面正电荷促进团聚体形成，但其晶体形态（如无定形ferrihydrite与针状goethite）和添加量对SMA形成与稳定性的调控机制尚不明确。

德国于利希研究中心等机构的研究团队以长期耕作与休耕管理的Stagnic Luvisol为对象，通过添加1%和5% ferrihydrite或goethite，结合腐殖酸（HA）对照实验，系统解析了铁氧化物对SMA的调控作用。研究发现，铁氧化物通过静电吸引<3 μm颗粒形成3–10 μm SMA，并通过填充孔隙优化>10 μm SMA结构；ferrihydrite因粒径小、比表面积大，展现出更强的结构压实能力。该成果发表于《Geoderma》，为退化土壤修复提供了理论支撑。

研究采用激光衍射（LA-950）动态监测团聚体粒径分布，通过扫描电镜（SEM）观察微观形貌，结合不对称流场流分离（AF4）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析胶体元素组成。实验选取耕作与休耕土壤的Ap层（5–25 cm），分离<20 μm水稳性SMA，添加铁氧化物悬浮液（10 mM NaCl，pH 6.8–7.2）进行20小时振荡培养。

3.1. 粒径分布变化
铁氧化物添加显著改变了SMA的粒径分布：5% ferrihydrite使3–10 μm SMA占比提升（耕作土+13.4 vol%），同时减少>10 μm SMA（休耕土-11.9 vol%），而1%添加量效果有限。SEM显示ferrihydrite通过附着黏土矿物（face-to-face）形成致密结构，而goethite因针状形态接触面积较小。

3.2. 腐殖酸（HA）的分散效应
HA增加胶体负电荷（zeta电位降至-32 mV），促进55–270 nm胶体释放（Al/Si/Fe含量上升），但未诱导团聚，印证了OM通过空间位阻抑制聚集的机制。

3.3. 稳定性差异
机械剪切测试中，5% goethite处理的耕作土SMA稳定性最高（D50下降最少），但ferrihydrite更有效抑制<1 μm胶体释放（休耕土胶体释放量减少40%）。这种差异归因于ferrihydrite的小粒径增强颗粒间接触，而休耕土因SOM匮乏导致铁氧化物-黏土矿物直接作用，形成松散结构。

研究结论强调，铁氧化物通过双重机制调控SMA：静电驱动异质聚集和孔隙填充优化结构。ferrihydrite因形态优势在低有机质土壤中潜力显著，但需结合湿干循环等自然过程以提升大团聚体（>250 μm）形成效率。该研究为针对性施用铁氧化物修复退化土壤提供了理论依据，尤其对长期休耕导致的SOM缺失土壤具有实践意义。