定义氧化还原条件下氧化还原变形土壤中溶解性三价锰的实验室与野外证据

《European Journal of Soil Science》：Dissolved Trivalent Manganese Under Defined Redox Conditions in Redoximorphic Soils: Laboratory and Field Evidence

　　

土壤中锰（Mn）的还原—氧化（redox）循环调控包括碳循环在内的生物地球化学元素循环。由天然有机配体（natural organic ligands, NOLs）络合而稳定的溶解性三价锰（Mn³⁺）是介导这些过程的关键组分，因此有必要对该物种进行准确测定。研究人员的研究目标为：（i）在定义的氧化还原条件下解析总溶解态锰库（MnT）的形态组成；（ii）探索野外条件下 Mn³⁺–NOL 络合物的存在。研究人员将钙质潜育土（Calcaric Gleysol）两个土层（AhBg 和 Bg）的整块土样置于微宇宙（microcosm）体系中培养，设置两个氧化还原循环：I（氧化性→弱还原性→中度还原性→再氧化）和 II（氧化性→强还原性→再氧化），并以氧化还原电位（EH）表征，以模拟由水涝—通气循环驱动的典型氧化还原波动。此外，还从该钙质潜育土及邻近的盐性潮汐冲积土（Salic Tidalic Fluvisol）原位采集土壤溶液。锰形态分析采用基于动力学建模的分光光度法方案进行。微宇宙实验期间，在初始氧化条件下未检测到 MnT，而在后续还原阶段 Mn²⁺占优势。在氧化还原循环 I 中，Mn³⁺–NOL 络合物平均占比由弱还原条件下的 AhBg：8.5%?±?7.8%、Bg：4.0%?±?4.8%，升高至中度还原条件下的 AhBg：10.8%?±?12.3%、Bg：25.3%?±?24.2%。再氧化条件下，两种悬液表现出相反趋势（AhBg：12.2%?±?12.6%，Bg：3.6%?±?3.5%）。在氧化还原循环 II 中，处于中度还原与强还原条件阈值时，Mn³⁺–NOL 络合物平均占比低于循环 I 的中度还原条件（AhBg：4.2%?±?4.3%，Bg：15.5%?±?5.5%）。在再氧化条件下，Mn³⁺–NOL 络合物增加（AhBg：36.4%?±?29.8%，Bg：30.0%?±?6.4%），表明其可获得抗氧化稳定化。结果表明，Mn³⁺–NOL 络合物可在氧化性与还原性条件下形成。野外数据进一步证实，这些络合物存在于钙质潜育土中（≤?52.5%?±?2.7%）及盐性潮汐冲积土中（≤?90.0%?±?0.9%）。这些发现强调，由水涝—通气循环诱导的氧化还原波动是驱动 Mn³⁺–NOL 络合物形成与稳定化的关键因素。

该文发表于《European Journal of Soil Science》，聚焦于氧化还原变形土壤（redoximorphic soils）中溶解态锰的价态分异问题，尤其关注长期被忽视的溶解性三价锰 Mn³⁺在天然有机配体（natural organic ligands, NOLs）络合稳定后的环境行为。研究背景在于，锰（Mn）是土壤生物地球化学循环的重要枢纽元素，其氧化还原转化不仅影响自身的溶解、迁移与生物有效性，也深度耦合碳（C）、铁（Fe）、硫（S）及营养元素循环。以往土壤研究通常将溶解态锰简化为 Mn²⁺，但海洋沉积物、分层水体及近期土壤研究已显示，Mn³⁺–NOL 络合物可能是总溶解态锰（MnT）的重要组成部分。对于受地下水波动与水涝—通气交替控制的潜育土而言，氧化还原电位（EH）频繁变化，理论上极利于 Mn 在 Mn²⁺、Mn³⁺与 Mn^IV之间转换，但在定义氧化还原条件下对锰形态进行精细解析的研究一直缺乏。这一知识空缺限制了研究人员对锰驱动土壤过程的理解，也制约了生物地球化学模型对中间价态锰的纳入。

基于此，研究人员选取德国北部一处钙质潜育土（Calcaric Gleysol）为核心对象，以其 AhBg 与 Bg 两个土层构建微宇宙培养体系，通过人为控制 EH，模拟氧化性、弱还原性、中度还原性、趋于强还原性以及再氧化阶段，以再现该土壤在自然水文波动下的典型氧化还原循环。同时，研究人员又在该潜育土及邻近盐性潮汐冲积土（Salic Tidalic Fluvisol）开展小尺度野外采样，以检验 Mn³⁺–NOL 络合物在自然条件下是否真实存在。研究的核心结论是：Mn³⁺–NOL 络合物虽然总体上少于 Mn²⁺，但在定义氧化还原条件下构成 MnT 中不可忽视的一部分；其形成并非局限于单一还原状态，而是在氧化性、还原性及再氧化过程中均可出现，尤其受水涝—通气诱导的氧化还原波动显著驱动；野外土壤溶液中也检测到该类络合物，证实其并非实验体系中的偶发现象。该研究的重要意义在于推进了土壤锰形态分析的分辨率，修正了“溶解态锰主要等同于 Mn²⁺”的传统认识，并为理解锰与有机质降解、碳周转、微生物代谢及痕量元素迁移之间的耦合提供了新的化学基础。

作者采用的主要技术方法可概括为以下几个方面。首先，以钙质潜育土 AhBg（10–20 cm）与 Bg（40–60 cm）土层散体土构建微宇宙体系，连续监测 EH、pH、溶解氧（dO₂）和温度，在受控条件下施加两类氧化还原循环。其次，采用卟啉法（porphyrin method），以 α,β,γ,δ-tetrakis(4-carboxyphenyl)porphine[T(4-CP)P] 为核心试剂，结合动力学建模区分 Mn²⁺、Mn³⁺–NOL_weak 与 Mn³⁺–NOL_strong。再次，通过 ICP OES、DOC/DIC 测定、紫外—可见吸收光谱、ferrozine 法和改良 Cline 法分别分析 Mn 总量、溶解性有机碳/无机碳、溶解性有机质（DOM）光学性质、Fe 形态及硫化物。最后，在野外利用预埋吸力杯采集钙质潜育土和盐性潮汐冲积土土壤溶液，对原位样品进行 Mn 形态验证。

在结果部分，论文首先给出“3.1 Soil Characterisation”。研究表明，两土层均为粉壤质，母质为钙质海相沉积物。AhBg 层 pH 近中性，Bg 层弱碱性；随深度增加，总碳（TC）与有机碳（OC）下降，无机碳（IC）上升，反映下层碳酸盐积累。Mn 含量由 AhBg 的 767 mg kg^?1显著降至 Bg 的 294 mg kg^?1，而 Fe 含量略有增加，提示不同土层在 Mn 储量和 Mn:Fe 比值上存在明显差异，这为后续形态转化差别提供了地球化学背景。

“3.2.1 Redox Cycles”显示，微宇宙体系较好实现了氧化还原循环 I 的目标 EH 区间，因此能够系统比较氧化性、弱还原性、中度还原性和再氧化条件下的锰形态；而循环 II 原拟达到显著强还原状态，但实际仅接近中度还原与强还原之间阈值，未能稳定进入目标强还原区间，因此关于硫化物作为强无机还原剂的作用无法得到定论。

“3.2.2 Mn Speciation of the Total Dissolved Mn Pool Under Defined Redox Conditions”是全文核心。研究人员通过动力学建模发现，初始氧化条件下未检测到 MnT，说明溶解态锰在该阶段被吸附或沉淀去除。进入还原阶段后，Mn²⁺在各处理总体占主导。统计分析表明，氧化还原阶段、Mn 物种类别与土层均显著影响 Mn 形态分布，且存在显著交互作用。对 AhBg 而言，在循环 I 中，Mn³⁺–NOL_weak由弱还原向中度还原有所上升，Mn³⁺–NOL_strong则有所下降，二者合计在中度还原条件下约占 MnT 的 10.8%；再氧化后该比例维持在约 12.2%。在循环 II 中，趋强还原阈值下 Mn³⁺–NOL 络合物占比下降至 4.2%，但再氧化阶段显著升至 36.4%，并在部分样品中短暂超过 Mn²⁺。对 Bg 而言，循环 I 的中度还原条件下 Mn³⁺–NOL 络合物可达 MnT 的 25.3%，高于 AhBg；再氧化时降至 3.6%。循环 II 中，趋强还原阈值下仍有 15.5% 的 Mn³⁺–NOL 络合物，而再氧化时达到 30.0%，且以 Mn³⁺–NOL_strong增加更明显。总体而言，该部分结果直接证明 Mn³⁺–NOL 络合物是定义氧化还原条件下 MnT 的组成部分，并提示再氧化阶段可能有利于其中间体的暂时稳定。

“3.2.3 Analyses of Aqueous Solutions”围绕 NOL 供给环境展开。结果显示，四组微宇宙实验中 DOC 在还原进程中总体上升，而 DIC 常表现为相反趋势；DOC 的摩尔吸光系数 MA₂₅₄、MA₂₈₀、MA₃₅₀持续下降，表明溶解性有机质组成随 EH 下降和培养时间延长而改变。MnT:DOC 比值始终 ≤ 0.0023，远低于先前研究提出的可能抑制 Mn³⁺–NOL 形成的阈值。Ca²⁺则在还原过程中升高、再氧化时略降，提示碳酸盐缓冲及阳离子竞争过程可能参与调控 Mn 络合环境。

“3.2.4 Fe and Sulphide Speciation”显示 FeT 随 EH 降低而升高，且 AhBg 高于 Bg。Fe²⁺在还原条件下占优势，在再氧化条件下迅速消失，说明 Fe 循环与 Mn 循环紧密耦合。值得注意的是，循环 II 中未检测到硫化物，这意味着实验未能真正建立足以评价硫化物作用的强还原环境，因此论文对硫化物影响持谨慎态度。

“3.3.1 In Situ Aqueous Solution Analysis”与“3.3.2 Total Dissolved Mn Under Field Conditions”表明，野外样品中钙质潜育土仅成功采得 Bg2 层土壤溶液，其环境为弱还原、弱碱性；盐性潮汐冲积土 zFo 与 zFr 层也获得样品，表现出较高盐度。ICP OES 结果显示，不同土层 MnT 差异较大，且卟啉法与 ICP OES 交叉验证吻合良好，说明方法学可靠。

“3.3.3 In Situ Mn Speciation Analysis”进一步提供野外证据。研究人员发现原位温度波动会显著干扰反应动力学，因此样品在邻近设施中控温分析。结果表明，钙质潜育土 Bg2 层中 Mn³⁺–NOL_weak最高可占 MnT 的 17.4%?±?24.7%，Mn³⁺–NOL_strong占比很低；盐性潮汐冲积土中，zFo 某些样品仅见较低比例络合物，但 zFr 层中 Mn³⁺–NOL_weak和 Mn³⁺–NOL_strong所占比例更高。结合摘要给出的最高比例，说明在自然土壤溶液中 Mn³⁺–NOL 络合物确实存在，但空间异质性很强。

讨论部分中，“4.1 Mn Cycling”强调 Mn 的溶解度、迁移性和形态主要受 EH、pH、温度、NOL 可利用性及相关元素循环控制。“4.2 Mn Speciation”综合提出一个以 Mn²⁺–Mn^IV“氧化还原轮”为核心的概念框架：初始氧化阶段 MnT 因吸附和沉淀而消失；随着还原增强，Mn 氧化物发生还原溶解，Mn²⁺增加，同时形成一定比例 Mn³⁺–NOL 络合物；在再氧化过程中，这些络合物可作为 Mn²⁺向 Mn^IV转化的反应性中间体而暂时积累。讨论还指出，不同土层间络合物比例差异不能简单归因于 DOC 总量，更可能与 NOL 官能团组成和配位亲和力差异有关。

“4.3 Possible Biotic and Abiotic Pathways Along Defined Redox Conditions”系统归纳了可能的生物与非生物机制，但明确说明现有实验设计无法定量区分二者贡献。在氧化条件下，Mn²⁺可通过微生物催化或非生物催化氧化形成 Mn^IV氧化物；在弱还原和中度还原条件下，Mn 氧化物可经异化还原、配体促进还原溶解或非还原溶解产生 Mn³⁺中间体，并由 NOL 络合稳定；在再氧化阶段，Mn²⁺重新氧化时也可暂时生成 Mn³⁺–NOL 络合物。论文据此认为，水涝—通气循环是驱动其形成与稳定的关键外部机制。

“4.4 Fe²⁺/Fe³⁺ and Sulphide–Cycle Interactions”表明 Fe 循环既能通过 Fe 氧化物吸附和催化作用抑制 Mn 络合，也能在 Fe^III还原时释放 Fe²⁺和 NOL，从而间接扩大反应性配体库。虽然理论上 Fe²⁺可能还原 Mn³⁺–NOL 络合物，但本研究结果支持其具有一定抗还原稳定性。对于硫化物，由于实验中未检出，作者仅指出其潜在影响尚待未来研究澄清。

“4.5 DOC Interactions”指出，DOC 在氧化条件下因被 Mn、Fe 氧化物吸附并转化而降低，在还原条件下因氧化物还原溶解及 pH 升高而增加，从而提高 NOL 可利用性，促进 Mn³⁺–NOL 形成；再氧化时，重新生成的 Fe/Mn 氧化物又恢复了对 DOC 的清除能力。光学指标下降说明 DOM 组成在整个循环过程中持续重塑。

“4.6 The Special Role of Calcium”强调该钙质潜育土富含 Ca²⁺，在还原条件下碳酸盐体系缓冲与 MnCO₃、FeCO₃沉淀可能影响 Mn、Fe 的溶解态供给；Ca²⁺还可能作为桥联离子促进 NOL 与矿物表面结合，限制 Mn 与 NOL 络合，并促进高分子 DOM 聚集，因此是该土壤体系区别于酸性森林土的重要场地特征。

“4.7 Trivalent Manganese Under Field Conditions”认为，自然条件下两个研究点均存在 Mn³⁺–NOL 络合物，且层内异质性显著。这种异质性既来自土壤中微尺度 EH 分区、地下水变化和氧扩散造成的真实环境差异，也可能部分来自样品处理、温度敏感性、稀释及老化等方法学因素。尽管如此，野外结果仍明确表明，Mn³⁺–NOL 络合物是土壤溶解态 MnT 的组成部分。

“4.8 Environmental Implications”总结指出，即便 Mn²⁺在多数条件下占主导，Mn³⁺–NOL 络合物仍具有环境意义，因为其兼具氧化还原活性与一定持久性，并将 Mn 循环与木质素样物质降解、有机污染物转化、微生物活动和植物养分有效性联系起来。未来水文格局变化可能通过改变氧化还原循环，进一步影响 Mn 迁移、价态分布及相关生态过程，因此精确 Mn 形态分析比以往认识更为重要。

研究结论部分可译述为：Mn³⁺–NOL 络合物虽然丰度低于 Mn²⁺，但在定义氧化还原条件下的氧化还原变形土壤中构成 MnT 中不可忽视的一部分。研究人员认为，水涝—通气循环促进 Mn³⁺–NOL 络合物的瞬态形成，并可能影响养分循环与植物可利用性、溶解性有机质（DOM）分解及碳周转和储存、强还原条件下作为替代电子受体的微生物活性，以及 Mn 的迁移与淋失。野外观测表明，在暂时性还原条件的土壤中，Mn³⁺–NOL 络合物是溶解态 MnT 的组成部分，但本研究证据仍限于所调查土层，尚需未来研究扩展至完整土体剖面。与酸性森林土的既有发现相比，本研究强调场地特异性理化性质，特别是 EH、pH 和 NOL 组成，对 Mn³⁺–NOL 络合物形成、稳定与降解具有决定作用。由于微宇宙实验未能充分建立强还原环境，硫化物对 Mn 形态，尤其对 Mn³⁺–NOL 络合物形成或降解的影响仍未解决，未来应进一步开展相关研究，并加强土壤中 Mn³⁺–NOL 络合物的原位监测，特别是在存在水涝—通气循环的过渡带环境中。