极端干旱与洪涝条件下锰矿区菜园土壤中铁锰介导的有机碳分级转化机制

《Applied Soil Ecology》：Mechanisms of Fe and Mn mediated organic carbon fraction transformation in vegetable garden soils from manganese mining areas under extreme drought and flooding conditions

　　摘要铁（Fe）和锰（Mn）在土壤有机碳（SOC）各组分转化过程中起着关键作用。贵州省是重要的富锰地区，且频繁经历极端降雨，同时偶发干旱。在富锰地区，铁、锰与极端干旱和洪涝共同作用对SOC各组分转化的影响目前仍知之甚少。本研究以松桃县锰矿区邻近的菜园土壤为对象，探讨了SOC组分及微生物群落结构对极端干旱和洪涝的响应，并重点关注铁、锰在SOC转化过程中的作用。结果表明，在干旱和洪涝条件下，富锰土壤的颗粒态有机碳（POC）和矿物结合态有机碳（MAOC）含量均高于低锰土壤。相反，富锰土壤中溶解性有机碳（DOC）含量较低。在洪涝条件下DOC相对较低，三维激发-发射矩阵荧光分析表明，洪涝条件下腐殖酸和富里酸组分均较低。同时，富锰土壤中的腐殖酸和富里酸水平也低于其他土壤。微生物生物量碳（MBC）与微生物多样性和丰富度呈正相关，在洪涝条件下微生物活性和MBC均较高。富锰、富铁土壤降低了微生物活性和MBC，在洪涝条件下尤为明显。本研究揭示了锰矿区邻近菜园土壤中SOC各组分的转化规律，为矿区受影响农业土壤的碳封存评估提供了依据。引言土壤有机碳（SOC）是陆地最大的碳库，其稳定与转化过程对大气CO?浓度、土壤健康、作物生产力以及生态系统碳汇功能具有关键影响（Wang et al., 2018; Zhou et al., 2025）。SOC包含活性组分，如溶解性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（MBC），以及周转速率迥异的物理分离组分。后两者中，颗粒态有机碳（POC）周转相对较快，而矿物结合态有机碳（MAOC）通过富集并吸附铁、锰（水）氧化物得到稳定，是土壤中碳长期封存的主要形式（Lavallee et al., 2020）。SOC在这些组分之间的分布很大程度上决定了土壤碳库的稳定性和其对水分条件变化的敏感性。在全球气候变化背景下，极端干旱和洪涝事件的频率和强度不断增加，全球86%的农田面临着气候极端事件频发带来的上升风险（Cheng et al., 2025b; Feng et al., 2025）。极端水分条件可强烈影响SOC各组分的转化与分布，从而改变土壤碳汇能力。以往研究已探讨了干旱和洪涝条件下这些效应，但在典型地区，尤其是富铁/富锰土壤中，特定SOC组分的响应及其调控机制仍知之甚少。这一知识空白阻碍了对此类土壤中碳循环过程和碳汇潜力的准确评估。铁和锰矿物具有大量活性表面位点，通过吸附、共沉淀和络合作用促进SOC的稳定化，并生成MAOC（Jing et al., 2020; Wang et al., 2024b）。此外，铁、锰离子可催化非生物Maillard反应，使简单有机分子转化为复杂分子，从而增强长期有机碳的保存（Moore et al., 2023）。以往研究表明，活性铁氧化物通过铁结合有机碳或铁稳定的微团聚体，强烈控制着天然土壤和沉积物中MAOC的积累（Wang et al., 2026a; Zhao et al., 2023）。然而，铁和锰具有较强的氧化还原活性，可诱导活性氧（ROS）的产生，从而促进DOC和微生物生物量来源碳等活性有机碳组分的氧化与转化（Liu et al., 2025a）。锰氧化物（如菱锰矿类）可氧化有机质，推动其分子结构向更芳香族化合物转化（Cheng et al., 2025c; Ding et al., 2022）。铁、锰氧化物（如针铁矿、纤铁矿和水合氧化铁等）可提高细菌丰度，刺激微生物对活性碳的同化吸收，从而倾向于增加MBC（Zhuang et al., 2022）。目前，铁在天然土壤中调控SOC各组分分布与稳定化的作用已得到广泛研究，而锰的存在对单个SOC组分和碳库稳定性的影响仍知之甚少。贵州锰矿区发育了典型的富锰土壤，为研究锰的空间异质性如何影响SOC分配和封存提供了理想的天然场景。此外，富锰土壤通常含有较高的铁含量，铁与锰的耦合可能进一步影响有机碳的转化和稳定化。因此，本研究探讨了贵州富锰土壤中Fe/Mn含量与SOC各组分之间的关系，旨在阐明锰富集条件下土壤碳的转化与封存机制，并为贵州喀斯特地区及其他受锰矿影响的区域的土壤碳循环研究提供参考。土壤水分可强烈影响SOC的稳定化和转化（Hao et al., 2025）。例如，干旱可通过改变土壤理化性质和降低微生物多样性加速SOC损失（Pei et al., 2024）。干旱还会通过减少根系分泌物输入和抑制微生物生长限制MAOC的形成（Sokol et al., 2026）。淹水可增加微生物残体碳和POC，这些变化的幅度随洪涝持续时间的不同而变化（Mou et al., 2025）。水分条件通过控制土壤氧化还原状况及相关的微生物代谢途径，关键性地调节这些矿物-碳相互作用。在洪涝条件下，微生物利用Fe(III)作为末端电子受体，驱动铁的还原溶解，从而释放与之结合的铁结合有机碳并使之矿化，加速SOC分解（Akhlaq et al., 2025; Liu et al., 2025c）。相反，在干旱条件下，Fe(III)氧化物保持稳定并继续保护与其结合的碳，需氧呼吸主导有机碳矿化（Sheng et al., 2021）。这些过程表明，水分会影响矿物介导的碳稳定化与碳释放之间的平衡。此类极端水分事件在中国西南亚热带季风区较为常见，贵州省的农田频繁遭受长期夏季干旱和持续强降雨，连续14天无雨期屡见不鲜（Liu et al., 2014; Qin et al., 2021）。尽管铁、锰矿物、微生物和有机碳之间的相互作用在纯培养物和合成矿物体系中已被广泛表征，但来自天然土壤的相应证据仍然稀缺。尤其是Fe/Mn含量及SOC各组分对极端水分条件（如干旱和洪涝）的响应仍知之甚少。因此，亟需在实际土壤条件下系统研究Fe/Mn矿物与SOC各组分之间的关系。贵州省松桃苗族自治县是中国主要的锰矿开采区之一（位于"锰三角"，即中国西南锰矿集聚区），50余年的开采和冶炼已大幅提高了邻近菜园土壤中的铁、锰水平（Ma et al., 2023）。该县为矿业导致的富铁/富锰提供了发育良好的案例，其富含碳酸盐的喀斯特地貌和小农菜园经营模式是中国西南地区许多受矿业影响区域的典型代表。松桃县单次暴雨事件可连续持续5至7天，区域雨季可长达两周，导致土壤长期积水（当地气象记录）。该地区菜园土壤经常面临季节性极端干旱和持续自然洪涝。SOC的分布可能随水分及Fe/Mn含量的空间异质性而显著变化，富锰土壤中SOC各组分的分配也可能与其他土壤不同。本研究在两种极端水分条件下，调查了七个锰矿区土壤样品的SOC形态，并结合铁、锰元素特征与微生物群落结构分析，进一步阐明了SOC各形态的转化规律。各部分摘要研究区概况松桃苗族自治县位于贵州省东北部，地处梵净山东麓山前，与湖南省和重庆市接壤，总面积3409平方公里。该县属亚热带湿润季风气候，年均降雨量1378.3毫米，年均日照时长1220.2小时（基于松桃气象站长期记录）。降水呈显著……土壤铁、锰的分布特征如表2所示，七个菜园土壤的总铁、锰含量分别为21.1至35.9克/千克和0.260至1.68克/千克，均处于相对较高水平。各采样点之间的锰含量差异显著。S1样点锰含量最高（1.68克/千克），其次是S7（1.24克/千克），S4样点锰含量最低（0.260克/千克）。这一锰含量梯度与距矿区的距离密切相关，……水分与铁/锰驱动有机碳组分转化的化学机制本研究中发现，在干旱和洪涝条件下，高铁高锰土壤（如S1和S7）的POC和MAOC含量均高于其他土壤。RDA进一步表明，POC和MAOC与铁、锰含量呈正相关。这一发现进一步支持了铁、锰氧化物在有机碳组分转化与稳定化中的关键调控作用。铁、锰氧化物是土壤中最具反应活性的矿物相之一，在调控……中发挥着重要作用。结论本研究阐明了铁、锰在锰矿区菜园土壤不同水分条件下调控SOC各组分转化的作用。这些土壤具有较高的铁、锰背景水平，锰含量空间异质性显著，而铁含量相对均匀。所研究的富锰菜园土壤POC和MAOC含量较高，但DOC和MBC水平较低。因此，铁和……作者贡献声明李戴维：撰写原稿、调查研究、形式分析、数据整理。田沁：调查研究、数据整理。成鹏飞：撰写审阅与编辑、调查研究、资金获取。常军：调查研究、数据整理。王永：调查研究。成宽：调查研究。胡诗文：调查研究。刘通旭：撰写审阅与编辑、调查研究。覃浩力：指导、资源支持、资金获取、概念提出。利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢本工作受国家自然科学基金项目（42125704；42407028；U25A20817；42667001）、江苏省自然科学基金青年项目（BK20240886）、广东省现代农业产业技术体系项目（2026CXTD17）、广东省科学院科技发展计划项目（2023GDASZH-2023010104-1）、镇江市药效与健康风险评价重点实验室（SS2024006）、广东省基础与应用基础研究基金……资助。李戴维 | 田沁 | 成鹏飞 | 常军 | 王永 | 成宽 | 胡诗文 | 刘通旭 | 覃浩力