近日, 福建師范大學(xué)吳福忠教授團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表題為 “中國(guó)熱帶和亞熱帶森林土壤鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量與調(diào)控機(jī)制”的研究論文, 評(píng)估了中國(guó)鐵鋁土三種形態(tài)的鐵鋁氧化物和鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量及其調(diào)控機(jī)制, 發(fā)現(xiàn)熱帶和亞熱帶森林土壤鐵鋁氧化物對(duì)有機(jī)碳封存具有顯著潛力.

陸地土壤中存儲(chǔ)的有機(jī)碳超過(guò)全球植被和大氣的總和, 因此土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon, SOC)庫(kù)的微小變化都將深刻影響全球碳循環(huán)和碳收支. 活性金屬氧化物的化學(xué)保護(hù)是SOC長(zhǎng)期穩(wěn)定性的關(guān)鍵機(jī)制之一. 鐵鋁氧化物表面帶有大量的正電荷, 能夠有效吸附帶負(fù)電荷的有機(jī)質(zhì), 通過(guò)配位體交換、陽(yáng)離子橋、氫鍵等形成穩(wěn)定的有機(jī)–礦物復(fù)合物. 同時(shí), 在持續(xù)的氧化還原波動(dòng)過(guò)程中,鐵鋁氧化物不斷與有機(jī)物發(fā)生共沉淀, 形成類(lèi)似洋蔥狀的多層結(jié)構(gòu).因此, 鐵鋁氧化物能有效封存SOC, 降低環(huán)境微生物的可及性, 從而減緩SOC分解.

中國(guó)熱帶和亞熱帶地區(qū)受季風(fēng)和副熱帶高壓影響, 加之青藏高原隆升, 形成了全球同緯度地區(qū)面積最大的季風(fēng)性濕潤(rùn)常綠闊葉林. 該區(qū)域是中國(guó)鐵鋁土(Ferralsols, 中國(guó)土壤發(fā)生分類(lèi))集中分布區(qū), 強(qiáng)烈的脫硅富鋁化使鐵鋁氧化物明顯富集, 從北向南出現(xiàn)明顯的紅壤、赤紅壤、磚紅壤等發(fā)生學(xué)過(guò)渡. 熱帶和亞熱帶森林土壤風(fēng)化程度高, 土壤粘粒含量比其它氣候區(qū)高.本研究在中國(guó)熱帶和亞熱帶鐵鋁土分布區(qū)常綠闊葉林建立了南北(2000 km)和東西(1000 km)方向兩條森林樣帶, 采集了138個(gè)樣點(diǎn)表層(0–10 cm)和深層(40–50 cm)土壤樣品, 采用CBD (Dithionite-Citrate-Bicarbonate)法分析了三種形態(tài)(游離態(tài)、無(wú)定形態(tài)與有機(jī)絡(luò)合態(tài))的鐵鋁氧化物含量, 計(jì)算了鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(Fe/Al-OC)含量及其占總有機(jī)碳的比例(fFe/Al-OC).

結(jié)果顯示, 表層土和深層土鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量分別為1.57和0.83 mg g-1; 分別占所在土層SOC含量的7.39%和9.98%. 總體上, 中國(guó)熱帶和亞熱帶森林土壤鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量、fFe/Al-OC在兩個(gè)土層中均無(wú)明顯的地理分布規(guī)律. 熱帶和亞熱帶森林土壤鐵鋁氧化物含量呈現(xiàn)出游離態(tài)鐵/鋁(Fed, Ald) >有機(jī)絡(luò)合態(tài)鐵/鋁(Fep, Alp) >無(wú)定形態(tài)鐵/鋁(Feo, Alo)的規(guī)律, 但不同形態(tài)的鐵鋁氧化物在表層土和深層土之間無(wú)顯著差異(P >0.05). 表層土中Fed, Fep和Feo的含量分別為14.11、3.04和1.57 mg g-1;深層土中分別為16.24、2.72和3.83 mg g-1. 表層土中Ald, Alp和Alo的含量分別為6.54、2.59和4.19 mg g-1;深層土中分別為6.89、2.46和3.85 mg g-1. 盡管熱帶和亞熱帶森林土壤鐵鋁氧化物含量高,其結(jié)合的土壤有機(jī)碳含量及其占SOC的比例卻處于較低水平. 在美國(guó)開(kāi)展的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn), 濕潤(rùn)亞熱帶森林土壤鐵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量低于檢測(cè)限, 而在一些活性鐵濃度高的土壤中, 鐵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳也僅占SOC的5.57–13.04%,說(shuō)明較高的土壤活性鐵含量并不代表其能結(jié)合更多的有機(jī)碳. 近期的全球尺度整合分析也表明, 亞熱帶地區(qū)土壤活性金屬氧化物豐富, 但鐵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳存在明顯赤字.

在表層土和深層土中,土壤礦物是影響鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量的主要因素, 其相對(duì)重要性占比分別為39.6%和38.8%, 其中, 土壤粘粉粒含量對(duì)鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的積累在表層土和深層土均具有顯著的正向作用. 鐵鋁氧化物的解釋度分別為21.4%和39.5%,鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量對(duì)鐵鋁氧化物的增加存在飽和響應(yīng), 其積累受到碳輸入的限制. 此外, 超過(guò)70%的樣點(diǎn)土壤鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)碳與游離態(tài)鐵摩爾比值低于1, 其余樣點(diǎn)均未超過(guò)6, 說(shuō)明中國(guó)熱帶和亞熱帶森林土壤鐵鋁氧化物對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)機(jī)制以單層吸附為主. 在高度風(fēng)化的土壤中, 由于鐵原子從鐵氧化物表面脫離的過(guò)程受到高能量Fe-O鍵的限制, 質(zhì)子化反應(yīng)降低了Fe(III)的還原能力. 風(fēng)化過(guò)程減少了有機(jī)碳中的螯合環(huán)數(shù)量, 進(jìn)而降低可用于鐵的脫離位點(diǎn), 導(dǎo)致土壤中Fe(III)的還原速率下降, 最終影響鐵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的形成. 此外,在通氣性良好的森林土壤中, 微生物代謝活動(dòng)十分活躍, 具有較強(qiáng)的有機(jī)碳分解能力, 這同樣對(duì)鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的形成和穩(wěn)定產(chǎn)生重要影響.

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