NEWS开云新闻 
科学通报中国热带和亚热带森林土壤铁铝结合态有机碳含量与调控机制
2025-05-23 06:56:11
浏览次数： 次
返回列表近日, 福建师范大学吴福忠教授团队在《科学通报》发表题为 “中国热带和亚热带森林土壤铁铝结合态有机碳含量与调控机制”的研究论文, 评估了中国铁铝土三种形态的铁铝氧化物和铁铝结合态有机碳含量及其调控机制, 发现热带和亚热带森林土壤铁铝氧化物对有机碳封存具有显著潜力.
陆地土壤中存储的有机碳超过全球植被和大气的总和, 因此土壤有机碳(Soil organic carbon, SOC)库的微小变化都将深刻影响全球碳循环和碳收支. 活性金属氧化物的化学保护是SOC长期稳定性的关键机制之一. 铁铝氧化物表面带有大量的正电荷, 能够有效吸附带负电荷的有机质, 通过配位体交换、阳离子桥、氢键等形成稳定的有机–矿物复合物. 同时, 在持续的氧化还原波动过程中,铁铝氧化物不断与有机物发生共沉淀, 形成类似洋葱状的多层结构.因此, 铁铝氧化物能有效封存SOC, 降低环境微生物的可及性, 从而减缓SOC分解.
中国热带和亚热带地区受季风和副热带高压影响, 加之青藏高原隆升, 形成了全球同纬度地区面积最大的季风性湿润常绿阔叶林. 该区域是中国铁铝土(Ferralsols, 中国土壤发生分类)集中分布区, 强烈的脱硅富铝化使铁铝氧化物明显富集, 从北向南出现明显的红壤、赤红壤、砖红壤等发生学过渡. 热带和亚热带森林土壤风化程度高, 土壤粘粒含量比其它气候区高.本研究在中国热带和亚热带铁铝土分布区常绿阔叶林建立了南北(2000 km)和东西(1000 km)方向两条森林样带, 采集了138个样点表层(0–10 cm)和深层(40–50 cm)土壤样品, 采用CBD (Dithionite-Citrate-Bicarbonate)法分析了三种形态(游离态、无定形态与有机络合态)的铁铝氧化物含量, 计算了铁铝结合态有机碳(Fe/Al-OC)含量及其占总有机碳的比例(fFe/Al-OC).
结果显示, 表层土和深层土铁铝结合态有机碳含量分别为1.57和0.83 mg g-1; 分别占所在土层SOC含量的7.39%和9.98%. 总体上, 中国热带和亚热带森林土壤铁铝结合态有机碳含量、fFe/Al-OC在两个土层中均无明显的地理分布规律. 热带和亚热带森林土壤铁铝氧化物含量呈现出游离态铁/铝(Fed, Ald) 有机络合态铁/铝(Fep, Alp) 无定形态铁/铝(Feo, Alo)的规律, 但不同形态的铁铝氧化物在表层土和深层土之间无显著差异(P 0.05). 表层土中Fed, Fep和Feo的含量分别为14.11、3.04和1.57 mg g-1;深层土中分别为16.24、2.72和3.83 mg g-1. 表层土中Ald, Alp和Alo的含量分别为6.54、2.59和4.19 mg g-1;深层土中分别为6.89、2.46和3.85 mg g-1. 尽管热带和亚热带森林土壤铁铝氧化物含量高,其结合的土壤有机碳含量及其占SOC的比例却处于较低水平. 在美国开展的一项研究发现, 湿润亚热带森林土壤铁结合态有机碳含量低于检测限, 而在一些活性铁浓度高的土壤中, 铁结合态有机碳也仅占SOC的5.57–13.04%,说明较高的土壤活性铁含量并不代表其能结合更多的有机碳. 近期的全球尺度整合分析也表明, 亚热带地区土壤活性金属氧化物丰富, 但铁结合态有机碳存在明显赤字.
在表层土和深层土中,土壤矿物是影响铁铝结合态有机碳含量的主要因素, 其相对重要性占比分别为39.6%和38.8%, 其中, 土壤粘粉粒含量对铁铝结合态有机碳的积累在表层土和深层土均具有显著的正向作用. 铁铝氧化物的解释度分别为21.4%和39.5%,铁铝结合态有机碳含量对铁铝氧化物的增加存在饱和响应, 其积累受到碳输入的限制. 此外, 超过70%的样点土壤铁铝结合态有机碳与游离态铁摩尔比值低于1, 其余样点均未超过6, 说明中国热带和亚热带森林土壤铁铝氧化物对有机碳的保护机制以单层吸附为主. 在高度风化的土壤中, 由于铁原子从铁氧化物表面脱离的过程受到高能量Fe-O键的限制, 质子化反应降低了Fe(III)的还原能力. 风化过程减少了有机碳中的螯合环数量, 进而降低可用于铁的脱离位点, 导致土壤中Fe(III)的还原速率下降, 最终影响铁结合态有机碳的形成. 此外,在通气性良好的森林土壤中, 微生物代谢活动十分活跃, 具有较强的有机碳分解能力, 这同样对铁铝结合态有机碳的形成和稳定产生重要影响.
