3结果


3.1水和土壤特性


表1列出了水和土壤的物理和化学性质。根据现场调查,小兴凯湖水体溶解氧浓度低,pH值偏碱性,受人为干扰,研究区水体的溶解氧浓度较高。与水不同,小兴凯湖的土壤呈弱酸性,这可能是由微生物作用造成的。小兴凯湖土壤中有机碳、总磷和全氟含量的平均值为38.41±5.43 kg?1444.60±38.97毫克/千克?1和11.80±0.52克/千克?分别为1。


3.2不同铁磷比下土壤元素的积累特征DO浓度分为三类:0-1500、2250-5250和≥6000,不考虑Fe/P(图2a,b)。当深度小于1500μm时,所有四种处理的DO浓度都是稳定的。由于氧气的引入,有氧组保持较高的DO浓度,其他两组在4 mg L左右波动?1因为氮气的引入。在2250和5250μm之间的深度,溶解氧浓度随波动而增加。深度大于6000μm时,溶解氧浓度达到极限值(0.3 mg L?1),但在有氧条件下第12天后增加,表明深层土壤中的DO浓度降低,但随着时间的推移迅速增加。土壤Eh值在两种不同的铁磷比之间差异很大。铁磷比为5时,不同处理的土壤Eh值不同(图2c)。好氧+植物处理的土壤Eh值向上波动,而厌氧+植物处理的土壤Eh值降至最低(第5天),然后缓慢上升,而对照处理的土壤Eh值则波动并下降。在铁磷比为10的情况下,土壤Eh值通常先降低后升高(图2d)。

图2两种铁磷比下四种处理(好氧+植物、厌氧+植物、好氧和厌氧)不同土层的溶解氧(DO)浓度(a、b)和氧化还原电位(Eh)值(c、d)随时间的变化


环境因子(DO和Eh)的变化影响土壤元素的积累。土壤磷形态的含量见表2和表3。小兴凯湖湿地土壤有机磷和有机磷含量分别占总磷含量的50%左右。不同IP组分的减少顺序为Fe-P>Al-P>Oc-P>Ca-P>Ex-P。不同处理之间的Fe-P、Ex-P或Al-P含量存在显着差异,但Oc-P、Ca-P和DRP没有显着差异(表2和表3)。此外,凯发app官网还发现,在四种处理中,有氧条件下的磷形态含量最高。


铁是湿地土壤化学形态转化的主要元素之一。在培养期间,在土壤中观察到TFe和铁氧化物(Feo和Fed)(图3)。好氧处理的土壤TFe、Feo和饲料含量显着高于其他三个处理(图3)。根据多变量方差分析,各处理间TFe含量存在显着差异(F=5.827,p=0.021),但Feo含量无显着差异(F=1.419,p=0.307)。观察到的美联储变化更为复杂。在铁磷比为5的情况下,在好氧+植物处理(P=0.047)、厌氧+植物处理(P=0.015)和厌氧处理(P=0.025)中观察到显着差异;然而,在铁磷比为10时,没有显着差异(P>0.05)。


土壤有机碳随着其他元素之间的相互作用而变化。如图4所示,无论铁磷比如何(F=34.035,P<0.0001;F=8.089,P=0.008),四种处理的土壤有机碳含量显着不同。在铁磷比为5的条件下,土壤有机碳的平均含量按以下顺序降低:需氧(85.01g/kg)?1)>好氧+植物(31.28 g kg?1)>厌氧(29.13克/千克?1)>厌氧+工厂(24.10 g kg?1).在铁磷比为10的条件下,土壤有机碳的平均含量按以下顺序降低:好氧(54.82g/kg)?1)>厌氧(44.88克/千克?1)>厌氧+工厂(26.82 g kg?1)>好氧+植物(21.87 g kg?1).


表2铁磷比为5时四种处理的不同磷形态。数值表示为平均值±标准误差。同一列中具有相同小写字母的平均数在p<0.05时显着不同(反之亦然)


3.3不同铁磷比下铁、磷和碳元素的相关性分析


对不同铁磷比下的TFe、Feo、Fed、P形态和SOC进行了相关分析(表4)。铁磷比为5时,Feo、铁活性(Feo/Fed)和SOC之间存在显着相关性(p<0.05),但在铁磷比为10时,Feo/Fed和SOC之间没有相关性。因此,有机碳(即有机质)的增加会促进Feo的增加,但不一定会增强土壤的氧化铁活性。


表4不同铁磷比下总磷(TP)、无机磷(IP)、溶解活性磷(DRP)、全铁(TFe)、无定形铁(Feo)、游离铁(Fed)、氧化铁活化度(Feo/Fed)与土壤有机碳(SOC)的相关性


铁磷比为10时,磷形态与土壤有机碳之间的相关性比铁磷比为5时更显着(表5)。无论铁磷比如何,TP、IP和SOC之间都存在显着相关性(P<0.01)。当Fe/P比为10时,土壤有机碳与Fe/Al-P显着相关(r=0.778,r=0.919;P<0.01),但与其他IP形式无关,间接表明IP主要由Fe/Al-P组成。IP、Or-P和TP之间存在显着相关性,表明IP和Or-P对土壤TP的贡献相同。


表5不同铁磷比下磷形态与土壤有机碳的相关性




4讨论


好氧和厌氧处理中的DO浓度随时间显着变化(图2a,b)。此外,人工曝气确保了氧化继续通过水-土界面,这一过程不会在深层土壤中自然发生。因此,由于曝气装置(图2c,d)的运行而增加的Eh刺激的磷沉淀可以增强曝气的预期效果。重要的是要认识到,铁磷在好氧和厌氧处理之间存在显着差异(表2和表3),表明磷的释放受到曝气的抑制。磷吸附到铁络合物的过程会导致从水柱中大量去除磷(Gunnars等人,2002年),并且对氧化还原变化敏感。土壤表面氧化还原敏感铁磷的数量、磷的释放及其与铁的共沉淀均受人工曝气的控制。当引入O2时,磷酸铁沉淀;否则,在氧气不足的情况下会释放磷。因此,使用铁来灭活磷需要连续完全混合或曝气(Cooke 1993;Jaeger 1994)。人工铁输入改变了湖泊的铁储量,在很大程度上决定了磷的流动性。在土壤表面,铁磷比越高,磷释放率越低(Jensen et al.1992)。最近,Zou et al.(2018)还发现,与厌氧处理相比,好氧处理对TP的去除率最高,尤其是在较高的铁磷比下,这表明在好氧条件下引入的铁抑制了土壤TP的释放,从而降低了水TP。因此,添加铁会影响凯发在线官网ios版下载中P的埋藏,从而对湖泊的营养状态产生强烈影响,尤其是在DO浓度较高的情况下。


表3铁磷比为10时四种处理的不同磷形态。数值表示为平均值±标准误差。同一列中具有相同小写字母的平均数在p<0.05时显着不同(反之亦然)

凯发app官网发现,小兴凯湖土壤中都存在IP和Or-P,每一种都占总磷的50%左右。这一结果与俞(2014)关于小兴凯湖凯发在线官网ios版下载磷释放的结果一致。Rydin(2000)报道,除了Oc-P、Ca-P和40%OrP之外,土壤P可被微生物利用,并形成生物有效P。因此,Ex-P、Al/Fe-P和60%Or-P的总和被估计为总生物有效P。在凯发app官网的研究中,生物活性P约占TP含量的65.97%,这表明,如果水生干扰和环境因素影响磷循环,小兴凯湖凯发在线官网ios版下载很可能成为磷源,导致富营养化。


TFe向土壤表面的显着增加(图3)归因于氧化还原,在没有O2的情况下,Fe2+还原溶解和扩散到上覆水中,以及在O2存在的情况下连续氧化为Fe3+(Zhang et al.2017)。然而,在人工曝气期间,两种铁磷比的TFe没有显着差异(F=1.505,P=0.233)。在迁移过程中,观察到了总铁质量的变化和铁化学形态的转变。凯发app官网发现,在铁磷比为5(F=3.980,P=0.047)的处理中,饲喂量存在显着差异,而在铁磷比为10(图3)的处理中没有差异。相比之下,在两个铁磷比中,不同处理之间的铁氧比没有显着差异。


土壤铁氧化物的转化是控制磷有效性的一个重要机制,尤其是Feo的影响(Su等人,2001年;Gao等人,2002年)。在Fe/P比为10时,溶解活性磷(DRP)与Feo呈强相关(r=0.608,P<0.05;表4),表明随着Feo的增加,DRP逐渐增加,从而提高了土壤有效磷含量。这种情况与钙质土壤不一致(Zhu等人,1993年),但支持旱地土壤的研究结果(Wang等人,2008a)。此外,土壤物质组成也会影响土壤P的行为。传闻证据表明,溶解活性磷与TP不完全相关,但与土壤有机质呈正相关或负相关(Jia和Li,2011;Liu等人,2012)。在该研究中,凯发app官网发现DRP和TP之间没有显着相关性,DRP和SOC之间的正相关性仅出现在铁磷比为10时(表4),这可能与铁输入浓度对耦合元素循环的影响有关。


图3两种铁磷比下四种处理(好氧+植物、厌氧+植物、好氧和厌氧)的总铁(TFe)、无定形铁(Feo)和游离铁(Fed)含量


两种铁磷比之间的SOC没有显着差异(图4)。然而,四种处理的SOC显着不同(对于5的铁磷比,F=34.036,p<0.001;对于10的铁磷比,F=8.089,p=0.008)。凯发app官网注意到,在好氧处理中,SOC含量最高。在好氧条件下,铁氧化物可能会强烈吸附SOC,并通过共沉淀形成络合物,以稳定有机碳(Mikutta等人,2006年;Lalonde等人,2012年)。凯发app官网观察到的Feo含量与SOC之间的正相关关系(表4)表明,随着Feo含量的大幅增加,SOC含量实际上可能会增加。在湿地土壤中,Feo和有机C之间的相互作用可能是有机C稳定的最重要机制(Kleber等人,2005年;Lalonde等人,2012年)。有趣的是,SOC和铁活度(Feo/Fed)之间的相关性因铁磷比不同而不同。凯发app官网发现,土壤有机碳与Feo、Fe活性呈正相关(对于Fe/P比为5的土壤,r=0.882;对于Fe/P比为10的土壤,r=0.756;P<0.01),表明增加有机碳(即有机质)的输入可以增加土壤中Feo的含量,提高铁氧化物的活性。然而,在铁磷比为10时,没有发现这种关系。因此,增加有机碳输入并不一定会提高湿地土壤中的铁活性。




图4两种铁磷比下四种处理(好氧+植物、厌氧+植物、好氧和厌氧)的土壤有机碳含量


5结论


模拟不同Fe/P比的人工曝气对DO、Eh的垂直变化以及C和P的转化的影响,凯发app官网的研究结果表明,DO浓度在水-土界面分层,随土壤深度降低,随时间迅速增加。在有氧条件下,Eh值通常随波动而增加。小兴凯湖土壤表层的磷形态由半磷和磷组成,其中铁磷比例最高,与较高的内部磷负荷有关。在好氧条件下,总铁质量和SOC比厌氧条件下增加更多,且不受铁磷比的影响。Feo的增加可能是通气处理后SOC增加的原因之一。然而,铁活性和SOC之间的相关性受到铁输入的影响。凯发app官网认为,施加的Fe输入强度必须考虑Fe与有机C的相关性,并且应施加过量的Fe,以提供一个大的反应FE-P池和连续补充Fe以有效地结合土壤P。需要进行大规模的控制实验,以充分了解湿地中土壤元素的行为,包括潜在的富营养化风险和碳固存,这在淡水湿地生态系统中的重要性越来越明显。


致谢


中国国家自然科学基金(2016YFC0500 408)、国家自然科学基金(41271107,41471079)、中国农业科学院东北地理与农业生态研究所(IGA-135-05)资助了该研究。