曲 植，李麗娜，賈 蓉

（西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100）

稻田典型的淹水—排干的干濕交替管理措施為土壤中變價(jià)元素的氧化還原提供了有利條件。水稻土淹水后，隨著土壤氧化還原電位逐漸下降，微生物利用有機(jī)物作為電子供體，Mn (IV)、Fe(Ⅲ)、、CO2逐漸取代O2作為電子受體而發(fā)生一系列的氧化還原反應(yīng)[1–3]。Fe (Ⅲ) 的還原耦聯(lián)著淹水稻田中的碳、氮、磷、硫等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)，進(jìn)一步影響著營(yíng)養(yǎng)元素的生物有效性。一方面還原、還原與 Fe (Ⅲ) 還原之間存在電子競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[4]，同時(shí)的還原耦聯(lián)了厭氧環(huán)境下Fe (II) 的氧化[5]，且部分還原菌也可能兼具 Fe(Ⅲ) 還原的功能[6]；另一方面，F(xiàn)e (Ⅲ) 還原可以釋放出部分被鐵氧化物結(jié)合的磷，從而提高稻田中磷的生物可利用性且滿足水稻生長(zhǎng)對(duì)Fe作為微量元素的需求[7–8]。此外，F(xiàn)e (Ⅲ) 還原過(guò)程在有機(jī)污染物的降解、金屬元素的遷移轉(zhuǎn)化及抑制產(chǎn)甲烷過(guò)程等方面也發(fā)揮著重要作用[9]。因此研究淹水稻田中Fe (Ⅲ) 還原過(guò)程對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)兩方面兼具重要意義。

土壤有機(jī)質(zhì) (SOM) 是影響水稻土微生物Fe (Ⅲ)還原能力最重要的因素之一[10]。水溶性有機(jī)碳 (DOC)是水稻土中最為活躍、最易被利用且移動(dòng)性最高的組分[11]。研究報(bào)道淹水稻田中DOC在連接土壤碳庫(kù)和水生碳庫(kù)的碳循環(huán)中起到非常重要的作用，一般認(rèn)為，處于游離態(tài)的有機(jī)酸、糖類(lèi)、腐殖酸及氨基酸等是DOC的主要組成部分[12–13]。目前，關(guān)于水稻土中DOC與Fe (Ⅲ) 還原過(guò)程的關(guān)系存在兩種假設(shè)：一、其中小分子有機(jī)酸、糖類(lèi)、氨基酸等不僅可以為微生物生長(zhǎng)提供基質(zhì)，也可以作為Fe (Ⅲ) 還原的電子供體[14]；二、DOC中含有一定量的類(lèi)腐殖酸、富里酸，有研究發(fā)現(xiàn)腐殖酸上的醌基在充當(dāng)Fe(Ⅲ) 還原過(guò)程中微生物與鐵氧化物間電子穿梭體方面發(fā)揮著主要作用[15]。Bi等采用庫(kù)倫安培法測(cè)定土壤DOM的電化學(xué)特性時(shí)，也驗(yàn)證了DOM具有電子轉(zhuǎn)移能力[16]。然而，不同水稻土DOC的電子轉(zhuǎn)移能力可能因其含量和組分之間的差異而不同，這一差異是否與不同水稻土Fe (Ⅲ) 還原能力的差異存在一定的關(guān)系？目前有關(guān)這方面的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。因此本研究采集我國(guó)不同植稻區(qū)的典型水稻土，比較分析不同水稻土DOC的含量和熒光特性及不同水稻土的Fe (Ⅲ) 還原特征，依據(jù)相關(guān)分析和冗余分析明確水稻土DOC與Fe (Ⅲ) 還原過(guò)程的關(guān)系，以期闡明水稻土有機(jī)質(zhì)對(duì)Fe (Ⅲ) 還原的貢獻(xiàn)，為深入理解Fe (Ⅲ) 還原過(guò)程的作用機(jī)理及DOC在元素循環(huán)中的意義提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤采集

供試的20個(gè)水稻土分別采自我國(guó)六大稻作區(qū)的不同省份 (圖1)。其中YJ、SY、FM、DN屬于東北早熟單季稻稻作區(qū)；BD、TG屬于華北單季稻稻作區(qū)；DB、XD、CL屬于西北干燥區(qū)單季稻稻作區(qū)；NH、SR、NC、YC、CS、QL、HZ、AK屬于我國(guó)最大的植稻區(qū)—華中單雙季稻稻作區(qū)；HX、XH屬于西南高原單雙季稻稻作區(qū)；GD屬于華南雙季稻稻作區(qū)。在水稻收割后，分別采集不同稻田0—20 cm耕層土壤樣品，去除植物殘?bào)w后自然風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩備用。采用標(biāo)準(zhǔn)方法[17]測(cè)定的各土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

圖 1 供試水稻土采樣點(diǎn)圖示Fig. 1 Soil sampling site

1.2 土壤水溶性有機(jī)碳含量測(cè)定

DOC含量采用總有機(jī)碳測(cè)定儀測(cè)定。分別稱(chēng)取3.000 g過(guò)0.15 mm篩的各水稻土于50 mL帶蓋離心管中，以1∶10的土水比添加30 mL蒸餾水后于恒溫 (60℃) 搖床200 r/min振蕩30 min，隨后將離心管于10000 r/min離心6 min，并取上清液用真空泵經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾，收集濾液上機(jī)測(cè)定。

1.3 土壤水溶性有機(jī)碳三維熒光光譜掃描及光譜特征表征

吸取1.2中獲得的濾液，對(duì)其中DOC的熒光激發(fā)–發(fā)射矩陣光譜 (EEM) 采用熒光光譜儀進(jìn)行掃描。測(cè)定前將比色皿用5% HNO3溶液進(jìn)行清洗。測(cè)定時(shí)激發(fā)波長(zhǎng)范圍為200～550 nm，激發(fā)采樣間隔為5 nm，發(fā)射波長(zhǎng)范圍為250～600 nm，發(fā)射采樣間隔為2 nm，掃描速度為1200 nm/min。

以激發(fā)波長(zhǎng)為370 nm時(shí)，發(fā)射波長(zhǎng)在470 nm和520 nm兩處熒光發(fā)射強(qiáng)度的比值計(jì)算熒光系數(shù)(FI)；當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為254 nm時(shí)，以發(fā)射波長(zhǎng)在435～480 nm范圍內(nèi)的積分值與在300～345 nm范圍內(nèi)的積分值的比值來(lái)計(jì)算腐殖化系數(shù) (HIX)；當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為310 nm時(shí)，以發(fā)射波長(zhǎng)在380 nm時(shí)的熒光強(qiáng)度與發(fā)射波長(zhǎng)在420～435 nm范圍內(nèi)的最大熒光強(qiáng)度的比值計(jì)算新舊碳比 (β∶α)；當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為310 nm時(shí)，以發(fā)射波長(zhǎng)在380 nm和430 nm時(shí)熒光發(fā)射強(qiáng)度的比值計(jì)算得自生源指數(shù) (BIX)。

1.4 不同水稻土Fe (Ⅲ) 還原特征表征

分別稱(chēng)取3.000 g過(guò)1 mm土壤篩的各水稻土樣品若干份于10 mL的血清瓶中，以1∶1的土水比添加3 mL去離子水，充N(xiāo)2除O2，并用橡膠塞和鋁蓋密封，置于30℃恒溫培養(yǎng)箱中暗光培養(yǎng)。分別于厭氧培養(yǎng)的第 0、1、3、5、7、10、13、16、20、25、30、35、40天用鄰菲啰啉比色法測(cè)定樣品中Fe (Ⅱ)濃度。通過(guò)Origin 8.0軟件中Logistics模型y=a/(1 +be–cx)，表征由微生物介導(dǎo)的Fe (Ⅲ) 還原過(guò)程。其中：x為培養(yǎng)時(shí)間；y為培養(yǎng)時(shí)間為x時(shí)體系中的Fe(Ⅱ) 濃度；a為體系中鐵還原最大潛勢(shì)；b為模型參

表 1 供試水稻土基本化學(xué)性質(zhì) (，n = 3)Table 1 Basic chemical property of tested paddy soils

表 1 供試水稻土基本化學(xué)性質(zhì) (，n = 3)Table 1 Basic chemical property of tested paddy soils

供試土壤Soils pH銨態(tài)氮Ammonium nitrogen(mg/kg)DN 6.24 ± 0.04 7.29 ± 0.17 14.21 ± 0.46 55.20 ± 4.32 5.60 ± 0.03 202.99 ± 2.08 0.15 ± 0.03 16.19 ± 0.31 BD 8.09 ± 0.05 3.55 ± 0.02 14.49 ± 0.05 33.48 ± 2.23 13.89 ± 1.44 302.41 ± 3.14 5.92 ± 0.14 12.13 ± 0.15 FM 5.22 ± 0.01 3.97 ± 0.04 7.38 ± 0.15 36.71 ± 0.71 5.54 ± 0.50 163.70 ± 3.90 0.35 ± 0.11 51.45 ± 0.15 YJ 6.21 ± 0.01 4.11 ± 0.10 9.85 ± 0.30 37.99 ± 3.48 6.78 ± 0.44 148.59 ± 3.09 0.77 ± 0.76 13.37 ± 0.08 TG 8.69 ± 0.01 2.54 ± 0.06 8.55 ± 0.40 24.22 ± 0.83 20.99 ± 1.35 248.08 ± 1.16 6.26 ± 0.27 19.01 ± 1.33 SY 10.15 ± 0.01 0.56 ± 0.01 2.30 ± 0.21 16.82 ± 1.03 8.24 ± 0.02 352.24 ± 4.55 8.94 ± 0.22 0.68 ± 0.06 HZ 5.82 ± 0.02 6.00 ± 0.25 12.41 ± 0.17 44.32 ± 1.79 2.93 ± 0.25 135.51 ± 3.52 12.48 ± 0.28 26.14 ± 0.24 CS 5.78 ± 0.03 6.33 ± 0.08 19.89 ± 0.16 42.34 ± 1.51 15.88 ± 0.49 126.59 ± 3.52 0.41 ± 0.11 7.50 ± 0.10 AK 7.06 ± 0.05 4.71 ± 0.05 13.11 ± 0.35 31.53 ± 1.05 9.91 ± 0.53 149.26 ± 2.60 1.54 ± 0.11 20.00 ± 0.59 QL 7.83 ± 0.02 2.97 ± 0.09 7.84 ± 0.13 34.51 ± 1.01 13.03 ± 0.88 70.39 ± 2.37 34.81 ± 0.14 12.0 ± 0.41 NC 5.17 ± 0.02 3.62 ± 0.04 13.88 ± 0.16 47.89 ± 5.07 5.77 ± 0.16 114.43 ± 2.72 5.26 ± 0.04 37.67 ± 0.47 NH 6.30 ± 0.03 3.35 ± 0.05 14.85 ± 0.08 32.71 ± 1.74 8.78 ± 0.37 145.70 ± 1.10 49.14 ± 1.25 25.83 ± 0.04 SR 6.15 ± 0.04 2.85 ± 0.18 10.80 ± 0.08 26.44 ± 3.45 0.94 ± 0.08 283.73 ± 12.80 0.34 ± 0.16 8.11 ± 0.20 YC 4.22 ± 0.01 1.54 ± 0.09 3.68 ± 0.07 26.6 ± 0.24 13.51 ± 0.93 120.17 ± 1.05 20.16 ± 0.37 24.38 ± 0.69 DB 8.24 ± 0.02 1.89 ± 0.19 9.70 ± 0.14 21.74 ± 0.95 16.76 ± 2.82 73.92 ± 4.91 7.80 ± 0.39 6.10 ± 0.01 XD 8.08 ± 0.01 2.47 ± 0.01 4.79 ± 0.06 30.50 ± 1.36 27.34 ± 3.72 115.85 ± 3.90 6.25 ± 0.34 5.26 ± 0.15 CL 8.42 ± 0.01 1.24 ± 0.02 6.12 ± 0.21 16.57 ± 2.937 8.74 ± 4.022 153.05 ± 5.23 2.19 ± 0.62 3.97 ± 0.27 HX 7.45 ± 0.01 5.66 ± 0.34 14.38 ± 0.19 95.22 ± 6.72 14.89 ± 0.75 78.17 ± 4.70 16.11 ± 0.47 9.97 ± 0.23 XH 7.89 ± 0.01 2.39 ± 0.04 15.87 ± 0.27 38.67 ± 1.50 4.25 ± 0.38 68.06 ± 2.80 1.42 ± 0.18 20.52 ± 0.25 GD 4.80 ± 0.03 3.81 ± 0.21 18.19 ± 0.24 37.19 ± 2.90 4.92 ± 0.31 62.79 ± 1.58 20.6 ± 0.12 17.39 ± 0.83非晶態(tài)氧化鐵Amorphous Fe(mg/g)游離鐵Free Fe(mg/g)有機(jī)質(zhì)Organic matter(mg/g)速效磷Available P(mg/kg)速效鉀Available K(mg/kg)硝態(tài)氮Nitrate nitrogen(mg/kg)

數(shù)；c為反應(yīng)速率常數(shù)。以0.25ac計(jì)算最大反應(yīng)速率(Vmax)；以lnb/c計(jì)算最大反應(yīng)速率對(duì)應(yīng)的時(shí)間(TVmax)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

加載MATLAB 7.0中DOM Fluor工具箱對(duì)DOC的熒光光譜進(jìn)行平行因子分析，使復(fù)雜的熒光光譜分解為單個(gè)物質(zhì)組分，剪掉受散射峰影響的光譜區(qū)域，并用空白缺省值代替，采用殘差分析及分半信度檢驗(yàn)鑒定DOC的主要組分組成[18–19]。采用SPSS16.0進(jìn)行方差分析及Pearson相關(guān)分析。依據(jù)冗余分析 (redundancy analysis，RDA)，采用CANOCO4.5描述DOC各組分與Fe (Ⅲ) 還原過(guò)程的關(guān)系。排序中因變量包含不同水稻土的Fe (Ⅲ) 還原能力的特征參數(shù)a、Vmax、TVmax，自變量包含描述DOC的熒光光譜特征參數(shù)HIX、FI、β∶α、BIX及各組分的熒光強(qiáng)度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水稻土中水溶性有機(jī)碳含量及熒光特性

2.1.1 不同水稻土中水溶性有機(jī)碳含量 從圖2看出，不同水稻土DOC含量在0.250～1.082 g/kg的范圍內(nèi)變化，平均值為0.656 g/kg，且不同水稻土間DOC含量差異明顯，變異系數(shù)為29.5%，其中SY水稻土中DOC含量最高，而CL水稻土中含量最低，不同水稻土間并沒(méi)有因植稻區(qū)不同而呈現(xiàn)一定趨勢(shì)，表明人為管理措施對(duì)水稻土DOC含量影響較為顯著。DOC是SOC中最易被利用的組分，在不同水稻土的SOC中，DOC所占比例僅為2.06%～6.86%，變異系數(shù)高達(dá)1.558，然而DOC與SOC的相關(guān)關(guān)系并未達(dá)到顯著水平，可能與不同水稻土有機(jī)質(zhì)的組分和來(lái)源有關(guān)。

圖 2 不同水稻土中水溶性有機(jī)碳含量及其占土壤有機(jī)碳的比例Fig. 2 Content of water dissolved organic carbon (DOC) and ratio of DOC to soil organic carbon (DOC/SOC) in paddy soils

2.1.2 土壤水溶性有機(jī)碳三維熒光光譜掃描及光譜特征表征 采用PARAFAC分析方法對(duì)DOC熒光光譜和組分特征進(jìn)行分析，共鑒定出4個(gè)熒光組分，其激發(fā)–發(fā)射光譜特征及熒光強(qiáng)度的結(jié)果分別如圖3、圖4所示。依據(jù)文獻(xiàn)，從圖3中可以初步確定4種熒光物質(zhì)均屬于腐殖酸類(lèi)組分[20]。C1 (330/420 nm)屬于普遍存在于環(huán)境中的UVC類(lèi)腐殖酸，具有高分子量、高芳香性的特征，通常在濕地、森林土壤等環(huán)境中具有較高含量。其在不同水稻土DOC中含量最高，熒光強(qiáng)度為0.799～4.570，不同水稻土間差異明顯，變異系數(shù)為36.82%。C2 (275和370/448 nm)為代表陸源的類(lèi)腐殖酸，在不同水稻土DOC中熒光強(qiáng)度與C1組分基本相當(dāng)，為0.830～5.273，占4種組分總熒光強(qiáng)度的31.15%～41.72%。C3 (335和410/476 nm) 屬于可見(jiàn)光區(qū)類(lèi)腐殖酸，常見(jiàn)于淡水湖泊等環(huán)境中，可能與不同水稻土淹水時(shí)通過(guò)灌溉水引入DOC這一途徑相關(guān)。其在不同水稻土DOC中熒光強(qiáng)度為0.465～3.164，變異系數(shù)為53.82%。C4(290/414 nm) 屬于低分子量的UVA水源腐殖酸，多見(jiàn)于水生環(huán)境中，通常與生物活性相關(guān)，但在廢水、濕地及農(nóng)田環(huán)境中也可以檢測(cè)到。其熒光強(qiáng)度在不同水稻土DOC中的相對(duì)較低 (0.0531～0.730)，為四種組分總熒光強(qiáng)度的1.07%～13.97%。在水稻土DOC 4種腐殖酸的組分中C1和C2為陸源組分，C3和C4代表水源組分。

2.1.3 不同水稻土水溶性有機(jī)碳光譜指紋特征 從圖5a看出，供試的20個(gè)水稻土DOC的FI值均低于1.5，除SY、SR和CL水稻土DOC的FI低于1.2外，其余水稻土的FI值均在1.2～1.5的范圍內(nèi)變化，表明風(fēng)干的水稻土DOC的來(lái)源主要以外部輸入為主，這與2.1.2中分析得到DOC中熒光特性較強(qiáng)的組分為陸源類(lèi)腐殖酸 (C1、C2) 這一結(jié)果相一致。同時(shí)相關(guān)分析 (表2) 也表明，F(xiàn)I指數(shù)與組分C1的熒光強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)。從圖5b看出，不同水稻土的腐殖化系數(shù) (HIX) 在1.02～1.14的范圍內(nèi)變化，表明不同水稻土DOC的腐殖化程度較低，主要以自生源為主。HIX指數(shù)與組分C1、C2和C3熒光強(qiáng)度也均呈現(xiàn)出極顯著或顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明不同水稻土DOC中C1、C2及C3組分的含量決定了DOC的腐殖化程度。圖5c和5d中顯示，不同水稻土DOC的β∶α值為0.680～0.812，BIX指數(shù)為0.680～0.811，表明水稻土的DOC較容易被利用，且微生物活動(dòng)產(chǎn)生的新鮮有機(jī)碳對(duì)不同水稻土DOC的貢獻(xiàn)相對(duì)較低，結(jié)合FI指數(shù)的結(jié)果，可以進(jìn)一步說(shuō)明不同水稻土DOC的來(lái)源以外源輸入為主，微生物內(nèi)源輸入為輔。

2.2 不同水稻土的Fe (Ⅲ) 還原特征

不同水稻土厭氧培養(yǎng)過(guò)程中Fe (Ⅱ) 濃度隨著淹水時(shí)間延長(zhǎng)而快速增加，而后于厭氧培養(yǎng)的第10 d后逐漸趨于穩(wěn)定或緩慢增加 (圖6)。從圖6看出，于厭氧培養(yǎng)5 d時(shí)，YC、CS、AK和DN水稻土中Fe (Ⅱ) 濃度為0.91～6.15 mg/g，為對(duì)應(yīng)非晶態(tài)氧化鐵含量的59.17%～93.10%，而其余16個(gè)水稻土中Fe (Ⅱ) 濃度均已超過(guò)對(duì)應(yīng)水稻土中非晶態(tài)氧化鐵的含量，為對(duì)應(yīng)無(wú)定形氧化鐵含量的104.76%～222.41%，表明淹水5 d時(shí)水稻土中易被還原的非晶態(tài)氧化鐵已基本被還原。于厭氧培養(yǎng)第40 d時(shí)，各水稻土Fe(Ⅲ) 還原量為非晶態(tài)氧化鐵和游離氧化鐵總量的16.65%～69.00%。

圖 3 水稻土水溶性有機(jī)碳中4種組分熒光光譜等值線Fig. 3 Contour plots of the four fluorescent components obtained by PARAFAC in paddy soils

圖 4 不同水稻土水溶性有機(jī)碳中4種組分熒光強(qiáng)度Fig. 4 Fluorescence intensity of four components identified with DOC Fluor-PARAFAC model in paddy soils

比較不同水稻土厭氧培養(yǎng)過(guò)程中Fe (Ⅱ) 濃度隨著淹水時(shí)間變化的Logistic模型參數(shù)發(fā)現(xiàn) (表3)，不同水稻土鐵還原潛勢(shì)a、最大Fe (Ⅲ) 還原速率 (Vmax)及達(dá)到最大Fe (Ⅲ) 還原速率對(duì)應(yīng)的時(shí)間 (TVmax) 差異明顯，變異系數(shù)分別達(dá)42.48%、57.55%和50.87%。采自華中單雙季稻稻作區(qū)的HZ水稻土a值最高為10.44 mg/g，并于厭氧培養(yǎng)的第3.76 d時(shí)達(dá)到Vmax1.94 mg/(g·d)。YC水稻土達(dá)到Vmax0.19 mg/(g·d) 所需的時(shí)間最長(zhǎng)，為9.21 d。采自東北單季稻稻作區(qū)的SY水稻土，因鐵氧化含量較低，其a值為所有水稻土中的最低值，僅為1.27 mg/g，并于厭氧培養(yǎng)的第2.95 d時(shí)達(dá)到最低的Vmax0.19 mg/(g·d)。另外，盡管在同一稻作區(qū)內(nèi)，土壤采樣點(diǎn)接近，但

表 2 不同水稻土Fe (Ⅲ) 還原特征參數(shù)、水溶性有機(jī)碳特征參數(shù)及其各組分間的Pearson相關(guān)分析Table 2 Pearson correlation among Logistic kinetics parameters of Fe (Ⅲ) reduction, indices of fluorescence properties and scores of four components identified with DOM Fluor-PARAFAC model in paddy soils

圖 5 不同水稻土水溶性有機(jī)碳光譜掃描參數(shù)Fig. 5 Indices of the fluorescence properties of soil dissolved organic carbon

可能由于土壤性質(zhì)之間的差異，不同土壤之間鐵還原特征參數(shù)存在顯著的差異，這一現(xiàn)象在采自華北單季稻稻作區(qū)的TG和BD水稻土之間，西北干燥單季稻稻作區(qū)的DB、XD和CL水稻土之間，以及西南單雙季稻稻作區(qū)的HX和XH水稻土之間表現(xiàn)尤為明顯。

圖 6 不同水稻土厭氧培養(yǎng)過(guò)程中Fe (Ⅱ) 濃度的變化Fig. 6 Variations in Fe (Ⅱ) concentrations in submerged paddy soils during anaerobic incubation

表 3 水稻土厭氧培養(yǎng)過(guò)程中鐵還原特征動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)Table 3 The Logistic kinetics parameters of microbial Fe (Ⅲ) reduction during anaerobic incubation of paddy soils

2.3 水稻土Fe (Ⅲ) 還原特征與水溶性有機(jī)碳的關(guān)聯(lián)分析

將不同水稻土DOC的光譜掃描參數(shù)與Fe (Ⅲ)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析 (表2) 發(fā)現(xiàn)，水稻土中DOC腐殖化系數(shù)HIX與Fe (Ⅲ) 還原最大反應(yīng)速率Vmax呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與Fe (Ⅲ) 還原潛勢(shì)a的相關(guān)性達(dá)到極顯著正相關(guān)水平，表明水稻土DOC中腐殖酸含量越多、腐殖化程度越高，F(xiàn)e (Ⅲ) 還原潛勢(shì)和反應(yīng)速率越高。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)不同水稻土DOC中4個(gè)組分中C1、C2、C4組分各自的熒光強(qiáng)度與a和Vmax的相關(guān)性均達(dá)到顯著或極顯著水平。然而水稻土DOC的含量與Fe (Ⅲ) 還原特征參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系不顯著，可能是由于水稻土DOC中含有一定量的除腐殖質(zhì)外的其他組分 (如糖類(lèi)、丙酮酸、丁酸、檸檬酸小分子有機(jī)酸等)。另外，水稻土DOC的含量與熒光特性與達(dá)到Fe (Ⅲ) 還原最大反應(yīng)速率對(duì)應(yīng)時(shí)間 (TVmax) 的關(guān)系均未達(dá)到顯著水平。

進(jìn)一步對(duì)所研究的20個(gè)水稻土的Fe (Ⅲ) 還原特征參數(shù)和DOC的熒光特性參數(shù)及組分進(jìn)行冗余分析(圖7)，發(fā)現(xiàn)前兩個(gè)排序軸共解釋了變量的58.3%，其中第一排序軸解釋了46.7%，表明與第一排序軸相關(guān)的DOC因子是主要的影響因素。從圖中可以看出，與第一排序軸關(guān)系最為密切的是組分C2 (–0.597)、C1 (–0.579) 的熒光強(qiáng)度及腐殖化系數(shù) HIX(–0.507)。此外，組分C4和熒光指數(shù)FI也與第一排序軸關(guān)系較為密切，結(jié)合相關(guān)分析的結(jié)果，進(jìn)一步表明了不同水稻土DOC中腐殖酸組分在決定Fe (Ⅲ)還原潛勢(shì)與鐵還原最大反應(yīng)速率時(shí)的作用。

圖 7 不同水稻土Fe (Ⅲ) 還原特征與土壤環(huán)境因子冗余分析的二維排序圖Fig. 7 Bioplot of RDA ordinations for microbial Fe (Ⅲ)reduction characteristics of paddy soils and indices of fluorescence properties and scores of fours components

3 討論

3.1 水溶性有機(jī)碳作為電子供體對(duì)Fe (Ⅲ) 還原的作用

淹水稻田中有機(jī)質(zhì)是水稻土中進(jìn)行兼性共代謝還原的前提，不僅為微生物生長(zhǎng)提供能源，也為Fe(Ⅲ) 還原微生物提供電子。有研究表明，經(jīng)歷反復(fù)干濕交替的稻田中微生物兼性共代謝還原可能是Fe(Ⅲ) 還原的主要途徑[10]。水溶性有機(jī)碳是土壤有機(jī)質(zhì)中最易被微生物分解利用的組分。然而，易維潔等[21]證實(shí)在水稻土微生物利用其中含有的水溶性有機(jī)碳為唯一能源時(shí)微生物活動(dòng)基本處于“鈍化”狀態(tài)，對(duì)Fe (Ⅲ) 的還原效率較低，至多能引起0.12 mmol Fe (Ⅲ) 被還原為Fe (II)。本研究中經(jīng)測(cè)定不同水稻土水溶性有機(jī)碳含量為0.250～1.082 g/kg，占土壤總有機(jī)碳的比例僅為2.06%～6.86%，不同水稻土鐵還原潛勢(shì)達(dá)1.27～10.441 mg/g，且DOC的含量與Fe (Ⅲ) 還原特征參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系不顯著。此外，經(jīng)測(cè)定本研究供試水稻土DOC中還原糖的含量為94～715 μg/g (以葡萄糖為單位表征)，若以 1 mol葡萄糖全部氧化可提供24 mol電子計(jì)算，DOC中能夠提供給Fe (Ⅲ) 還原的電子為水稻土中Fe (Ⅲ) 微生物還原所需電子的11.9%～136.5% (均值為42.4%)，其中85%的水稻土樣品電子供給能力低于平均值。綜上所述，大多數(shù)水稻土水溶性有機(jī)碳為Fe (Ⅲ) 還原提供電子的能力是有限的。

3.2 水溶性有機(jī)碳作為電子穿梭體對(duì)Fe (Ⅲ) 還原的作用

Lovley早在1996年就證明了腐殖酸可以為包括Fe (Ⅲ) 還原在內(nèi)的微生物呼吸過(guò)程傳遞電子[22]。眾多研究報(bào)道，酚醌類(lèi)基團(tuán)是水溶性有機(jī)碳中具有電子傳遞能力的核心結(jié)構(gòu)，其腐殖化程度較高，且經(jīng)常被用作研究Fe (Ⅲ) 還原過(guò)程中電子穿梭體的模式物質(zhì)[23–24]。陶亞等報(bào)道了水稻根際土中水溶性有機(jī)碳的電子接受能力為635.6 μmol/(g·C)、電子供給能力為34.1 μmol/(g·C)，進(jìn)一步證實(shí)了類(lèi)腐殖酸物質(zhì)熒光峰強(qiáng)度可作為自然環(huán)境中DOC電子轉(zhuǎn)移活性表征的重要指標(biāo)[25]。同時(shí)水稻土水溶性有機(jī)碳可經(jīng)歷多次的電子接受和電子供給循環(huán)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)且可逆的電子轉(zhuǎn)移[16,26]。本研究中C1、C2、C4類(lèi)腐殖酸組分熒光峰強(qiáng)度分別與Fe (Ⅲ) 還原潛勢(shì)和Fe (Ⅲ) 還原最大反應(yīng)速率呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，這表明水稻土水溶性有機(jī)碳主要作為電子穿梭體在Fe (Ⅲ) 還原過(guò)程中起作用。

然而，并不是所有具有電子轉(zhuǎn)移能力的組分可以參與到下一次的氧化–還原循環(huán)中，Bi等[16]發(fā)現(xiàn)森林土壤水溶性有機(jī)碳的電子循環(huán)率為48.15%～67.73%，而水稻土水溶性有機(jī)碳的電子循環(huán)率僅為36.7%，表明水溶性有機(jī)碳中可能含有具有不可逆電子轉(zhuǎn)移能力的組分。本試驗(yàn)條件下，不同水稻土的腐殖化程度相對(duì)較低，容易被利用，且不同水稻土水溶性有機(jī)碳的HIX指數(shù)與β∶α指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)(Pearson相關(guān)系數(shù)為–0.471)。因此，可以推斷水稻土水溶性有機(jī)碳中具有不可逆電子轉(zhuǎn)移能力的非醌類(lèi)物質(zhì) (腐殖化程度相對(duì)較低) 含量較高。另外，在厭氧鐵氧化物富集的土壤中，微生物介導(dǎo)的Fe (Ⅲ) 還原是除產(chǎn)甲烷外耦聯(lián)有機(jī)質(zhì)礦化的最重要的生物化學(xué)過(guò)程，水溶性有機(jī)碳中具有電活性的醌類(lèi)基團(tuán)參與到電子傳遞鏈中可能對(duì)鐵循環(huán)耦聯(lián)的碳循環(huán)具有重要的貢獻(xiàn)[27]。

3.3 水稻土水溶性有機(jī)碳各腐殖酸類(lèi)熒光組分的貢獻(xiàn)

研究發(fā)現(xiàn)污泥堆肥材料中水溶性有機(jī)碳的電子轉(zhuǎn)移能力取決于其分子量的大小，表現(xiàn)為高分子量(＞ 14000 Da) ＞ 中等分子量 (3500～14000) ＞ 低分子量(＜ 3500) 的趨勢(shì)，并且不同分子量大小的水溶性有機(jī)碳作為電子穿梭體從Fe (Ⅲ) 還原菌Shewanellaputrefaciens 200和Klebsiellapneumoniae L17傳遞電子到鐵氧化物的能力也呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)[28]。本試驗(yàn)條件下，經(jīng)分析鑒定組分C1 (UVC陸源腐殖酸) 是高度芳香化的高分子量類(lèi)腐殖酸，為水稻土水溶性有機(jī)碳中最主要的熒光組分之一，而組分C4為小分子量的UVA水源類(lèi)腐殖酸，其熒光強(qiáng)度相對(duì)較低，因此可以推斷組分C1較C4的電子傳遞能力強(qiáng)。Yuan等[28]還通過(guò)紅外光譜 (FT-IR) 掃描發(fā)現(xiàn)高分子量水溶性有機(jī)碳中醌類(lèi)結(jié)構(gòu)顯著高于中等分子量和低分子量水溶性有機(jī)碳。本研究中RDA分析結(jié)果顯示，組分C1較組分C4對(duì)不同水稻土Fe (Ⅲ) 還原潛勢(shì)的貢獻(xiàn)強(qiáng)，與Yuan等[28]的結(jié)果相佐證。此外，在RDA分析的結(jié)果中，C2 (UVC + UVA陸源類(lèi)腐殖酸) 組分對(duì)Fe (Ⅲ) 還原反應(yīng)速率和Fe (Ⅲ) 還原潛勢(shì)的作用與C1組分基本相當(dāng)，而C3組分的貢獻(xiàn)最小，說(shuō)明不同水稻土水溶性有機(jī)碳的腐殖化程度和其中陸源的腐殖酸類(lèi)組分的熒光強(qiáng)度與水稻土鐵還原能力正相關(guān)。

4 結(jié)論

不同水稻土水溶性有機(jī)碳含量為0.250～1.082 g/kg，并沒(méi)有因植稻區(qū)不同而呈現(xiàn)出一定趨勢(shì)，人為管理措施對(duì)水稻土水溶性有機(jī)碳含量影響較為顯著。由DOC熒光光譜特征鑒定出2個(gè)陸源和2個(gè)水源類(lèi)腐殖酸熒光組分，其來(lái)源以外源輸入為主，內(nèi)源輸入為輔，且腐殖化程度較低，較易被微生物利用。水稻土中水溶性有機(jī)碳除了作為Fe (Ⅲ) 還原過(guò)程的電子供體外，其還以電子穿梭體的形式在Fe(Ⅲ) 還原過(guò)程中起重要作用。水溶性有機(jī)碳的腐殖化程度和其中各UVA和UVC腐殖酸類(lèi)物質(zhì)的熒光強(qiáng)度均與Fe (Ⅲ) 還原潛勢(shì)、Fe (Ⅲ) 還原最大反應(yīng)速率的相關(guān)關(guān)系達(dá)到顯著或極顯著水平；結(jié)合RDA的結(jié)果說(shuō)明水溶性有機(jī)碳的腐殖化程度和其中陸源腐殖酸類(lèi)組分的熒光強(qiáng)度與水稻土鐵還原能力正相關(guān)。

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