铁介导的土壤有机碳固持和矿化研究进展

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.114

地球科学进展 ›› 2022, Vol. 37 ›› Issue (2): 202 -211. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.114

铁介导的土壤有机碳固持和矿化研究进展

段勋 ¹ ^, ² ^, ³(

), 李哲 ² ^, ³, 刘淼 ¹ ^, ³, 邹元春 ¹(

)

^1.中国科学院东北地理与农业生态研究所，湿地生态与环境重点实验室 & 吉林省长白山湿地生态与环境重点实验室，吉林长春 130102
^2.中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，湖南长沙 410125
^3.中国科学院大学，北京 100049

收稿日期:2021-10-26 修回日期:2021-12-24 出版日期:2022-02-10
通讯作者: 邹元春 E-mail:duanxun623@gmail.com;zouyc@iga.ac.cn
基金资助:
国家重点研发计划项目“长白山区水源涵养功能及流域水资源承载力研究”(2019YFC0409102);国家自然科学基金项目“退耕还湿土壤铁固持有机碳作用机制研究”(41971136)

Progress of the Iron-mediated Soil Organic Carbon Preservation and Mineralization

Xun DUAN ¹ ^, ² ^, ³( ), Zhe LI ² ^, ³, Miao LIU ¹ ^, ³, Yuanchun ZOU ¹( )

^1.Key Laboratory of Wetland Ecology and Environment & Jilin Provincial Joint Key Laboratory of Changbai Mountain Wetland and Ecology，Northeast Institute of Geography and Agroecology，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130102，China
^2.Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region，Institute of Subtropical Agriculture，Chinese Academy of Sciences，Changsha 410125，China
^3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2021-10-26 Revised:2021-12-24 Online:2022-02-10 Published:2022-03-08
Contact: Yuanchun ZOU E-mail:duanxun623@gmail.com;zouyc@iga.ac.cn
About author:DUAN Xun (1996- ), male, Weinan City, Shaanxi Province, Ph.D student. Research areas include soil microbiological ecologycarbon cycle. E-mail: duanxun623@gmail.com
Supported by:
the National Key Research and Development Program of China "Study on water conservation function and water resources carrying capacity in river basins of Changbai Mountains area"(2019YFC0409102);The National Natural Science Foundation of China "Preservation mechanisms of soil organic carbon by iron in the wetlands restored from reclaimed farmlands"(41971136)

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铁作为有机碳矿物保护的核心元素之一，不仅对土壤有机碳库的结构及其稳定性有重要影响，其氧化还原动态变化也驱动着有机碳的周转过程。从铁介导的有机碳固持机制、铁结合态有机碳稳定程度的影响因素以及铁氧化还原过程驱动的有机碳矿化机制3个方面对铁—碳耦合关系进行了梳理分析。首先，铁介导的有机碳固持机制主要取决于自身的矿物学特性，能够通过吸附、络合、共沉淀和夹层复合等方式形成铁结合态有机碳，从而对有机碳起到直接的矿物保护作用。此外，铁氧化物还可以作为胶结剂促进团聚体形成，或通过改变环境pH进而间接保护有机碳。其次，铁结合态有机碳的稳定性主要受其自身性质（铁的矿物学特征、碳铁比、与有机碳的结合方式）、铁还原菌的种类以及小分子有机物的影响。第三，铁介导的有机碳矿化过程主要包括铁异化还原介导的有机碳矿化过程，以及由Fe（Ⅱ）化学氧化驱动的芬顿/类芬顿反应所生成的羟基自由基导致的非选择性有机碳矿化过程。但是，铁氧化物也能通过与外源输入碳复合形成铁结合态有机碳从而抑制土壤有机碳的矿化，以及通过降低酚氧化酶活性而减缓有机碳的矿化速率。因此，铁氧化物的矿物学特性和氧化还原敏感性对土壤有机碳的累积具有重要影响。最后提出了未来铁—碳耦合关系研究应该加强的方向，旨在深入解析铁介导的有机碳动态变化的内在机制，为土壤的固碳减排以及“碳中和”目标的实现提供理论依据。

关键词: 铁氧化物, 土壤有机碳, 铁—碳耦合, 铁异化还原, 芬顿反应

As one of the core mineral elements for the preservation of organic carbon， iron （Fe） not only has an important influence on the structure of Soil Organic Carbon （SOC） pools and stability， but its redox dynamic changes also drive the SOC turnover processes. According to recent research progress at home and abroad， this paper analyzes the Fe-C coupling relationships from three aspects： Fe-mediated OC preservation mechanisms， factors affecting the stability of Fe-bound OC， and OC mineralization mechanisms driven by the Fe redox processes. Firstly， Fe-mediated OC preservation mechanisms mainly depend on its own mineralogical characteristics. The direct roles include forming Fe-bound OC through adsorption， complexation， co-precipitation and interlayer composites. In addition， the indirect roles include acting as a cementing agent to promote the formation of aggregates， and changing the environmental pH. Secondly， the stability of Fe-bound OC is mainly determined by its own properties （e.g. the mineralogical characteristics of Fe， C∶Fe and the combination with OC）， the type of iron-reducing bacteria and the influence of low molecular weight organics. Thirdly， Fe-mediated mineralization processes of OC mainly include the mineralization processes mediated by Fe dissimilatory reduction， and the non-selective OC mineralization processes caused by the hydroxyl radicals generated by the Fenton/Fenton-like reactions driven by Fe（Ⅱ） chemical oxidation. However， iron oxide can also inhibit the excitation effect by forming iron-bound organic carbon with external input carbon， and slow down the mineralization rate of organic carbon by reducing the activity of phenol oxidase. Therefore， the mineralogical properties and redox sensitivity of Fe oxides have an important influence on the accumulation of SOC. Future research directions of Fe-C coupling relationships that should be strengthened are proposed， aiming to deeply analyze the internal mechanisms of Fe-mediated OC dynamic changes， and provide a theoretical basis for SOC sequestration and emission reduction facilitating the realization of "Carbon Neutralization".

Key words: Iron oxides, Soil organic carbon, Coupled iron-carbon, Dissimilatory iron reduction, Fenton reaction

中图分类号:

P934

图1 土壤铁氧化物介导的有机碳固持和矿化概念模型

Fig. 1 Conceptual model of organic carbon sequestration and mineralization mediated by soil iron oxides

图2 根系分泌物驱动的铁结合态有机碳解耦机制（据参考文献［ 38 ］修改）

Fig. 2 Decoupled mechanism of iron bound organic carbon driven by root exudates（modified after reference ［ 38 ］）

图3 铁异化还原（a）和芬顿反应（b）介导的有机碳矿化机制（据参考文献［ 10 ］修改）

Fig. 3 Mineralization mechanism of organic carbon mediated by iron dissimilatory reduction （a） and Fenton reaction （b）（modified after reference ［ 10 ］）

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