Fe(III) stabilizing soil organic matter and reducing methane emissions in paddy fields under varying flooding conditions  

不同淹水條件下Fe(III)對稻田土壤有機質的穩定作用及甲烷減排效應  

來源：Ecotoxicology and Environmental Safety, Volume 259,2023, Article 114999

《生態毒理學與環境安全》，2023年第259卷，文章編號114999  

摘要內容

 

研究探討了Fe(III)添加對淹水稻田土壤有機質（SOM）礦化和甲烷（CH?）排放的影響。關鍵發現包括：  

有氧淹水條件：添加Fe(III)使SOM礦化率降低14.4%（16天），CO?排放減少（圖3A），溶解氧（DO）消耗速率減緩（DO降至0耗時7天 vs 對照組3天）（圖1A）。  

 

 

厭氧淹水條件：Fe(III)添加使CH?排放降低43.6%（圖3B），但對CO?排放無顯著影響。  

 

作用機制：  

 

有氧條件下：Fe(III)形成弱結晶鐵氧化物，通過吸附/共沉淀保護有機質，減少微生物接觸（圖4）。

 

 

厭氧條件下：Fe(III)作為電子受體競爭底物，抑制產甲烷菌活性（表2）。  

氧化還原動態：Unisense電極證實Fe(III)提升氧化還原電位（ORP），有氧組ORP穩定于98.9 mV（對照組6.7 mV）（圖1B）。  

 

 

研究目的

量化Fe(III)添加對淹水稻田SOM礦化（CO?和CH?排放）的影響。  

 

闡明有氧與厭氧淹水條件下Fe(III)調控碳循環的差異機制。  

 

驗證Fe(III)通過改變土壤氧化還原狀態（ORP/DO）抑制CH?生成的假設。  

 

研究思路

實驗設計：  

 

設置四組處理：有氧（Oxic）、有氧+Fe(III)、厭氧（Anoxic）、厭氧+Fe(III)。  

 

Fe(III)添加量：5 mg kg?1（模擬稻田可溶性鐵濃度）。  

監測指標：  

 

氣體排放：GC測定CO?/CH?通量（圖3）。  

 

氧化還原參數：Unisense微電極實時測量DO和ORP（圖1）。  

 

鐵形態：HCl提取法分析Fe(II)/Fe(III)動態（圖2）。  

 

礦化模型：一級動力學模型擬合碳分解潛力（C?）和速率常數（Kc）（圖4，表2）。  

 

測量數據及研究意義

氣體排放數據（圖3）：  

 

數據：有氧+Fe(III)組CO?累計排放498.8 mg C kg?1（較有氧組降低14.4%）；厭氧+Fe(III)組CH?排放51.1 mg C kg?1（較厭氧組降低43.6%）。  

 

意義：證實Fe(III)在有氧條件下保護SOM，在厭氧條件下抑制CH?生成，為稻田鐵管理提供依據。  

鐵形態動態（圖2）：  

 

數據：有氧+Fe(III)組Fe(II)濃度顯著降低（p<0.01），Fe(III)穩定性增強。  

 

意義：揭示Fe(III)通過抑制還原過程維持氧化環境，減緩SOM分解。  

礦化模型參數（表2）：  

 

數據：有氧+Fe(III)組碳分解速率常數（Kc=0.046 d?1）顯著低于有氧組（0.137 d?1）。  

 

意義：量化Fe(III)對SOM穩定的長期效應，支持"鐵門"理論（鐵氧化物物理保護有機質）。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

數據來源：圖1展示DO和ORP隨時間變化（空間分辨率亞毫米級）。  

 

研究意義：  

高精度氧化還原解析：實時捕捉Fe(III)添加后DO消耗速率減緩（有氧組DO降至0耗時從3天延至7天），直接證明Fe(III)延緩土壤缺氧進程。  

 

機制關聯：ORP與Fe(III)含量顯著正相關（R2=0.94，表3），驗證Fe(III)通過提升ORP抑制厭氧微生物活性。  

 

 

技術優勢：微電極原位監測避免土壤擾動，準確反映淹水土壤微界面氧化還原躍遷，為鐵-碳耦合機制提供動態證據。  

 

結論

Fe(III)的雙重角色：  

 

有氧條件：促進弱結晶鐵氧化物形成，通過吸附/共沉淀物理保護SOM，降低CO?排放。  

 

厭氧條件：作為電子受體競爭底物，抑制產甲烷途徑，減少43.6% CH?排放。  

應用價值：稻田添加可溶性Fe(III)可同步實現SOM固存與CH?減排，尤其適用于間歇灌溉稻田管理。  

 

局限性：Fe(III)保護效應在長期厭氧環境中隨鐵還原而減弱，需結合水分管理優化。