3結果

3.1水和土壤特性

表1列出了水和土壤的物理和化學性質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，小興凱湖水體溶解氧濃度低，pH值偏堿性，受人為干擾，研究區(qū)水體的溶解氧濃度較高。與水不同，小興凱湖的土壤呈弱酸性，這可能是由微生物作用造成的。小興凱湖土壤中有機碳、總磷和全氟含量的平均值為38.41±5.43 kg?1444.60±38.97毫克/千克?1和11.80±0.52克/千克?分別為1。

3.2不同鐵磷比下土壤元素的積累特征DO濃度分為三類：0-1500、2250-5250和≥6000，不考慮Fe/P（圖2a，b）。當深度小于1500μm時，所有四種處理的DO濃度都是穩(wěn)定的。由于氧氣的引入，有氧組保持較高的DO濃度，其他兩組在4 mg L左右波動?1因為氮氣的引入。在2250和5250μm之間的深度，溶解氧濃度隨波動而增加。深度大于6000μm時，溶解氧濃度達到極限值（0.3 mg L?1），但在有氧條件下第12天后增加，表明深層土壤中的DO濃度降低，但隨著時間的推移迅速增加。土壤Eh值在兩種不同的鐵磷比之間差異很大。鐵磷比為5時，不同處理的土壤Eh值不同（圖2c）。好氧+植物處理的土壤Eh值向上波動，而厭氧+植物處理的土壤Eh值降至最低（第5天），然后緩慢上升，而對照處理的土壤Eh值則波動并下降。在鐵磷比為10的情況下，土壤Eh值通常先降低后升高（圖2d）。

圖2兩種鐵磷比下四種處理（好氧+植物、厭氧+植物、好氧和厭氧）不同土層的溶解氧（DO）濃度（a、b）和氧化還原電位（Eh）值（c、d）隨時間的變化

環(huán)境因子（DO和Eh）的變化影響土壤元素的積累。土壤磷形態(tài)的含量見表2和表3。小興凱湖濕地土壤有機磷和有機磷含量分別占總磷含量的50%左右。不同IP組分的減少順序為Fe-P>Al-P>Oc-P>Ca-P>Ex-P。不同處理之間的Fe-P、Ex-P或Al-P含量存在顯著差異，但Oc-P、Ca-P和DRP沒有顯著差異（表2和表3）。此外，我們還發(fā)現(xiàn)，在四種處理中，有氧條件下的磷形態(tài)含量最高。

鐵是濕地土壤化學形態(tài)轉(zhuǎn)化的主要元素之一。在培養(yǎng)期間，在土壤中觀察到TFe和鐵氧化物（Feo和Fed）（圖3）。好氧處理的土壤TFe、Feo和飼料含量顯著高于其他三個處理（圖3）。根據(jù)多變量方差分析，各處理間TFe含量存在顯著差異（F=5.827，p=0.021），但Feo含量無顯著差異（F=1.419，p=0.307）。觀察到的美聯(lián)儲變化更為復雜。在鐵磷比為5的情況下，在好氧+植物處理（P=0.047）、厭氧+植物處理（P=0.015）和厭氧處理（P=0.025）中觀察到顯著差異；然而，在鐵磷比為10時，沒有顯著差異（P>0.05）。

土壤有機碳隨著其他元素之間的相互作用而變化。如圖4所示，無論鐵磷比如何（F=34.035，P<0.0001；F=8.089，P=0.008），四種處理的土壤有機碳含量顯著不同。在鐵磷比為5的條件下，土壤有機碳的平均含量按以下順序降低：需氧（85.01g/kg）?1）>好氧+植物（31.28 g kg?1）>厭氧（29.13克/千克?1）>厭氧+工廠（24.10 g kg?1).在鐵磷比為10的條件下，土壤有機碳的平均含量按以下順序降低：好氧（54.82g/kg）?1）>厭氧（44.88克/千克?1）>厭氧+工廠（26.82 g kg?1）>好氧+植物（21.87 g kg?1).

表2鐵磷比為5時四種處理的不同磷形態(tài)。數(shù)值表示為平均值±標準誤差。同一列中具有相同小寫字母的平均數(shù)在p<0.05時顯著不同（反之亦然）

3.3不同鐵磷比下鐵、磷和碳元素的相關性分析

對不同鐵磷比下的TFe、Feo、Fed、P形態(tài)和SOC進行了相關分析（表4）。鐵磷比為5時，F(xiàn)eo、鐵活性（Feo/Fed）和SOC之間存在顯著相關性（p<0.05），但在鐵磷比為10時，F(xiàn)eo/Fed和SOC之間沒有相關性。因此，有機碳（即有機質(zhì)）的增加會促進Feo的增加，但不一定會增強土壤的氧化鐵活性。

表4不同鐵磷比下總磷（TP）、無機磷（IP）、溶解活性磷（DRP）、全鐵（TFe）、無定形鐵（Feo）、游離鐵（Fed）、氧化鐵活化度（Feo/Fed）與土壤有機碳（SOC）的相關性

鐵磷比為10時，磷形態(tài)與土壤有機碳之間的相關性比鐵磷比為5時更顯著（表5）。無論鐵磷比如何，TP、IP和SOC之間都存在顯著相關性（P<0.01）。當Fe/P比為10時，土壤有機碳與Fe/Al-P顯著相關（r=0.778，r=0.919；P<0.01），但與其他IP形式無關，間接表明IP主要由Fe/Al-P組成。IP、Or-P和TP之間存在顯著相關性，表明IP和Or-P對土壤TP的貢獻相同。

表5不同鐵磷比下磷形態(tài)與土壤有機碳的相關性

4討論

好氧和厭氧處理中的DO濃度隨時間顯著變化（圖2a，b）。此外，人工曝氣確保了氧化繼續(xù)通過水-土界面，這一過程不會在深層土壤中自然發(fā)生。因此，由于曝氣裝置（圖2c，d）的運行而增加的Eh刺激的磷沉淀可以增強曝氣的預期效果。重要的是要認識到，鐵磷在好氧和厭氧處理之間存在顯著差異（表2和表3），表明磷的釋放受到曝氣的抑制。磷吸附到鐵絡合物的過程會導致從水柱中大量去除磷（Gunnars等人，2002年），并且對氧化還原變化敏感。土壤表面氧化還原敏感鐵磷的數(shù)量、磷的釋放及其與鐵的共沉淀均受人工曝氣的控制。當引入O2時，磷酸鐵沉淀；否則，在氧氣不足的情況下會釋放磷。因此，使用鐵來滅活磷需要連續(xù)完全混合或曝氣（Cooke 1993；Jaeger 1994）。人工鐵輸入改變了湖泊的鐵儲量，在很大程度上決定了磷的流動性。在土壤表面，鐵磷比越高，磷釋放率越低（Jensen et al.1992）。最近，Zou et al.（2018）還發(fā)現(xiàn)，與厭氧處理相比，好氧處理對TP的去除率最高，尤其是在較高的鐵磷比下，這表明在好氧條件下引入的鐵抑制了土壤TP的釋放，從而降低了水TP。因此，添加鐵會影響沉積物中P的埋藏，從而對湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)產(chǎn)生強烈影響，尤其是在DO濃度較高的情況下。

表3鐵磷比為10時四種處理的不同磷形態(tài)。數(shù)值表示為平均值±標準誤差。同一列中具有相同小寫字母的平均數(shù)在p<0.05時顯著不同（反之亦然）

我們發(fā)現(xiàn)，小興凱湖土壤中都存在IP和Or-P，每一種都占總磷的50%左右。這一結果與俞（2014）關于小興凱湖沉積物磷釋放的結果一致。Rydin（2000）報道，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的總和被估計為總生物有效P。在我們的研究中，生物活性P約占TP含量的65.97%，這表明，如果水生干擾和環(huán)境因素影響磷循環(huán)，小興凱湖沉積物很可能成為磷源，導致富營養(yǎng)化。

TFe向土壤表面的顯著增加（圖3）歸因于氧化還原，在沒有O2的情況下，F(xiàn)e2+還原溶解和擴散到上覆水中，以及在O2存在的情況下連續(xù)氧化為Fe3+（Zhang et al.2017）。然而，在人工曝氣期間，兩種鐵磷比的TFe沒有顯著差異（F=1.505，P=0.233）。在遷移過程中，觀察到了總鐵質(zhì)量的變化和鐵化學形態(tài)的轉(zhuǎn)變。我們發(fā)現(xiàn)，在鐵磷比為5（F=3.980，P=0.047）的處理中，飼喂量存在顯著差異，而在鐵磷比為10（圖3）的處理中沒有差異。相比之下，在兩個鐵磷比中，不同處理之間的鐵氧比沒有顯著差異。

土壤鐵氧化物的轉(zhuǎn)化是控制磷有效性的一個重要機制，尤其是Feo的影響（Su等人，2001年；Gao等人，2002年）。在Fe/P比為10時，溶解活性磷（DRP）與Feo呈強相關（r=0.608，P<0.05；表4），表明隨著Feo的增加，DRP逐漸增加，從而提高了土壤有效磷含量。這種情況與鈣質(zhì)土壤不一致（Zhu等人，1993年），但支持旱地土壤的研究結果（Wang等人，2008a）。此外，土壤物質(zhì)組成也會影響土壤P的行為。傳聞證據(jù)表明，溶解活性磷與TP不完全相關，但與土壤有機質(zhì)呈正相關或負相關（Jia和Li，2011；Liu等人，2012）。在該研究中，我們發(fā)現(xiàn)DRP和TP之間沒有顯著相關性，DRP和SOC之間的正相關性僅出現(xiàn)在鐵磷比為10時（表4），這可能與鐵輸入濃度對耦合元素循環(huán)的影響有關。

圖3兩種鐵磷比下四種處理（好氧+植物、厭氧+植物、好氧和厭氧）的總鐵（TFe）、無定形鐵（Feo）和游離鐵（Fed）含量

兩種鐵磷比之間的SOC沒有顯著差異（圖4）。然而，四種處理的SOC顯著不同（對于5的鐵磷比，F(xiàn)=34.036，p<0.001；對于10的鐵磷比，F(xiàn)=8.089，p=0.008）。我們注意到，在好氧處理中，SOC含量最高。在好氧條件下，鐵氧化物可能會強烈吸附SOC，并通過共沉淀形成絡合物，以穩(wěn)定有機碳（Mikutta等人，2006年；Lalonde等人，2012年）。我們觀察到的Feo含量與SOC之間的正相關關系（表4）表明，隨著Feo含量的大幅增加，SOC含量實際上可能會增加。在濕地土壤中，F(xiàn)eo和有機C之間的相互作用可能是有機C穩(wěn)定的最重要機制（Kleber等人，2005年；Lalonde等人，2012年）。有趣的是，SOC和鐵活度（Feo/Fed）之間的相關性因鐵磷比不同而不同。我們發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳與Feo、Fe活性呈正相關（對于Fe/P比為5的土壤，r=0.882；對于Fe/P比為10的土壤，r=0.756；P<0.01），表明增加有機碳（即有機質(zhì)）的輸入可以增加土壤中Feo的含量，提高鐵氧化物的活性。然而，在鐵磷比為10時，沒有發(fā)現(xiàn)這種關系。因此，增加有機碳輸入并不一定會提高濕地土壤中的鐵活性。

圖4兩種鐵磷比下四種處理（好氧+植物、厭氧+植物、好氧和厭氧）的土壤有機碳含量

5結論

模擬不同F(xiàn)e/P比的人工曝氣對DO、Eh的垂直變化以及C和P的轉(zhuǎn)化的影響，我們的研究結果表明，DO濃度在水-土界面分層，隨土壤深度降低，隨時間迅速增加。在有氧條件下，Eh值通常隨波動而增加。小興凱湖土壤表層的磷形態(tài)由半磷和磷組成，其中鐵磷比例最高，與較高的內(nèi)部磷負荷有關。在好氧條件下，總鐵質(zhì)量和SOC比厭氧條件下增加更多，且不受鐵磷比的影響。Feo的增加可能是通氣處理后SOC增加的原因之一。然而，鐵活性和SOC之間的相關性受到鐵輸入的影響。我們認為，施加的Fe輸入強度必須考慮Fe與有機C的相關性，并且應施加過量的Fe，以提供一個大的反應FE-P池和連續(xù)補充Fe以有效地結合土壤P。需要進行大規(guī)模的控制實驗，以充分了解濕地中土壤元素的行為，包括潛在的富營養(yǎng)化風險和碳固存，這在淡水濕地生態(tài)系統(tǒng)中的重要性越來越明顯。

致謝

中國國家自然科學基金（2016YFC0500 408）、國家自然科學基金（41271107,41471079）、中國農(nóng)業(yè)科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所（IGA-135-05）資助了該研究。