光照与水稻土中铁氧化物还原的相互作用机制研究

针对我国稻田甲烷等温室气体产生的面源污染问题及水稻土中广泛存在铁的微生物还原过程，结合国际上土壤生物化学过程的研究热点及相关学科问题，研究光合细菌在水稻土铁微生物氧化还原过程中的重要作用，研究光照对不同土壤中氧化铁还原过程的影响程度，研究光照条件下土壤体系条件、铁氧化物形态物化性质对水稻土铁还原的影响机制。进一步揭示光照条件下水稻土中铁氧化物的还原过程与水稻土成土过程的关系，探讨光照条件下铁还原过程促进水稻土发育的机理。研究培养体系中光合微生物种类及其对水稻土铁氧化物还原过程的作用机制。以期明确不同水稻土中潜在的微生物铁循环转化方式，为利用土壤铁的氧化还原作用净化环境提供必要的理论依据，对于进一步阐明土壤氧化铁的环境意义具有重要的理论价值。

水稻土具有较高的铁氧化还原容量且是CO2、CH4等温室气体排放的源，研究光照与水稻土中普遍存在的铁氧化物的氧化还原过程的作用机制对于控制温室气体排放具有重要意义。项目系统研究了光照对水稻土铁氧化还原过程的影响；光照条件下土壤pH、矿物组成等体系条件和水分含量、外源有机碳等环境条件与铁氧化还原过程的关系，水稻土中铁氧化还原过程与碳素转化、含碳温室气体排放的关系。结果表明：光照可抑制水稻土中铁还原过程，促进已还原亚铁的再氧化。光照条件下亚铁的再氧化量与水稻土无定形铁氧化物的含量显著正相关，亚铁氧化速率常数与风化淋溶系数和Ca含量显著负相关。pH可调控土壤铁氧化物厌氧生物氧化还原过程，pH介于4-9之间均可发生铁的还原反应仅pH 6-8时可发生亚铁的再氧化，控制初始pH为7时可使石灰性水稻土亚铁再氧化量增加77.13%。水分亦可调控土壤铁氧化还原过程及其耦合的碳转化过程。含水量小于50%时增加含水量可促进亚铁再氧化，大于50%时则抑制亚铁再氧化。光照可显著降低体系水溶性无机碳，降低幅度随含水量增加而增大。在含水量25%~200%范围内，光照可使CO2和CH4排放量降低95.80%和96.08%。外加低浓度（低于30 mM葡萄糖或者50 mM丙酮酸）有机碳可促进亚铁氧化。高浓度有机碳不仅可抑制亚铁再氧化，亦可促进水稻土温室气体排放。10 mM NO3-可增加亚铁再氧化量，50和100 mM时铁还原和亚铁再氧化均受到抑制。硫酸盐可增加避光时铁氧化物最大还原量和光照时亚铁再氧化量。60 mmol L-1硫酸盐可使其氧化潜势增加34.5%，其氧化速率常数则以外加10 mmol L-1硫酸盐时最大。低浓度（0.1 mmol L-1）电子穿梭物质可使亚铁氧化潜势增加29%，浓度大于0.1 mmol L-1时显著降低其氧化速率常数。Fe(II)含量与水溶性无机碳、CH4、CO2排放量显著正相关。竞争电子受体NO3-和SO42-可延迟CH4和CO2的排放，有别于光照对CH4和CO2排放的抑制作用。光照对CH4和CO2产生的抑制作用与光照强度正相关。初步鉴定结果显示参与亚铁再氧化的光合细菌主要有念珠蓝细菌（Nostoc），鱼腥蓝细菌（Anabaena）颤蓝细菌(Oscillatoria)等。综上，可利用调控铁氧化还原过程降低湿地含碳温室气体排放。项目组已在土壤学报发表论文5篇，获专利1项。