亚热带森林土壤中潜在的磷释放过程，由易分解的碳与铁循环相互作用引发

《Environmental Research》：Potential phosphorous mobilization in subtropical forest soils triggered by labile carbon coupled to iron cycling

亚热带森林土壤中Fe3?还原与有机碳输入对磷释放的影响研究。通过添加易分解有机碳化合物，发现两种土壤类型（Oxisol和Ultisol）的Fe3?还原速率及磷释放量存在显著差异。Oxisol因其更高的有机碳（21.11 g/kg）和铁含量（25.17 g/kg）导致氧化还原电位（Eh）下降更快，促进Fe-P矿物解体释放可溶性磷，且甲烷排放量（42.02 mg/kg）显著高于Ultisol（21.13 mg/kg）。研究证实Fe-P是主要生物有效性磷来源，且易分解有机碳通过调控土壤Eh和pH动态，显著增强磷的生物有效性，这一过程在富铁高碳的Oxisol中尤为突出。

　　

长江中游可持续作物生产MARА重点实验室（部省共建），湖北水利水电学院农业学院湿地淹涝灾害与农业利用重点实验室，中国荆州434025

摘要

磷（P）对铁（Fe）氧化物具有很强的亲和力，这限制了其在土壤中的生物可利用性。铁离子（Fe³⁺）的还原性溶解可以将被包裹和吸附的磷释放到土壤基质中。然而，Fe³⁺还原如何影响磷的迁移机制仍不甚明了，尤其是在氧化还原电位（Eh）波动且碳（C）供应不稳定的高度风化的亚热带土壤中。本研究探讨了易分解的碳源（甲酸盐、乙酸盐、丙酸盐和草酸盐）对两种不同森林土壤（红壤和淋溶土）中Fe还原、磷释放以及温室气体排放（二氧化碳CO₂和甲烷CH₄）的影响。结果表明，这些碳源的添加降低了土壤的Eh值，加速了Fe³⁺的还原，并促进了磷的释放。此外，亚铁离子（Fe²⁺浓度和溶解有机碳（DOC）含量的峰值与磷的释放同时发生。这些结果表明，在这些森林土壤中，Fe-P是生物可利用磷的主要来源。然而，红壤中的磷迁移速度比淋溶土更快，这可能是由于其较高的有机碳（SOC）含量（21.11 g C kg^-1 vs 11.41 g C kg^-1）和铁含量（25.17 g kg^-1）导致Eh值下降更快，从而加速了Fe³⁺向Fe²⁺的还原。红壤中的这种增强效应还得到了实验数据的支持，即添加易分解碳后，磷的迁移和甲烷排放量都高于淋溶土（平均值：42.02 mg C kg^-1 vs 21.13 mg C kg^-1）。总之，本研究表明，与Fe还原相关的磷释放为亚热带森林土壤提供了暂时的磷供应，这一过程因易分解碳的矿化作用而加剧，同时伴随着Eh值的降低。

引言

亚热带土壤中氧化还原（Eh）的动态变化主要由还原剂的丰富性、高水分含量、温暖的温度、强烈的生物活动以及微生物的氧气消耗所驱动（Silver等人，1999年；Bhattacharyya等人，2018年）。土壤Eh和酸度的变化对磷养分的化学形态、环境风险、生物可利用性和溶解特性起着关键作用（Mansfeldt，2004年；Grybos等人，2009年；K?gel-Knabner等人，2010年）。例如，亚热带土壤特别容易受到Eh和pH值变化的影响，导致铁结合磷（Fe-P）矿物的转化（Hall和Silver，2015年；Maranguit等人，2017a年；Lin等人，2018年）。正如Lin等人（2018年）所证明的，土壤中磷的固定受Eh变化的影响，主要影响磷结合化合物的形态。尽管土壤中的总磷含量很高，但只有不到0.1%的磷以植物可利用的形式存在（Garland等人，2018年）。这种低生物可利用性是由于磷被固定在了稳定的有机和无机组分中。共沉淀、包裹作用以及与铁氧化物、氢氧化物和氧氢氧化物的相互作用等机制使得磷更难被微生物和植物根系吸收（Frossard等人，2000年；Bünemann，2015年）。特别是铁氧化物为磷离子提供了吸附位点，形成了各种矿物复合物（Rakotoson等人，2014年）。因此，研究铁和磷之间的相互作用对于揭示土壤养分循环的规律以及进一步深入探索其机制和应用潜力至关重要。

在亚热带土壤中，短程有序铁（Fe³⁺矿物经常在厌氧环境中通过微生物活动被还原（Ginn等人，2017年；Barcellos等人，2018年）。Fe³⁺的反复还原增强了这些SRO Fe相的丰度和反应性（Thompson等人，2011年）。这些反应性矿物倾向于通过阳离子交换、共沉淀和表面吸附等过程吸附有机配体（Higashi，1983年）。厌氧微生物根据能量状态和可用性依次还原终端电子受体（TEAs），如硝酸盐（NO₃^-）、铁离子（Fe³⁺）和硫酸根离子（SO₄^2-）（Unger等人，2009年）。在这些过程中，微生物介导的Fe³⁺还原在高度风化的酸性土壤中尤为重要，因为它通过溶解Fe-P复合物释放了大量的磷（Chacon等人，2006年；Amarawansha等人，2015年；Maranguit等人，2017a年）。这一过程增加了土壤溶液中的可溶性磷和铁离子（Fe²⁺浓度（Quintero等人，2007年），主要是通过Fe³⁺氧化物的还原性溶解。因此，在这些条件下，Fe-P的解吸、溶解和水解进一步增强了磷的可用性。然而，还原性转化可以通过促进矿物表面羟基功能的去质子化来改善磷的可用性（Barrow，1984年）。相比之下，在还原条件下形成的富含铁离子（Fe²⁺）的沉淀物具有较大的表面积和丰富的吸附位点，有效地促进了磷离子的固定，可能会降低磷的可用性。然而，这些竞争机制存在时间上的变化（Karathanasis和Shumaker，2009年），它们对土壤磷可用性的净效应取决于具体情境（Lin等人，2018年）。

此外，通过铁-有机碳关联稳定的土壤有机碳（SOC）对Eh的变化非常敏感，因为铁矿物的溶解、再沉淀和结晶是动态的（Thompson等人，2006年；Dong等人，2023年；Xiong等人，2024年）。特别是，易分解的碳输入可以为土壤微生物提供能量并作为电子供体，从而加速Fe³⁺的还原速率（Esberg等人，2010年；Rakotoson等人，2014年；Maranguit等人，2017a年；Sun等人，2025年）。这些输入还参与土壤养分循环和SOC的周转（Mwafulirwa等人，2016年；Li等人，2022年），可能通过促进土壤中磷的周转来增加植物的磷可用性（Zhao等人，2024年；Jiang等人，2025年）。此外，易分解的碳输入还可以刺激微生物活动，促进SOC的分解和养分矿化以及碳的排放，从而提高磷等必需元素的生物可利用性（Liang等人，2020年）。这一过程在土壤肥力和养分循环与SOC动态紧密耦合的生态系统中尤为重要。然而，当前的研究忽视了易分解碳输入对磷循环动态的显著影响，它们通常是维持土壤生产力和生态系统功能的关键因素（Haddix等人，2018年）。因此，了解易分解碳沉积增加如何影响伴随C动态变化的土壤磷可用性至关重要，尤其是在磷可用性更依赖于易分解碳输入的高度风化亚热带土壤中（Oberson等人，2001年；Xu等人，2024年）。

因此，本研究的目的是探讨在易分解碳矿化过程中氧化还原条件的变化对两种亚热带森林土壤（红壤和淋溶土）中Fe³⁺还原速率的影响。这两种土壤类型由于高水分含量、温暖的温度和强烈的微生物活动，通常会经历氧化还原条件的波动。具体来说，本研究考察了这些动态的氧化还原波动如何影响从被包裹和吸附形式中释放磷，从而提高其生物可利用性。同时，还评估了土壤pH值和可用碳的动态变化如何影响Fe³⁺的还原和磷的释放。因此，假设在红壤中，由于其较高的铁含量和更高的SOC浓度，Fe³⁺的还原及其相关的磷迁移会更快发生。此外，预计由于TEAs的还原，两种土壤类型的Fe-P浓度都会下降，同时土壤pH值降低和DOC含量增加会促进磷的迁移。

土壤采样和特性

土壤样本系统地从中国湖北省咸宁市（30°01′16″ N, 114°21′52″ E）和潜江市（30°22′23″ N, 112°41′30″ E）的两个代表性森林地点采集，深度为0-20厘米。这两个森林地点属于常绿阔叶林区域，在采样期间生长着冷杉树。这些复合土壤样本用装有冰袋的泡沫箱运输到实验室。到达实验室后，土壤经过了严格的处理：初步均质化

土壤pH值和Eh值的动态变化

在培养开始时，添加各种有机碳化合物导致两种土壤（红壤和淋溶土）的pH值立即下降（图1）。pH值下降的程度因处理方式而异，其中草酸盐引起的下降最大，其次是乙酸盐、丙酸盐和甲酸盐在红壤中的效果。相比之下，在淋溶土中，虽然添加易分解碳化合物后pH值有所上升，但在整个培养期间仍低于对照值，效果顺序为

易分解碳输入对几个关键土壤变量动态的影响

在本研究中，添加易分解的有机碳对土壤pH值的动态变化产生了显著影响。最初观察到土壤pH值明显下降，这一现象先前归因于分解的易分解有机化合物中的羧基释放质子（Rukshana等人，2012年）。这种初始酸化进一步被几个同时发生的过程加剧：添加的易分解有机碳本身较低的pH值、微生物刺激导致的pH值升高

结论

本研究探讨了不同易分解碳化合物在亚热带森林土壤中对铁还原和磷迁移的作用，这些土壤具有不同的铁和有机碳（OC）含量。我们的结果表明，来自Fe-P释放和Fe³⁺还原过程的可用磷和铁离子（Fe²⁺的同步增加受到森林生态系统中易分解碳化合物矿化和天然SOC分解的调节。当前研究表明，在TEAs还原过程中，土壤pH值和Eh的变化可以

CRediT作者贡献声明

张永勇：写作 – 审稿与编辑，可视化。朱波：写作 – 审稿与编辑。金涛：写作 – 审稿与编辑，验证。姜梦迪：写作 – 审稿与编辑，软件操作。徐鹏：写作 – 初稿撰写，实验研究。胡荣贵：概念构思。伊姆兰·汗：写作 – 审稿与编辑，实验研究，数据管理

未引用的参考文献

Cleveland等人，2011年；Jones和Edwards，1998年；Schwertmann，1991年。

利益冲突声明

作者声明他们在这项工作中没有利益冲突。

利益冲突声明

作者声明在题为“由易分解碳与铁循环耦合引发的亚热带森林土壤中潜在的磷迁移”的论文中没有利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金的支持[资助编号 42407040]。