铁改性的水泥水化作用在降雨径流过程中调控了土壤-混凝土系统中有机质（DOM）的转化及碳的稳定化过程

本研究通过铁添加调控植被混凝土的碱性条件，增强其力学性能，减少溶解有机碳（DOC）流失，促进有机碳稳定和植被恢复，揭示铁氧化物通过表面络合和π-电子作用固定芳香及含氧有机物分子。

　　

桥丽|王一鹏|杨九仙|吴文友|金继元|张新超|裴园园|顾琳

中国电力成都工程有限公司，中国成都，611130

摘要

工程边坡的降雨径流会 mobilize 大量的土壤来源的溶解有机物质（DOM），导致土壤碳损失和下游水污染。植被混凝土（VC）中的水泥水化会产生高碱性环境，这会显著影响土壤结构、DOM 的 mobilization 以及植被的建立。在水化过程中加入铁（Fe³⁺）可能调节这些耦合过程，但其背后的分子机制仍不清楚。本研究通过控制水化条件和模拟降雨实验，研究了 Fe 添加对 VC 系统的力学性能、碱性调节和 DOM 行为的影响。使用激发-发射矩阵光谱法（EEM–PARAFAC）和傅里叶变换离子回旋共振质谱法（FT-ICR-MS）检测了添加了 3 wt% Fe₂(SO₄)₃ 的植被混凝土在 28 天后的情况。结果表明，适量的 Fe 添加提高了抗压强度和抗剪强度，并降低了过高的碱性；模拟降雨实验显示，Fe 改性的 VC 中的溶解有机碳（DOC）释放量至少减少了 42%。光谱和分子分析表明，Fe 更倾向于将芳香族、类腐殖质的 DOM 保留在固体基质中，而不是直接改变 DOM 分馏物的性质。FT-ICR-MS 进一步证明，Fe 氧（氢）氧化物通过表面络合、配体交换以及涉及羧基和酚基的 π–d 电子相互作用，选择性地固定了芳香族和富氧有机分子，从而抑制了含氮和含硫物质的淋溶，并增强了土壤有机碳的稳定性。植被实验表明，在 Fe 改性的、中等碱性的条件下，植物生长得到了改善。总体而言，水泥水化过程中加入 Fe 可以协同优化植被混凝土的力学稳定性、碱性调节、土壤有机质保留和植被性能。

引言

山区陡坡由于强降雨、地表径流、渗水以及水分条件的季节性变化等因素，极易发生侵蚀和边坡失稳（Zheng 等，2024）。传统的土壤加固方法，如喷射灌浆、土混墙和基于水泥的土壤稳定技术，可以显著提高边坡的稳定性。然而，这些技术可能会破坏原有的土壤环境，并限制植被的恢复潜力（dos Santos Sousa 等，2025；J.-P. Wang 等，2024）。近年来，植被混凝土（VC）被认为是一种高效且环保的替代方案。VC 是一种含有土壤、有机物质和绿化添加剂的胶凝混合物（Liu 等，2025）。一方面，VC 对边坡土壤的机械加固提高了工程防护效果（Geng 等，2023）；另一方面，它为植被生长创造了适宜的环境（例如适当的 pH 值和多孔介质）。从这个意义上说，VC 成为工程防护和生态恢复的一种有前景的技术。

迄今为止，大量研究已经探讨了 VC 的力学性能、植被支撑能力和化学特性，证明了其在可持续边坡工程中的潜力（Chen 等，2021）。在植被混凝土系统中，使用无机添加剂如波特兰水泥（Festugato 等，2018）、石灰或石灰石粉（Bahar 等，2004）和石膏来稳定边坡土壤，以及聚合物粘合剂如聚乙烯醇（Rivera-Gómez 和 Galán-Marín，2017）、聚丙烯酰胺和其他可生物降解聚合物。与这些粘合剂相比，水泥因其优异的粘合性能和易获得性而被最广泛使用；然而，水泥水化过程中产生的碱性物质会使 pH 值升高到 12-13（Nguyen 等，2014）。这种极高的 pH 值可能导致土壤中有机物质的溶解，造成碳损失；此外，它还会抑制微生物活动，影响根系生长，并破坏土壤有机质（SOM）的稳定性（Yang 等，2019）。

SOM 是土壤的关键组成部分，由植物残余物、微生物生物量及其转化产物组成的异质混合物。它包含多种化合物，如腐殖酸（HAs）、富里酸（FAs）和生物分泌物（例如蛋白质类物质）（Gunina 和 Kuzyakov，2015；Moon 等，2016）。通过与矿物颗粒的相互作用，SOM 促进了土壤团聚体的形成和维持，增强了土壤的孔隙度和渗透性，从而有助于水分渗透，同时减少地表径流和侵蚀风险（X. Yang 等，2025）。然而，水泥水化不可避免地会提高土壤的碱性，这会显著改变土壤的化学环境，对植被的建立和生长产生不利影响。过高的碱性条件可能会改变养分的有效性并干扰微生物活动，从而限制根系发育和植物生长。高 pH 值（>12）最初通过增加有机化合物的溶解度并促进化学水解，加速 SOM 的分解，导致快速矿化和 CO₂ 的释放。然而，水泥水化过程中产生的碱性条件也可以提供丰富的钙离子（Ca²⁺），这些离子通过与腐殖物质中羧基和酚基的功能团的脱质子作用，部分地形成了带负电荷的 -COO^- 和 -O^- 基团，增强了有机-矿物相互作用（例如钙-腐殖酸），有助于有机碳的稳定（Gilbert 等，2007）。因此，在保持结构稳定性的同时调节土壤碱性，对于平衡工程加固与可持续植被生长和土壤碳保留至关重要。

除了钙之外，含铁矿物还可以进一步影响土壤有机质的行为。由于其表面性质的异质性和强烈的局部结合亲和力，Fe 氧（氢）氧化物可以诱导土壤中有机物质的重新分布，影响 SOM 的形态、空间分布和保留，从而影响其在土壤基质和径流渗滤液中的命运（Gaxiola 和 Armesto，2015）。然而，在与环境相关的 VC 改性条件下，Fe 对 SOM 释放和 mobilization 的影响仍不完全清楚。

因此，本研究旨在探讨水泥水化过程中加入 Fe 对改善边坡土壤稳定性和调节 VC 系统中 DOM 行为的作用。具体目标包括：（i）评估 Fe 添加对水泥稳定土壤的力学性能和碱性的影响；（ii）量化 Fe 改性对模拟径流过程中土壤侵蚀抵抗力和 DOC 释放的影响；（iii）阐明与 Fe–水泥相互作用相关的径流来源 DOM 的组成和分子级变化。为了实现这些目标，本研究结合了传统的力学测试、荧光激发-发射矩阵光谱法（EEM–PARAFAC 分析以及最先进的高分辨率 FT-ICR-MS，提供了关于径流扰动下碳保留和土壤功能的机制洞察。

材料与化学品

本研究中使用的土壤采集自中国西南部的双江口水电站边坡。该地区具有典型的西南山地地形，地质结构复杂，边坡工程广泛。采集的土壤经过风干、研磨后通过 2 mm 筛子筛选，以便后续使用。土壤的化学成分列在表 S1 中。使用的普通波特兰水泥等级为 P·O 42.5，由重庆生产

水泥和 Fe2(SO4)3 处理对稳定土壤物理性质的影响

通过监测未处理土壤（US）、5% 水泥稳定土壤（CS）以及添加了 1.5%、3% 和 4.5% Fe₂(SO₄)₃ 的水泥稳定土壤在 7 天、14 天和 28 天水化后的抗压强度、抗剪强度、孔隙度、碱性和 DOC，评估了 Fe₂(SO₄)₃ 添加量和水化时间对植被混凝土物理和力学性质的影响。如图 S2a 所示，未处理土壤的抗压强度始终较低，在 28 天时仅达到 0.121 ± 0.024 MPa

结论

本研究探讨了水泥水化过程中添加 Fe 对 VC 系统中土壤来源的 DOM 行为和稳定性的影响。添加 3 wt% Fe₂(SO₄)₃ 促进了水化产物的形成，包括赤铁矿、含硫酸盐的 AFm 相和 C–S–H 凝胶，从而提高了结构的紧密度并降低了孔隙度。与 CS 相比，Fe 的添加使 28 天无侧限抗压强度提高了约 27%，并结合孔隙度的减少，有助于降低

CRediT 作者贡献声明

裴园园：可视化、监督、方法论。顾琳：写作 – 审稿与编辑、资源管理、方法论、概念化。桥丽：写作 – 初稿撰写、数据分析、概念化。王一鹏：资源管理、调查、概念化。杨九仙：监督、资源管理、资金获取、数据管理。吴文友：可视化、方法论、概念化。金继元：方法论、资金获取、数据分析。张新超：写作 –

未引用参考文献

Gilbert 等，2007a；Gilbert 等，2007b；Wang 等，2024；Yang 等，2025。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。