盐度控制着孟加拉国沿海农业土壤中铁的溶解度

《Applied Geochemistry》：Salinity controls iron solubility in coastal agricultural soils of Bangladesh

铁的活性与溶解度受沿海土壤盐度影响显著，低盐条件下更易释放可溶性Fe2+，而高盐条件下形成沉淀并抑制其溶解，影响植物吸收。

　　

Rashedul Islam|Tauhidul Islam Tushar|Mahmodul Hasan|Mahmudul Hasan|Mahbub Kabir|Md Abdus Sabur

孟加拉国贾索尔科学与技术大学化学系，贾索尔-7408

摘要

铁是一种关键的微量营养素，它调节自然环境中养分的可用性。在本研究中，我们通过控制培养实验和现场数据分析相结合的方法，研究了铁在沿海农业土壤中的反应性和溶解度。土壤样本采集自孟加拉国沿海地区萨特基拉（Satkhira）的一个农田。将土壤样本置于两种不同盐度的溶液中进行培养：10%和100%的人工海水（ASW），并在无氧条件下进行实验。在无氧阶段，10% ASW溶液中培养的土壤样本释放到水相中的Fe²⁺量是100% ASW溶液中的数倍。这一结果表明，高盐度可能限制了铁的还原性溶解，或者促进了还原性释放的Fe²⁺与ASW成分形成不溶性沉淀物。随后有氧阶段的充氧作用导致Fe²⁺在土壤悬浮液中发生氧化（共）沉淀。通过使用稀HCl和缓冲的抗坏血酸-柠檬酸溶液进行化学提取，评估了实验后土壤中铁的反应性。结果显示，在较高盐度下形成的沉淀物对酸促溶解和还原性溶解都更具有反应性。此外，从土壤资源开发研究所（SRDI）获得的萨特基拉地区的现场土壤化学数据表明，DTPA可提取铁与Mg:Ca比值之间存在线性正相关关系，这是沿海土壤化学的一个特征指标。我们的发现表明，虽然高土壤盐度增强了铁矿物的反应性，但同时可能降低了其溶解度，从而限制了植物在沿海土壤中吸收铁的能力。

引言

土壤盐度指的是土壤基质中易溶性盐的存在（Corwin和Yemoto，2020；Rhoades，1996），通常以总溶解盐（TDS）或电导率（EC）来量化。盐渍土壤中的主要阳离子包括钠（Na⁺）、钾（K⁺）、钙（Ca²⁺）和镁（Mg²⁺），而主要阴离子包括氯离子（Cl^-）、硫酸根（SO₄^2-）和碳酸氢根（HCO₃^-）。受盐影响的土壤分布在100多个国家，目前有0.9到16亿公顷的土地面临不同程度的土壤盐度问题（Ivushkin等人，2019；Shahid等人，2018）。 土壤中盐分的积累（土壤盐渍化）可能是自然形成的，也可能是人为活动的结果，盐渍土壤中的主要盐分组成取决于主要的盐渍化驱动因素（Kaushal等人，2023）。例如，海水侵入地下水或沿海地区的土壤通常会导致钠（Na⁺和氯离子（Cl^-）浓度升高。当这些离子的浓度超过植物的耐受阈值时，会对植物产生毒性。吸附在土壤颗粒上的水合Na⁺会相互排斥，导致土壤结构退化、水分渗透减少，并促进积水。相反，二价阳离子（Ca²⁺和Mg²⁺则通过稳定土壤结构产生相反的效果（Hopmans等人，2021）。此外，土壤孔隙水中高盐含量会负面影响植物吸收水分的能力（Rengasamy，2006），同时影响土壤-水界面的化学平衡（Herbert等人，2015；Rengasamy，2006）。因此，水分和土壤盐度常被视为农业生产的主要非生物胁迫因素。 除了渗透压胁迫和盐（如Na⁺和Cl^-）对植物的毒性外，过高的土壤盐度还会影响植物必需营养素的生物可用性，并可能影响土壤肥力。在植物营养素中，铁是一种对植物生理过程（如叶绿素合成和光合作用中的电子传递）至关重要的微量营养素（Kendall等人，2012）。植物缺铁会导致黄化现象，即由于叶绿素生成不足而使叶子变黄。 铁对氧化还原反应敏感，在自然环境中容易发生氧化和还原。这些氧化还原反应调节了铁和其他营养物质（如磷酸盐）在土壤-水界面的溶解度（Cornell和Schwertmann，2003）。在土壤中，铁主要以两种氧化态存在：三价铁（Fe³⁺）和二价铁（Fe²⁺）。在根区积水等厌氧条件下，三价铁会发生还原性溶解，释放出更易被植物吸收的二价铁（Patrick Jr和Khalid，1974；Ponnamperuma，1972）。相比之下，好氧表土中以Fe³⁺的（共）沉淀物为主，通常以固体氧化物和氢氧化物形式存在（Schwertmann和Taylor，1989），这些形式对植物来说几乎不可利用。然而，植物可以通过释放根分泌物（如有机酸）来增加Fe³⁺的溶解度。 固体三价铁（共）沉淀物的反应性及其对还原和溶解的敏感性取决于环境因素，如pH值、氧化还原电位、微生物活动以及土壤-水界面的化学组成和沉淀物形成的条件（Chatellier等人，2004；Langley等人，2009；Sabur，2019）。在沿海地区常见的石灰质土壤中，还原性释放的Fe²⁺可以与碳酸根沉淀形成菱铁矿（Alhendawi等人，1997；Bloom和Inskeep，1986），或者在硫化条件下形成硫化铁矿物（Rickard和Luther，2007），从而限制其被植物吸收的溶解度。尽管沿海土壤通常富含各种阳离子和阴离子，但它们在调节三价铁沉淀和矿物反应性方面的具体作用仍不甚清楚。 在这里，我们评估了盐度对盐渍农业土壤中铁反应性的影响。我们假设增加土壤盐度会改变铁的形态，通过促进沉淀和改变土壤-水界面的氧化还原动态来降低其生物可用性。为了验证这一假设，我们从孟加拉国的沿海农业用地采集土壤样本，并在无氧和有氧条件下将其置于两种不同的盐度处理中，以了解土壤-水界面上的铁循环。实验结果与SRDI年度报告中的萨特基拉地区的现场数据进行了比较。通过将实验室实验与现场观察结果进行对比，本研究探讨了盐度是否影响铁的循环，并预测了盐渍土壤中铁的迁移性。

土壤样品采集

土壤样本（深度0–10厘米）采集自孟加拉国萨特基拉地区的农田（图S1）。该地区位于该国南部，距离孟加拉湾海岸线约20公里，地表水、地下水和土壤的盐度较高。从土壤样本中去除了不需要的物质（包括植物根系和叶子），并将样本储存在4°C下。土壤样本经过均质处理，未干燥的样本用于后续实验。

无氧条件下的土壤培养

在无氧阶段，10% ASW溶液中培养的土壤释放到水相中的铁量始终高于100% ASW溶液中培养的土壤（图2）。例如，在无氧阶段，10% ASW处理中释放到水相中的总Fe²⁺量为51 μmol（干土重4 μmol/g），而100% ASW处理中仅为9.6 μmol（干土重0.8 μmol/g）。实验结束时，10% ASW系统中的总溶解铁量为70 μmol，这表明至少在无氧条件下...

讨论

二价铁（Fe²⁺矿物的氧化和三价铁沉淀物的反应性主要受系统化学成分和微生物组成的控制（Chatellier等人，2004；Kinsela等人，2016；Sabur，2019）。在我们的研究中，ASW溶液含有天然存在的阳离子（如Na⁺、K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺）和阴离子（Cl^-、HCO₃^-、SO₄^2-和硅酸盐）。无氧培养实验表明，10% ASW溶液中培养的土壤释放了更多的Fe²⁺

结论

本研究表明，盐度对沿海农业土壤中的铁循环具有复杂的影响。尽管高盐度（100% ASW）在无氧条件下降低了水相中Fe²⁺的浓度，但化学提取和动力学分析（HCl单点法和BAC时间分辨法）表明微生物对铁的还原作用并未受到抑制。相反，还原后的Fe²⁺可能通过再吸附、（共）沉淀或快速再氧化而被固定 CRediT作者贡献声明 Mahbub Kabir：撰写 – 审稿与编辑，资源获取。 Mahmudul Hasan：撰写 – 初稿撰写，正式分析。 Mahmodul Hasan：撰写 – 初稿撰写，正式分析，数据管理。 Tauhidul Islam Tushar：撰写 – 初稿撰写，正式分析，数据管理。 Rashedul Islam：撰写 – 初稿撰写，可视化处理，正式分析，数据管理。 Md Abdus Sabur：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，概念构思。 Patrick Jr和Khalid，1974。 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。 本文中的数据集可应要求从相应作者处获取。 作者衷心感谢孟加拉国科学技术部提供的财政支持，以及孟加拉国土壤资源研究所（SRDI）提供的土壤性质数据。