文献学习：Catena｜富钙、镁和黄铁矿的母质技术土形成早期阶段中土壤有机质的稳定化过程

文章摘要

本研究探讨了从富含钙、镁和黄铁矿的母质材料发展而来的人工构建土壤(Technosols)在早期发育阶段有机质的稳定化机制。通过对一个20年时间序列的三个Technosols样品(分别种植了3年和7年的甘蔗,以及约20年的牧草)进行有机质的物理分级和湿化学提取分析,发现以下关键发现:

1. 母质岩石(如页岩、粉砂岩)的风化过程为土壤提供了大量的2:1型粘土矿物(如蒙脱石),为有机质与矿物质的结合提供了基础；

2. 黄铁矿的氧化形成了大量活性的次生铁氧化物,而白云石的溶解增加了Ca2+和Mg2+浓度,维持了近中性的pH,有利于阳离子桥的形成,这些过程共同促进了矿物结合有机质(MAOM)的积累；

3. 随着时间的推移,不同形态铁(有机-矿物复合体、低结晶度和高结晶度铁氧化物)的含量与MAOM呈强相关,表明铁在有机质积累中的重要作用；

4. 此外,颗粒有机质(POM)的含量也显著增加,达到22.2 g SOC kg-1,这与土壤团聚体的形成和稳定性的提高有关；

综上所述,这些过程共同促进了这些人工构建土壤在早期发育阶段有机质的保护和积累,表明其具有较高的碳吸存潜力。

论文概述

观察到宏观和微形态特征的显著短期变化，例如快速的颜色发展和聚集，以及导致形成反应性 2:1 层状硅酸盐的强烈矿物转变（例如，云母风化为蒙脱石），且这些变化伴随着大量的 SOC 累积。

论文结果

1. Soc及其组分、MOAM中阳离子浓度均随时间序列（种植年限）增加而显著增加；

2.  顺序提取结果显示，P20中Fecit的浓度几乎是其他Technosols（SC3和SC7）的5倍，比两种自然土壤（NSC和NP）高约3倍；所有土壤中Feasc的浓度均高于Fecit，其中P20的浓度最高；Fecbd组分在所有土壤中都是主要的铁组分，且其浓度在Technosol年代序列中逐渐增加，但在自然土壤中该组分远高于Technosols；

3. XRD结果显示：Technosol富含2:1型矿物，如伊利石和蒙脱石。与SC3和SC7相比，P20技术土中的蒙脱石含量显著增加。相比之下，自然土壤主要以高岭石为主要粘土矿物，含有少量的蒙脱石和伊利石；

讨论

MAOM与CaNa-Py和MgNa-Py之间的正相关反映了这些阳离子在促进Technosols中SOM稳定化方面的作用，尽管Na-py能够提取与SOM相关的Al和Fe，但本研究中这些阳离子的低提取量表明，它们的影响与Ca和Mg相比微乎其微。

考虑到Technosols中普遍存在的物理化学条件（中性且发育有2:1型黏土矿物），而中性pH值下大多数有机官能团带负电荷，以及由于2:1型黏土矿物学导致的带负电荷的矿物表面丰富，很可能Ca和Mg主要通过阳离子桥接与SOM发生关联。这种相互作用涉及通过二价或三价阳离子将SOM的负电荷官能团与带负电荷的矿物表面结合，既可能形成内圈络合物，也可能形成外圈络合物，注：在这里。作者对对Na-Py和NaCl提取物做出了一些假设，作者假设Na-Py提取物针对的是：(i) 不完全与有机质结合的可交换阳离子，(ii) 参与阳离子桥接的阳离子（包括内层和外层复合物），以及 (iii) 在有机质-有机质沉淀物中形成的阳离子复合物，而另一方面，NaCl可能提取了未与有机质关联且与外层复合物桥接的可交换阳离子。

Fecit与MAOM之间的线性回归（R2 = 0.81；p < 0.001）（图7a）表明形成了Fe-SOM沉淀物。柠檬酸根离子主要提取存在于有机矿物复合体中的铁，即参与三元复合体（SOM-Fe-clay）的可溶性FeII或FeIII，或是有机沉淀物中的FeIII，考虑到接近中性的pH值和良好的通气条件，铁主要以FeIII形式存在。因此，用柠檬酸提取的铁可能代表无序度较高的FeIII有机共沉淀物。这些相态已知会产生较高的摩尔C:Fe比（> 6），高于通过铁氧化物吸附SOM获得的比值（≤ 1），并且可能在SOM稳定化中发挥重要作用。

Feasc，代表非晶态铁氧化物（如水铁矿、赤铁矿）中的Fe，也显示出与MAOM有正向且强烈的相关性（R² = 0.72；p < 0.001；图7b）。非晶态铁还可以形成铁-有机质共沉淀，产生比吸附到结晶氧化物上的有机质更高的C:Fe比值。这种共沉淀的形成在成土作用早期尤为重要，此时铁从含铁原生矿物的风化中释放出来，通常会导致非晶态铁相的形成。

Fecbd（代表结晶铁氧化物，如赤铁矿、针铁矿）与MAOM之间也存在显著的正相关关系（R2 = 0.47；p = 0.007；图7c）。然而，这一线性回归的斜率较小（a = 0.05），与Fecit和Feasc观察到的斜率（a = 0.45和0.15）相比，表明结晶铁氧化物对MAOM积累的相对贡献可能不如Fecit和Feasc重要。但由于Fecbd在Technosols中显示出最高的浓度，并且随着土壤发育时间序列的逐渐增加（图4c），结晶铁氧化物对有机质保护的作用可能会随着土壤形成过程的推进而变得更加重要。

黄铁矿的风化释放出Fe，这些Fe以无定形Fe相的形式沉淀，并可通过不同机制（如共沉淀、配体交换和阳离子桥）与土壤有机质反应。接近中性的pH值和高浓度的二价阳离子（即Ca2+和Mg2+）阻止了Fe聚合为更结晶的相。

从白云石风化中释放的Ca2+和Mg2+与来自废石的2:1型粘土矿物（如蒙脱石）以及新形成的Fe相形成阳离子桥。且随着团聚体的发展，POM被包裹在团聚体内，这一机制也导致了随着技术土年龄的增长，SOC的强烈累积。

总结

本研究揭示了技术土形成的早期阶段及其机理，即矿物-有机质复合体如何建立。这些发现不仅适用于Technosols，还可能适用于从石灰岩母质发育而来的其他新生自然土壤。

解读：徐智鑫 中国科学院生态环境研究中心

指导：伍松林 中国科学院生态环境研究中心

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S034181622300526X