柏松, 孫喆華, 汪艷如

（西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院, 四川 成都 610041）

鐵鋁氧化物納米粒子對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用的影響

柏松, 孫喆華, 汪艷如

（西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院, 四川 成都 610041）

目的: 了解納米Fe2O3和納米Al2O3顆粒對(duì)土壤有機(jī)碳分解礦化作用的影響. 方法: 以若爾蓋高寒草甸土為研究對(duì)象, 采用室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)方法, 測(cè)定不同納米材料對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度的影響. 結(jié)果: 在一個(gè)培養(yǎng)試驗(yàn)周期內(nèi), 添加Al2O3納米顆粒后土壤呼吸作用增強(qiáng), 添加Fe2O3納米粒子的土壤呼吸作用變化不明顯; 隨納米材料加入量增加, 土壤呼吸強(qiáng)度的變化無(wú)顯著差異; 結(jié)論: Al2O3納米粒子能夠一定程度增強(qiáng)土壤有機(jī)碳分解礦化作用, Fe2O3納米粒子對(duì)土壤有機(jī)碳分解礦化作用的影響不大.

土壤有機(jī)碳; 土壤呼吸; 納米粒子

1 引言

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù), 其表層碳含量約為1500 PgC[1], 是大氣碳含量的2倍[2], 土壤碳儲(chǔ)量的微小變化對(duì)大氣中CO2濃度會(huì)產(chǎn)生巨大影響. 在全球氣候變暖壓力下, 如何進(jìn)一步增加土壤碳蓄積, 減少CO2排放, 緩解全球氣候變化已成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn). 土壤有機(jī)碳礦化是受溫度、土壤水分、有機(jī)碳含量以及土壤營(yíng)養(yǎng)狀況等諸多因子影響的生物化學(xué)過(guò)程[3]. 溫度升高會(huì)加快土壤有機(jī)碳的礦化作用, 釋放更多的CO2[4]. 土壤有機(jī)碳礦化所產(chǎn)生的CO2在很大程度上決定著陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯功能[5]. 因此, 深入了解土壤有機(jī)碳礦化與全球氣候變化之間的反饋?zhàn)饔? 研究土壤有機(jī)碳礦化的主要機(jī)制及其影響因素對(duì)于預(yù)測(cè)未來(lái)全球氣候變化具有重要意義.

目前, 大量研究報(bào)道了溫度、水分、有機(jī)碳含量以及土壤中營(yíng)養(yǎng)狀況等諸多因子對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用的影響[5-6], 但納米顆粒對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用的影響尚未報(bào)道. 納米材料的生產(chǎn)、使用和排放不可避免地增加了環(huán)境中納米顆粒的數(shù)量, 隨著納米材料的廣泛應(yīng)用, 其對(duì)環(huán)境的影響也越來(lái)越重要, 而納米材料在土壤環(huán)境中的分配、反應(yīng)、行為、歸趨及生態(tài)毒理等尚缺乏系統(tǒng)了解, 特別是納米顆粒進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)后可能對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用產(chǎn)生怎樣的影響, 目前還很不清楚.

納米Fe2O3和納米Al2O3是廣泛應(yīng)用的納米材料, 在醫(yī)藥、化工、材料、建筑、環(huán)境等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多[7-9]. 這些納米粒子進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng), 很有可能通過(guò)影響土壤微生物活性, 進(jìn)而影響微生物對(duì)土壤有機(jī)碳的分解礦化作用, 并最終對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)產(chǎn)生影響. 因此, 深入探討納米顆粒對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用的影響是十分必要的. 為此, 本項(xiàng)目將以若爾蓋高寒高山草甸土壤為研究對(duì)象, 通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn), 研究Fe2O和Al2O3兩種納米粒子對(duì)土壤有機(jī)碳礦化能力的影響, 為更好的了解土壤有機(jī)碳庫(kù)變化的機(jī)制提供科學(xué)依據(jù).

2 研究方法

2.1 供試材料與樣品采集

供試土壤為高山草甸土, 采至四川若爾蓋高原, 為1～30 cm表層土壤. 土壤樣品經(jīng)風(fēng)干研磨過(guò)2 mm篩用于土壤性質(zhì)和土壤呼吸強(qiáng)度的測(cè)定. 納米Fe2O3和納米Al2O3購(gòu)買(mǎi)于晶試劑有限公司. Fe2O3納米粒子為球形, 純度99.5%,平均粒徑20 nm; Al2O3納米粒子為球形, 純度99.9%, 平均粒徑50 nm; 上述納米粒子的SEM圖如圖2所示.

2.2 土壤指標(biāo)測(cè)定方法

土壤機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定; 土壤pH值按水土比為2.5: 1制成懸浮液, 玻璃電極測(cè)定; 土壤全N采用半微量開(kāi)氏法; 有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀-硫酸氧化外加熱法. 土壤全P采用酸溶-鉬銻抗比色法; 土壤呼吸采用室內(nèi)密閉培養(yǎng)法測(cè)定.

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取3份10 g風(fēng)干土樣于500 mL培養(yǎng)瓶中, 分別按0, 5, 10, 20, 30, 40 g·kg-1加入納米Fe2O3、Al2O3, 以及Fe2O3和Al2O3納米顆?；旌衔?質(zhì)量比為1: 1), 同時(shí)以未加納米顆粒的土樣為對(duì)照, 保持土壤水分為60%田間持水量,置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)一星期, 設(shè)置3個(gè)重復(fù), 于培養(yǎng)第7 d 測(cè)定土壤呼吸強(qiáng)度.

3 結(jié)果與討論

土壤基本性質(zhì)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1, 由表1可見(jiàn), 供試土樣的有機(jī)碳含量較高, 其值為7.27%. 另?yè)?jù)圖1土壤機(jī)械組成的分析結(jié)果, 供試土樣中粘粒、粉砂和沙粒含量分別為23%, 36%和46%, 表明土壤沙粒含量最高. 一般說(shuō)來(lái), 不同粒徑顆粒的土壤有機(jī)碳的礦化能力不同, 粘粒最大, 粉砂次之, 砂粒最小. 因此, 本研究供試土壤沙粒含量較高, 表明其有機(jī)碳礦化能力較弱.

表1 土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 physiochemical properties of soil tested

圖1 供試土壤機(jī)械組成圖Fig. 1 Mechanical composition of the soil tested

圖2 納米Fe2O3(a)和納米Al2O3(a)掃描電鏡圖Fig. 2 SEM image of nanoscale Fe

圖3 鐵鋁氧化物納米粒子對(duì)土壤呼吸的影響Fig. 3 Effect iron and aluminum oxide nanoparticles of on soil respiration“*”表示實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組存在顯著差異(p<0.05)

由圖3可見(jiàn), 在一個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)(7天), 不同納米顆粒對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度的影響不同. 經(jīng)Fe2O3納米顆粒處理后,土壤呼吸強(qiáng)度與對(duì)照組沒(méi)有顯著差異, 說(shuō)明Fe2O3納米顆粒對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用的影響不大; 但值得注意的是, 有研究表明在土壤中施加磁性改良劑后轉(zhuǎn)化酶活性提高了34.7%, 脲酶、過(guò)氧化物酶活性等均有不同程度的提高, 土壤的呼吸作用相應(yīng)增強(qiáng)了2.5 倍[10], 該研究表明具有磁性的納米粒子可能對(duì)土壤微生物活性有激活作用, 從而增強(qiáng)微生物對(duì)土壤有機(jī)碳的分解能力. 然而, 在本研究中具有磁性的Fe2O3納米顆粒對(duì)土壤呼吸作用的影響并不明顯, 這可能與Fe2O3納米粒子的磁性較弱有關(guān).

本研究還發(fā)現(xiàn), 經(jīng)Al2O3納米顆粒處理的土壤呼吸強(qiáng)度明顯增加, 表明Al2O3納米顆粒對(duì)土壤有機(jī)碳分解礦化作用有較大影響, 這一結(jié)果表明, 納米材料對(duì)土壤有機(jī)碳分解礦化能力的影響除了與其磁性有關(guān)外, 還受其他因素的影響. 另外, 由圖3還可以看出, 隨著Fe2O3和Al2O3納米粒子加入量的增加, 土壤呼吸強(qiáng)度變化亦不明顯(圖3), 說(shuō)明納米材料添加量不是影響土壤有機(jī)碳分解礦化的主要因素. 總之, 納米顆粒進(jìn)入土壤后將會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用產(chǎn)生一定影響, 但其主要的影響因素及其影響機(jī)制還有待進(jìn)一步深入研究.

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明, 在一個(gè)培養(yǎng)試驗(yàn)周期內(nèi)(7天), Al2O3納米顆粒能夠在一定程度上增強(qiáng)土壤呼吸作用, 而磁性Fe2O3納米粒子的影響則不大; 納米材料對(duì)土壤有機(jī)碳分解礦化能力的影響可能受多方面因素的控制, 其主要影響因素及其影響機(jī)制還有待進(jìn)一步深入研究.

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The effect of nanoscale Fe2O3and Al2O3on organic C mineralization in mineral soils

BAI Song, SUN Zhe-hua, WANG Ran-ru
(School of Chemistry and Environmental Protection Engineering, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, P.RC.)

Objective:The effects of nanoscale Fe2O3and nanoscale Al2O3on organic C mineralization in mineral soils were investigated.Methods:With incubation test, the soil was treated by different dosages of nanoscale Fe2O3and Al2O3, and then the soil respiration rate was analyzed.Results:The respiration rate in soil treated with the nanoscale Al2O3was significantly higher than that without treatment in a culture cycle, but respiration rate in soil treated with the nanoscale Al2O3did not change significantly.Conclusion:Nanoscale Al2O3could enhance organic C mineralization in mineral soils.

soil organic carbon; soil respiration; nanoparticle

X1

A

1003-4271(2014)04-0514-04

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.04.08

2014-03-28

柏松(1979-), 男, 貴州貴陽(yáng)人, 講師, 研究方向: 區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變, E-mail:songbai1240@126.com.

西南民族大學(xué)中央高校青年教師基金項(xiàng)目(11NZYQN20)資助.