海南典型水稻土厭氧鐵還原特征對DOM分子特性的響應(yīng)

黃成，吳月穎，吉恒寬，陳麗銘，李倍瑩，符傳良，李建宏，吳蔚東，吳治澎*

1.海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院，海南 ?？?570228；2.海南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，海南 ?？?570228；3.海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與土壤研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部海南耕地保育科學(xué)觀測實驗站/海南省耕地保育重點實驗室，海南 ?？?571100；4.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，廣東 佛山 528011

水稻土作為我國主要的耕作土壤，其特殊的厭氧條件使水稻土的有機碳濃度和通量顯著高于其他土地利用類型（Wu，2011），固碳潛力高于旱地土壤，是重要的有機碳庫，農(nóng)田中有機碳的固定和累積大部分都來自于水稻土，因此水稻土在全球碳變化中起著重要作用（孫正，2019；劉沛等，2018；Huang et al.，2006），并且水稻土所存在的干濕交替的水文變化條件對研究土壤物理化學(xué)變化特征有著重要作用，是研究陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)過程的理想模型（王季斐，2020；K?gel-Knabner et al.，2010）。水稻土淹水后，氧氣的消耗使得土壤存在氧化還原條件，有些微生物可通過有機質(zhì)作為電子供體，以 NO3?、SO42?、Fe(Ⅲ)作為電子受體進行還原反應(yīng)，此還原反應(yīng)對抑制產(chǎn)甲烷過程發(fā)揮著重要作用（李紅巖等，2011；吳金水等，2015），其中Fe(Ⅲ)氧化物表面與有機物的結(jié)合，可能對有機碳的分解起到很重要的影響（Grybos et al.，2009），因此在水稻土淹水條件下，F(xiàn)e(Ⅲ)的還原對土壤碳的地球生物化學(xué)循環(huán)有著重要作用（Johnston et al.，2014）。因此研究有機質(zhì)對土壤Fe(Ⅲ)還原的影響對農(nóng)業(yè)土壤與環(huán)境保護有著重要意義。

土壤溶解性有機質(zhì)（DOM）作為土壤中最活躍的有機碳庫，對土壤碳的固定有重要作用，可以與土壤礦物通過絡(luò)合等方式結(jié)合而免于分解（周江敏等，2011），國內(nèi)外現(xiàn)有的 DOM 研究中，已出現(xiàn)多種方法如紅外（FTIR）、紫外（UV-Vis）、三維熒光（3D-EEM）等光譜技術(shù)、核磁共振波譜儀（NMR）、質(zhì)譜儀等可對DOM結(jié)構(gòu)和組成進行表征（吳月穎等，2020；何偉等，2016）。土壤溶解性有機質(zhì)（DOM）是指能夠通過0.45 μm濾膜的一類具有豐富官能團和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的溶解性有機混合物如胡敏酸、富里酸等，兩者是有機質(zhì)的主要組分（何偉等，2016），DOM的分子量包括從簡單的小分子碳水化合物到具有高度復(fù)雜的大分子腐殖質(zhì)（Li et al.，2018），其來源主要是植物根系的分泌物、動植物殘體以及微生物分泌物等（許金鑫等，2020）。土壤DOM 是連接陸地、水兩大生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要紐帶（Rasilo et al.，2015），對陸地和水的生物地球化學(xué)循環(huán)都有著重大的影響，是目前土壤、生態(tài)、環(huán)境等領(lǐng)域研究的重點和熱點（馬琦琦等，2020；李睿等，2004）。鐵的還原過程即 Fe(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)，該還原過程可對有機物的礦化產(chǎn)生重大影響（孫正，2019），與此同時土壤有機質(zhì)又可以影響水稻土Fe(Ⅲ)的還原能力（曲植等，2018），厭氧條件下，在某些厭氧微生物的作用下，土壤DOM其中具有電活性的部分可作為電子供體（Sahrawat，2003；Bi et al.，2013），與電子受體如Fe(Ⅲ)相結(jié)合并把自身攜帶的電子傳遞給 Fe(Ⅲ)，從而將Fe(Ⅲ)還原為 Fe(Ⅱ)，導(dǎo)致土壤有機碳的厭氧呼吸增強，并且DOM中的類腐殖酸、富里酸，腐殖酸上的醌基在微生物與鐵氧化物間的微生物異化鐵過程中，其作為電子穿梭體發(fā)揮著主要作用（Burgos et al.，2003）。另外，對于不同分子量的 DOM，其含量、組成亦存在差異，決定著DOM在土壤與水環(huán)境中經(jīng)歷著不同的生物地球化學(xué)過程（阮夢豫，2019）。例如在水體DOM中，類腐殖質(zhì)熒光物質(zhì)主要存在于相對分子質(zhì)量<100×103的有機膠體中（劉娜娜等，2014），而且不同分子量的DOM其芳香性和疏水性也存在差異，由此說明不同的分子量的DOM對環(huán)境行為有不同的影響。前人研究中，針對水溶性有機碳對鐵還原過程的貢獻較多，而對于不同粒徑DOM對鐵還原的影響的相關(guān)文獻較少。

DOM 的數(shù)量的大小與土壤母質(zhì)的類別相關(guān)，海南省具有典型的熱帶海洋季風(fēng)氣候，有著多種且復(fù)雜的母質(zhì)種類，其中花崗巖成分最多，然后是玄武巖、砂頁巖等，海南省農(nóng)田土壤用于種植水稻的占地龐大（呂烈武，2020），所以研究海南省不同母質(zhì)發(fā)育水稻土的DOM特征及其與異化鐵之間的關(guān)系對海南省的水稻田環(huán)境具有重要意義，而目前研究熱帶地區(qū)水稻土不同粒徑DOM與Fe(Ⅲ)行為的關(guān)系卻鮮有報道。因此，研究海南典型水稻土中Fe(Ⅲ)的還原與土壤有機碳的關(guān)系十分必要。

本課題使用超濾技術(shù)進行分級，利用 UV-vis光譜和3D-EEM光譜研究海南島5種成土母質(zhì)發(fā)育水稻土不同粒徑DOM組成差異，運用冗余分析等方法探究不同粒徑DOM與厭氧條件下Fe還原之間的關(guān)系，為水稻田生態(tài)系統(tǒng)固碳和有機質(zhì)對鐵還原機理的貢獻提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)特征

采樣地區(qū)處于?？谑小⑽牟?、瓊海市、儋州市，均為熱帶海洋季風(fēng)氣候，高溫多雨且各地年平均氣溫為22.5—25.6 ℃，試驗所采取的5種不同母質(zhì)發(fā)育水稻土分別為：XW 為?？谂f州鎮(zhèn)玄武巖（19°45′42.48″N，110°24′42.69″E）、HG 為瓊海長坡鎮(zhèn)花崗巖（19°20′6.76″N，110°36′24.22″E）、SY為儋州番加鎮(zhèn)砂頁巖（19°19′31.23″N ，109°41′41.89″E）、HXCJ為文昌羅豆農(nóng)場海相沉積物（19°58′12.40″N，110°39′14.18″E）、HLCJ為儋州東城鎮(zhèn)河流沖積物（19°42′13.61″N ，109°27′41.54″E）。

1.2 土壤采集及其基本理化性質(zhì)測定

2019年8月于上述地點，利用多點取樣法對不同母質(zhì)發(fā)育水稻土的0—20 cm耕層進行采取作為土壤樣品，待自然風(fēng)干后過2 mm篩以留備用，土壤的基本理化性質(zhì)參考鮑士旦（2002）的土壤農(nóng)化分析進行測定：土壤有機質(zhì)（DOM）利用重鉻酸鉀-硫酸測定；有效硅利用乙酸緩沖液浸提-鉬藍比色法，全硅用原子吸收光譜法測定，pH采用 pH計法（水土比為 2.5∶1）；速效氮采用半堿解擴散法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法；利用原子吸收儀測定土壤游離氧化鐵，分光光度計測定非晶體氧化鐵。5種成土母質(zhì)發(fā)育水稻土基本理化性質(zhì)見表1。

表1 5種不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of paddy soils developed from five different parent materials

1.3 土壤DOM分級與測定

分別取1.2處理的不同母質(zhì)發(fā)育土壤20 g于三角瓶中，向三角瓶中加入100 mL的Milli-Q水（土水比為1∶5），混勻后放入恒溫振蕩箱中設(shè)置轉(zhuǎn)速為200 r·min?1振蕩 30 min，隨后用離心機設(shè)置 4000 r·min?1離心10 min，離心后的上清液即DOM溶液。利用超濾裝置將離心后獲得的 DOM 溶液過不同孔徑的尼龍濾膜，尼龍濾膜孔徑依次為0.7、0.45、0.2、0.1 μm、100、10、1 kDa，分離后的DOM溶液密封后放4 ℃環(huán)境下避光儲存?zhèn)溆谩Ｈ「髁降腄OM溶液，采用島津TOC-L型TOC分析儀測定DOC含量。

1.4 光譜測定

將1.3處理后得到的不同分子量的DOM溶液分別進行紫外-可見吸收光譜、三維熒光光譜測定。

紫外-可見吸收光譜：采用紫外-可見分光光度計（Lambda 25 UV spectrometer，PerKinEImer）測定，設(shè)定掃描范圍：起始波長 800 nm，終止波長220 nm，掃描間隔1 nm，獲取指標SUVA254：表征DOM芳香性（王齊磊等，2015）、SUVA260：表征DOM的疏水性（Dilling et al.，2003）。

三維熒光光譜：所選儀器為F-320熒光光譜分析儀（天津港東科技），其中掃描參數(shù)的設(shè)置參考文獻（吳月穎等，2020）；測定指標有：HIX、FI、BIX。腐殖化指數(shù)（HIX）表征腐殖化程度（梁儉等，2016；Salve et al.，2012；Birdwell et al.，2010）；熒光指數(shù)（FI）可表征DOM的主要來源（Mcknight et al.，2001）。自生源指數(shù)（BIX）表征DOM自生源相對貢獻（Huguet et al.，2009）。

1.5 不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土Fe(Ⅲ)還原特征

取各母質(zhì)發(fā)育水稻土過1 mm篩，每種土壤稱取3.000 g（精確到0.001 g）放入培養(yǎng)瓶中，加入Milli-Q水3 mL模擬淹水厭氧條件，除去培養(yǎng)瓶中氧氣，將瓶口密封后至于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，定期取樣：第 0、1、3、5、8、10、13、16、20、25、30、35、40天。用鄰菲羅啉比色法測定每個時期土壤中 Fe(Ⅱ)的含量。利用 Logistics模型對Fe(Ⅲ)還原過程進行表征，模型公式為：

式中：x為培養(yǎng)時間；y為水稻土Fe(Ⅱ)含量；a-Fe(Ⅲ)還原最大潛勢；b為模型參數(shù)；c為反應(yīng)速率常數(shù)；vmax=0.25ac；最大反應(yīng)速率對應(yīng)的時間tvmax=lnb/c

1.6 數(shù)據(jù)處理和分析

使用Excel整理數(shù)據(jù)后，利用SPSS 22結(jié)合LSD對數(shù)據(jù)進行差異顯著分析，使用Origin 2021作圖。采用 CANOCO 4.5軟件作冗余分析（redundancy analysis，RDA），描述 DOC不同粒徑的各組分與Fe(Ⅲ)還原過程的關(guān)系。二維排序中因變量包括a、vmax、tvmax，自變量包括 DOC的熒光光譜特征參數(shù)HIX、FI、BIX、DOC各粒徑及各組分的熒光強度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土Fe(Ⅲ)還原特征

5種不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土厭氧培養(yǎng)過程中Fe(Ⅱ)含量變化如圖 1所示：不同水稻土厭氧培養(yǎng)過程中Fe(Ⅱ)含量隨著淹水時間延長而增加，不同發(fā)育水稻土在起始培養(yǎng)階段 PⅠ（0—3 d）時期迅速升高、PⅡ（3—10 d）時期變化趨勢變緩，然后在 PⅢ（10—40 d）時期達到平衡的趨勢。并且 5種發(fā)育水稻土中，XW發(fā)育水稻土中Fe(Ⅱ)含量最高，HG發(fā)育水稻土Fe(Ⅱ)含量從第8天起高于SY發(fā)育水稻土，5種不同母質(zhì)發(fā)育水稻土 Fe(Ⅱ)含量排序依次為：XW>HG>SY>HLCJ>HXCJ。使用Logistics方程對不同水稻土的Fe(Ⅱ)含量變化過程進行擬合，獲得的鐵還原特征動力學(xué)擬合參數(shù)如表2所示：比較不同水稻土厭氧培養(yǎng)過程中 Fe(Ⅱ)含量隨著淹水時間變化的 Logistics模型參數(shù)發(fā)現(xiàn)，XW發(fā)育水稻土Fe(Ⅲ)最大還原潛勢（a）和最大反應(yīng)速率（vmax）高于其余4種母質(zhì)發(fā)育水稻土，HXCJ發(fā)育水稻土的Fe(Ⅲ)最大還原潛勢（a）和最大反應(yīng)速率（vmax）最低，HG發(fā)育水稻土中達到最大反應(yīng)速率所需時間（tvmax）最長，XW最短。

圖1 不同水稻土厭氧培養(yǎng)過程中Fe(Ⅱ) 含量的變化Fig.1 Variations in Fe (Ⅱ) concentrations in submerged paddy soils during anaerobic incubation

表2 水稻土厭氧培養(yǎng)過程中鐵還原特征動力學(xué)擬合參數(shù)Table 2 The Logistic kinetics parameters of microbial Fe (Ⅲ) reduction during anaerobic incubation of paddy soils

2.2 不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土的DOC含量

2.2.1 不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土DOC含量及粒徑分布特征

由圖2可知，在采集的5種成土母質(zhì)發(fā)育水稻土中，HXCJ發(fā)育水稻土的 DOC 含量（0.712 g·kg?1）最高，HLCJ發(fā)育水稻土的 DOC 含量（0.644 g·kg?1）次之，XW發(fā)育水稻土的DOC含量（0.581 g·kg?1）最低，其排序為：海相沉積物 (HXCJ)>河流沖積物(HLCJ)>砂頁巖 (SY)>花崗巖 (HG)>玄武巖 (XW)母質(zhì)發(fā)育水稻土。而且隨著培養(yǎng)時間的變化，5種不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土的 DOC含量都呈現(xiàn)降低的趨勢。不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土 DOC含量的粒徑分布特征如圖3所示：不同粒徑下，5種成土母質(zhì)發(fā)育水稻土DOC含量分布差異明顯，而且隨著粒徑的減小，各類發(fā)育水稻土 DOC含量均呈現(xiàn)上升的趨勢。從全量（<0.7 μm）上看5種發(fā)育水稻土中 HXCJ的 DOC 含量最高（712 mg·kg?1），XW 發(fā)育水稻土的DOC含量最低（581 mg·kg?1）。由圖4的不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土 DOC含量百分比的粒徑分布特征可得：在5種不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土中，DOC粒徑所占百分比以<1 kDa、1—10 kDa、10—100 kDa 3種粒徑為主，其中，5種土的粒徑均在<1 kDa所占百分比最高，含量排序依次為砂頁巖 (53.82%)>花崗巖 (52.39%)>玄武巖(50.18%)>河流沖積物 (48.24%)>海相沉積物(47.24%)，且 5種不同發(fā)育水稻土中大粒徑 DOC所占百分比均較低。

圖2 不同培養(yǎng)階段下各成土母質(zhì)發(fā)育水稻土DOC含量Fig.2 DOC content of paddy soils with different parent materials at different culture stages

圖3 不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土DOC粒徑分布特征Fig.3 Grain size distribution characteristics of paddy soils with different parent materials

圖4 不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土DOC含量百分比的粒徑分布特征Fig.4 Grain size distribution characteristics of DOC content percentage of paddy soils developed from different parent materials

2.2.2 不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土 DOM 紫外-可見光譜及其粒徑變化特征

不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土DOM紫外-可見光譜特征值隨時間變化如圖5所示：隨著培養(yǎng)時間的變化，5種不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土的 SUVA254、SUVA260的值呈現(xiàn)下降趨勢。如圖6不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土DOM各分子量下的紫外-可見光譜特征值分布特征所示，5種不同母質(zhì)發(fā)育水稻土的SUVA254、SUVA260的值隨著粒徑的減小呈現(xiàn)下降的趨勢。

圖5 不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土DOM的SUVA254（a）、SUVA260（b）值Fig.5 SUVA254 (a) and SUVA260 (b) values of DOM in paddy soils with different parent materials

圖6 不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土下各粒徑DOM的SUVA254（a）、SUVA260（b）值Fig.6 SUVA254 (a) and SUVA260 (b) values for each DOM particle size in paddy soils with different parent materials

2.2.3 不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土DOC熒光特性及其粒徑變化特征

圖7為5類不同母質(zhì)發(fā)育水稻土熒光組分圖，從圖 7中得出，不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土中的 C1組分熒光強度均高于其他3個組分，且SY發(fā)育水稻土的 C1組分最高；XW 發(fā)育水稻土的 C2、C3組分熒光強度最高，為別為0.2678、0.2023；HLCJ發(fā)育水稻土的C4組分熒光強度最高（0.1667）。5種成土母質(zhì)發(fā)育水稻土的DOM組分在不同分子量中的分布特征如圖8所示，不同母質(zhì)發(fā)育水稻土其DOM 組分在不同粒徑中含量分布不同，隨著粒徑的減小，各類母質(zhì)發(fā)育水稻土的熒光組分含量占比均增大。4種熒光組分的含量均在<10 kDa粒徑中有較多占比。XW、HG發(fā)育水稻土的C3組分含量在1—10 kDa粒徑中占比最大，C1、C2、C4組分含量在<1 kDa粒徑中占比最大，SY、HXCJ、HLCJ發(fā)育水稻土的4個熒光組分均在<1 kDa粒徑中占比最大。

圖7 不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土DOM熒光組分分布圖Fig.7 Distribution of fluorescence components in DOM of paddy soils with different parent materials

圖8 不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土不同粒徑下DOM熒光組分百分比分布圖Fig.8 Percentage distribution of DOM fluorescence components in paddy soils with different grain sizes under different parent soils

在圖9不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土DOM各組分的熒光強度隨時間變化過程中可得，在培養(yǎng)過程中，5類發(fā)育水稻土的C1組分均呈現(xiàn)增高的趨勢，C2組分基本上不變，C3組分呈現(xiàn)下降趨勢，C4組分在0—3天升高、在3—40 d呈現(xiàn)下降趨勢，其中C1、C2、C3屬于類腐殖質(zhì)組分，有較高的分子量和高芳香性基團，C4為類蛋白質(zhì)組分。不同母質(zhì)發(fā)育水稻土中DOM 熒光光譜的掃描參數(shù)如圖 10所示，由圖可得：從全量上看（<0.7 μm），5種母質(zhì)發(fā)育水稻土的BIX值處于0.53—0.77之間，F(xiàn)I熒光指數(shù)處于 1.39—1.71；HIX（腐殖化系數(shù)）為 1.54—2.11。5種成土母質(zhì)發(fā)育水稻土的自生源指數(shù)（BIX）值，除了SY發(fā)育水稻土之外均在最小粒徑<1 kDa處取最大值；熒光指數(shù)（FI）值除SY巖、HLCJ發(fā)育水稻土之外均在最小粒徑處取最大值；腐殖化指數(shù)（HIX）值，XW在<0.2 μm、HG在<100 kDa、SY 在<0.45 μm、HXCJ在<10 kDa、HLCJ在<0.7 μm 最大。

圖9 各發(fā)育水稻土DOM中4種組分熒光強度Fig.9 Fluorescence intensities of 4 components in DOM of various developed paddy soils

2.3 不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土 Fe(Ⅲ)還原特征與DOM的冗余分析

對不同培養(yǎng)階段 5種不同母質(zhì)發(fā)育水稻土的Fe(Ⅲ)還原特征參數(shù)和 DOC的熒光特性參數(shù)及組分進行冗余分析，結(jié)果如圖11所示，其中0.7表示為粒徑在0.45—0.7 μm范圍各組分及光譜參數(shù)，其中BIX、HIX、FI的0.7表示為<0.7 μm粒徑，C1、C2、C3、C4表示為粒徑<1 kDa范圍對應(yīng)的各組分及光譜參數(shù)。在初始階段，5種母質(zhì)發(fā)育水稻土的DOM組分及參數(shù)與Fe(Ⅲ)還原特征參數(shù)冗余分析結(jié)果中：前兩個排序軸共同解釋了51.1%且第一排序軸解釋了28.9%，F(xiàn)e(Ⅲ)還原潛勢a與SUVA254、SUVA260、<0.7 μm、<1 kDa粒徑下的HIX值有正相關(guān)關(guān)系，且a與小于0.7 μm粒徑下的HIX值相關(guān)性最大，鐵還原最大反應(yīng)速率 vmax與 SUVA260值呈正相關(guān)，達到最大反應(yīng)速率所需時間 tvmax與<1 kDa粒徑下的C1組分成正相關(guān)。對不同水稻土鐵還原時期（PⅠ、PⅡ、PⅢ）的ΔFe(Ⅱ) 及ΔFe(Ⅱ)含量變化速度V與DOM組分及參數(shù)進行RDA分析：在PⅠ階段第一排序軸的解釋度為93.8%，0.45—0.7 μm粒徑下的C2組分、<1 kDa粒徑下的C4組分與第一排序軸關(guān)系最密切，ΔFe(Ⅱ)和V與0.45—0.7 μm粒徑下的C2組分、<1 kDa粒徑下的C4組分呈正相關(guān)；PⅡ時期第一排序軸解釋度為100%，0.45—0.7 μm粒徑下的C1組分關(guān)系最密切，ΔFe(Ⅱ)和V與C1和<1 kDa的C4組分呈正相關(guān)；而在PⅢ階段第一排序軸解釋度為100%，仍是0.45—0.7 μm粒徑下的 C1組分關(guān)系最密切，ΔFe(Ⅱ)和V與0.45—0.7 μm粒徑下的C1、<1 kDa的C3組分呈正相關(guān)。

3 討論

3.1 不同母質(zhì)發(fā)育水稻土的Fe(Ⅲ)還原特征

根據(jù)Fe含量隨時間的變化圖，0—10 d Fe(Ⅱ)含量變化劇烈，處于氧化還原階段；10—40 d Fe(Ⅱ)含量變化趨于平緩，說明 Fe還原反應(yīng)完成，該結(jié)果與索慧慧（2019）研究的生物炭對水稻土 DOM及厭氧鐵還原的影響中鐵含量變化相似。在厭氧培養(yǎng)的第3天，XW、SY、HLCJ發(fā)育水稻土的Fe(Ⅱ)含量為3.01—6.16 mg·g?1，為對應(yīng)非晶態(tài)氧化鐵含量的51.76%—57.14%；而在厭氧培養(yǎng)的第5天，剩余的 HG、HXCJ發(fā)育水稻土的 Fe(Ⅱ)含量為 3.48—3.95 mg·g?1，為對應(yīng)非晶態(tài)氧化鐵含量的51.10%—64.56%，表明非晶態(tài)氧化鐵被還原的量已經(jīng)超過了一半；在厭氧培養(yǎng)40 d時，除了HXCJ發(fā)育水稻土外，其余各母質(zhì)發(fā)育水稻土的 Fe(Ⅱ)含量處于4.78—8.45 mg·g?1之間，為對應(yīng)非晶態(tài)氧化鐵含量的85.51%—98.45%。表明其中的非晶態(tài)氧化鐵的含量大部分被還原，而 HXCJ發(fā)育水稻土的 Fe(Ⅱ)（3.69 mg·g?1）在第40天只還原了68.46%，一方面由于母質(zhì)的原因，導(dǎo)致不同水稻土的游離氧化鐵及非晶體氧化鐵的含量有差異，使得微生物對Fe(Ⅲ)還原能力存在著明顯差異，因此在鐵還原過程中對Fe(Ⅲ)還原 Fe(Ⅱ)的貢獻度也不同，玄武巖在風(fēng)化過程中更多的硅酸鹽不斷析出，鐵鋁聚集從而使其本身含有較高的鐵含量（陳志誠等，2003；賈蓉，2017）；另一方面 DOC可作為電子供體或電子穿梭體對Fe(Ⅲ)還原起作用，但5種水稻土中，雖然HXCJ水稻土擁有最高的土壤有機質(zhì)含量，但是其鐵還原能力最低，易維潔等（2010）的研究提到當微生物以有機碳作為唯一碳源時，鐵還原效率并不高，而且曲植等（2018）的研究發(fā)現(xiàn)鐵還原與DOC含量之間并沒有顯著的相關(guān)性，其次，在本研究中除HLCJ水稻土外，HXCJ水稻土DOC中的類腐殖酸組分最低，導(dǎo)致其對鐵還原過程的作用亦降低，因此綜上所因，XW水稻土的鐵還原能力最大。

3.2 不同母質(zhì)發(fā)育水稻土下各粒徑土壤DOC含量及光譜特征差異

5種不同母質(zhì)發(fā)育水稻土的 DOC含量均以小粒徑占主體，并且在隨著粒徑的逐漸減小，其所含DOC含量比重越大，其中在<1 kDa所占比例最高，在水稻田的微環(huán)境中，細菌先是會消耗生物利用性高的DOC，而不易被微生物降解的DOC就會在小分子有機物中得到積累從而導(dǎo)致小粒徑中含有高含量的DOC（Amon et al.，1996），以至于熒光組分含量亦在小粒徑中得到更多的積累，5種不同母質(zhì)發(fā)育水稻土中C1、C2、C3屬于類腐殖質(zhì)組分，有較高的分子量和高芳香性基團，因此 5種土的SUVA254、SUVA260的值都很高，這與李雅妮等（2020）在研究水體溶解有機質(zhì)分子量分布中，DOC濃度在HMW（<1 kDa）占比最高這一結(jié)果類似。從全粒徑上看（<0.7 μm），HXCJ、HLCJ水稻土的DOC含量要高于其余3種發(fā)育水稻土，可能是二者的微生物群落高于其余水稻土，大量的微生物在厭氧條件下活動產(chǎn)生小分子有機酸使土壤 DOC含量增加（梁儉等，2016），而在淹水條件下，氧氣的缺乏使土壤呈現(xiàn)還原性，F(xiàn)e(Ⅲ)會在微生物的活動下被還原為 Fe(Ⅱ)，在此過程中 DOC會分解成為 Fe的有機配體，有機配體作為電子傳遞體或者電子供體與鐵氧化物結(jié)合轉(zhuǎn)移電子使Fe(Ⅲ)被還原（孫正，2019；許偉，2009），因此隨著時間的變化，各母質(zhì)發(fā)育水稻土的DOC含量均下降。

對DOM不同分子量角度來說，隨DOM分子量的減小，BIX、FI值略微升高，HIX值卻降低，這意味著小粒徑DOM擁有更低的腐殖化程度，與本文研究的不同粒徑下的 SUVA254、SUVA260的結(jié)果一致，隨著培養(yǎng)時間的變化，5種不同母質(zhì)發(fā)育水稻土的芳香性以及疏水性值呈現(xiàn)下降趨勢，且SUVA254、SUVA260的值隨著粒徑的減小亦呈現(xiàn)下降的趨勢，這與吳月穎等（2020）研究結(jié)果一致。類腐殖酸組分中的酚醌類基團擁有電子轉(zhuǎn)移的能力，在 RDA分析中可知，類腐殖酸組分與鐵還原之間有著顯著的正相關(guān)關(guān)系，該組分又被微生物作為唯一碳源利用（Pan et al.，2016），作為電子供體促進 Fe(Ⅲ)被還原，因此隨著時間的變化，F(xiàn)e(Ⅱ)含量升高而類腐殖酸組分降低。

3.3 不同母質(zhì)發(fā)育水稻土 Fe(Ⅲ)還原特征的影響因素

在初始階段Fe(Ⅲ)還原潛勢a與HIX、SUVA254成正相關(guān)，表明土壤中HIX、SUVA254都對其鐵還原過程具有貢獻，SUVA254的值隨著培養(yǎng)時間的變化一直在下降，但其與ΔFe(Ⅱ)的相關(guān)性卻越來越高，表明疏水組分越少時越有利于鐵的還原。與此同時，隨著培養(yǎng)時間的增加，F(xiàn)e(Ⅲ)還原潛勢 a與C1組分越來越相關(guān)，C1組分為陸源類腐殖質(zhì)組分，C1的值隨時間變化而增加，表明陸源類腐殖質(zhì)組分有利于鐵的還原，而且小粒徑的C1組分貢獻度更大，F(xiàn)e(Ⅲ)還原潛勢a與小于0.7 μm粒徑下的HIX值相關(guān)性最大，其相關(guān)性要高于<1 kDa粒徑下的HIX，說明 DOM 粒徑的大小影響著 Fe(Ⅲ)還原。在初始階段下，tvmax值始終與<1 kDa粒徑的C1組分成正相關(guān)，vmax始終與<1 kDa粒徑的HIX相關(guān)性最大，除HIX值外，SUVA254與鐵還原潛勢存在正相關(guān)關(guān)系，可以理解為腐殖質(zhì)通過充當電子穿梭體來調(diào)控Fe(Ⅲ)的還原（索慧慧，2019）。隨著培養(yǎng)時間的進行，F(xiàn)e(Ⅱ)含量的變化也受不同因素的影響，PI階段主要受0.45—0.7 μm粒徑下的C2組分、<1 kDa粒徑下的 C4組分的影響，表明在該階段Fe(Ⅱ)含量的變化主要受類腐殖質(zhì)和類蛋白的影響較大；PⅡ階段主要受<1 kDa粒徑的C4、C1組分的影響，表明該階段陸源類腐殖質(zhì)和類蛋白組分對鐵還原過程的貢獻度較大；PⅢ階段主要受 0.45—0.7 μm粒徑下的C1、<1kDa的C3組分的影響，即土壤中的類腐殖質(zhì)組分對鐵還原過程有重要作用，而且小粒徑的類腐殖質(zhì)組分相比大粒徑來說對水稻土鐵還原過程有更大的貢獻度，C1、C2、C3均屬于類腐殖質(zhì)組分，通過研究其氧化還原電位和電子轉(zhuǎn)移情況可以得出，腐殖質(zhì)在微生物介導(dǎo)的Fe(Ⅲ)還原過程中可以充當電子載體，將電子傳遞給Fe(Ⅲ)實現(xiàn)鐵還原的過程（姜杰等，2015），不同水稻土 3個鐵還原階段都受到了類腐殖質(zhì)的影響，而且類腐殖質(zhì)組分在小粒徑（<1 kDa）中占比最大，換而言之小粒徑中存在更多電子載體可以與鐵化合物結(jié)合從而傳遞電子以達到還原作用，因此小粒徑的類腐殖質(zhì)對鐵還原過程要表現(xiàn)出更大的貢獻。有研究表明腐殖質(zhì)本身具有的醌基扮演者傳遞電子的角色，而一些醌類物質(zhì)也可以提供相同的作用，而本研究中得到的熒光組分C1、C3組分也屬于氧化態(tài)醌類物質(zhì)，因此更加證實該兩種組分在鐵還原過程中的作用（許志誠等，2006；Scott et al.，1998）；在厭氧鐵還原過程中，微生物先將電子傳遞給腐殖質(zhì)，具有帶電活性的腐殖質(zhì)作為有機配體與Fe(Ⅲ)結(jié)合后將電子傳遞出去，失去電子的腐殖質(zhì)則被氧化后再一次得到電子后又可以被還原，進而繼續(xù)傳遞電子給Fe(Ⅲ)，因此在鐵呼吸過程中，腐殖質(zhì)的數(shù)量起到關(guān)鍵性作用，其反復(fù)使用對鐵的還原起到重大作用。

4 結(jié)論

（1）不同母質(zhì)發(fā)育水稻土的Fe(Ⅱ)含量變化有著顯著差異，而且不同母質(zhì)發(fā)育水稻土Fe(III)最大還原潛勢也不同，5種水稻土中XW發(fā)育水稻土含有最大的氧化鐵含量，其Fe(III)最大還原潛勢最大。

（2）不同母質(zhì)發(fā)育水稻土的 DOC均在最小粒徑（<1 kDa）含量最多，由DOC熒光光譜特征鑒定出2個陸源、1個類腐殖酸和1各類蛋白熒光組分，其來源以外源輸入為主，內(nèi)源輸入為輔，且腐殖化程度較低，較易被微生物利用。

（3）HIX、SUVA254、C1組分可促進水稻土鐵還原過程，而且隨著時間的變化，ΔFe(Ⅱ)含量會受到不同DOM組分的影響，由PI階段的C4組分到PII階段的C4、C1組分到PIII階段的C1、C3組分，且小粒徑的C3、C4組分（<1 kDa）對鐵還原的貢獻要大于0.45—0.7 μm粒徑的其他DOM組分，表明小粒徑DOM在鐵還原過程中扮演者重要的角色。