土壤有机碳(SOC)库是陆地生态系统中最大的有机碳汇,在全球碳循环和气候调节中发挥着关键作用。其中,含铁矿物对土壤溶解有机质(DOM)的吸附与固持被认为是SOC长期稳定的重要地球化学过程。由于土壤DOM成分复杂,含铁矿物对不同土壤DOM的吸附固持特性是否存在差异,以及这一过程的潜在机理尚缺乏系统研究。基于此,本研究选取中国南北方两种典型棕壤,利用棕壤中最常见的含铁矿物—赤铁矿作为代表,通过多种有机质分析技术,探讨赤铁矿对不同棕壤DOM的吸附固持差异及其机制,并进一步分析温度和p H等环境因子对该过程的影响,研究结果为深入理解土壤矿物在有机碳稳定性中的作用提供了新的理论依据。论文主要研究结果如下: (1)赤铁矿对两种棕壤DOM产生了显著的固持效果。暗棕壤土呈深棕色,质地绵软,有机碳含量较高;黄棕壤土呈黄褐色细沙状,电导率较高。吸附实验(36 h)表明,整个吸附过程主要是以化学吸附为主的单分子层吸附。赤铁矿对两种棕壤溶解有机碳(DOC)的吸附率分别为55.8%(暗棕壤)和41.7%(黄棕壤)。赤铁矿对两种棕壤有色DOM(CDOM)的吸附率均在57.0%左右,对荧光DOM(FDOM)的吸附率分别为49.2%(暗棕壤)和39.2%(黄棕壤)。通过三维荧光光谱耦合平行因子分析(EEM-PARAFAC)共确定了4种类腐殖质组分和1种类蛋白质组分。类腐殖质在棕壤DOM中占比约90.0%且易被赤铁矿选择性固持。Mantel test分析表明,赤铁矿的固持量与a₃₅₅、SUVA₂₈₀、腐殖化程度和类腐殖质组分密切相关,类腐殖质组分在其中发挥决定性作用。 (2)赤铁矿对不同棕壤DOM的吸附存在显著差异。从DOM光谱性质看,赤铁矿对暗棕壤中芳香性化合物的吸附效果较好(吸附率30.8%>13.2%)且对H3和H4两种类腐殖质组分优先吸附,而黄棕壤中各组分吸附前后的占比基本不变。通过傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)对赤铁矿吸附棕壤DOM过程的分子分析表明,赤铁矿优先去除暗棕壤中以CHOP为主的芳香族、脂肪族化合物,而在黄棕壤中优先去除以CHO、CHON元素为主的高氧化态单宁化合物。赤铁矿对两种棕壤DOM的吸附特性差异受棕壤DOM分子组成的影响,暗棕壤中原本不易被吸附的脂肪族化合物由于缺少“竞争者”而被赤铁矿吸附,从而增强了暗棕壤的固碳能力。 (3)赤铁矿的微观结构及其吸附棕壤DOM的机制。赤铁矿在扫描电镜下呈小颗粒团聚体结构且比表面积和孔径极小。反应后赤铁矿表面Zeta电位的绝对值下降表明赤铁矿吸附了棕壤DOM中的负电荷基团。傅里叶变换红外光谱仪的结果指出赤铁矿在1384 cm^-1出现的新特征峰,表明赤铁矿与水相界面发生了配体交换作用吸附了DOM中的短链脂肪族化合物。赤铁矿在3220 cm^-1处特征峰的减弱表明矿物表面的羟基与DOM中的极性分子发生了氢键作用。X射线光电子能谱的结果表明赤铁矿中的Fe-OH与DOM分子中的极性基团发生了氢键作用,同时赤铁矿通过静电吸引吸附了DOM中的负电荷。配体交换、静电吸引和氢键作用是赤铁矿吸附土壤DOM的主要机制。 (4)环境因子能够影响赤铁矿固持棕壤DOM的过程。赤铁矿对棕壤DOM的固持效果随矿物浓度的升高而增强。在10-30℃范围内,赤铁矿对暗棕壤CDOM和芳香性化合物的吸附效果随温度的升高而增强,吸附率分别从46.9%、13.2%上升到62.5%和33.6%。而赤铁矿在黄棕壤DOM的吸附基本不受温度影响。当p H介于3.5-5.5时,赤铁矿的固持能力随p H的降低而增强,当p H为7.5时,吸附过程因矿物与DOM间负电荷的静电排斥而受到抑制。结构方程模型的结果表明,三种环境因子中矿物浓度是影响土壤矿物固碳能力的决定因素。温度对暗棕壤的影响较大,而p H变化对黄棕壤的影响较大。偏最小二乘回归模型指出赤铁矿的固持作用与棕壤DOM关键指标间存在线性关系。 综上所述,矿物对土壤DOM的固持作用受到矿物浓度、环境温度以及酸碱度的影响,对于特定矿物,其固持特性还受到土壤DOM分子组成成分的影响。土壤DOM的分子组成受环境气候等因素的影响存在较大差异,最终造就了矿物在不同土壤DOM间的吸附固持差异。研究结果对于深入理解不同土壤中矿物的碳固存能力、维持土壤碳储存及应对全球气候变暖具有重要意义。