Nature Communications｜冻土融化过程中，铁矿物溶解释放出铁及其相关有机碳
已有研究表明，活性土壤矿物，特别是铁(III)(羟基)氧化物，可以捕获覆盖在完整的永久冻土上的土壤中的有机碳，并可能限制碳的移动和降解。然而，在永久冻土环境中使用含铁(III)的矿物作为终端电子受体，因此它们的稳定性和在永久冻土融化期间防止碳动员（carbonmobilization）的能力还不甚了解。
本研究利用瑞典Abisko冻土一个融化梯度中，使用时空替代法跟踪了铁和碳之间的动态相互作用。
研究通过大量（选择性提取，EXAFS）和纳米级分析（相关的SEM和nanoSIMS）表明，有机碳主要在完整冻土的有机-矿物层之间的过渡层中与活性铁结合。在冻土融化期间，渍水和O2限制导致还原条件和Fe(III)还原细菌丰度增加，这有利于矿物溶解，并推动铁和碳沿解冻梯度上的动员。
通过提供终端电子受体，这种铁锈碳汇沿着解冻梯度被有效地破坏，无法阻止碳在解冻时的释放。
高纬度永冻土融化过程中大量有机碳的释放是一个全球关注的新问题。然而，由于与控制永久冻土中的碳的命运有关的知识差距，永久冻土融化造成的温室气体排放的程度仍然无法预料。
有机碳的流动性、不稳定性和生物利用率由一些相互联系的物理-生物地球化学参数和过程决定。其中一个参数是活性铁（Fe）矿物的存在，已知它们通过吸附和共沉淀的方式来稳定有机碳。
铁结合的碳可以受到土壤结构条件的保护（如聚合体的形成、流体流动路径的宏观尺度变化），因此难以被分解者获得。同时，氧气的扩散受到阻碍，进一步有利于土壤有机质的保存。因此，Fe-OM复合体被认为对许多环境中的长期碳储存有重大影响。
有几项研究已经在野外发现了结晶性差的铁-OM复合体，或在实验室中产生了它们，并证明它们对微生物或化学还原有抵抗力。在潮湿的气候下，活性铁矿物总量是高度动态的，因为它们会随着氧化还原条件的变化而沉淀和溶解。
矿物土壤泥浆的培养研究以前只在静态氧化条件下显示了铁对OM的保护。然而，在氧气限制下，铁(III)矿物的还原和溶解导致溶解性OM和土壤OM的厌氧矿化（分别为74％和32-41％）。当矿物溶解发生时，铁和碳的动员，碳的可利用性/生物利用度的增加，以及作为CO2和CH4的气态碳损失也随之增加（由异养微生物和产甲烷微生物催化）。
在氧化还原动态变化的冻土中，活性铁相的形成和溶解对土壤有机质持久性的影响程度尚不清楚。尽管铁矿物对碳储存很重要，但我们对富含有机物的冻土泥炭地中这种所谓的“铁锈碳汇”的存在知之甚少，对它如何响应与永久冻土融化相关的氧化还原条件变化的了解就更少了。
为了解决这一知识空白，本研究沿着Stordalen泥沼（瑞典Abisko）的融化梯度收集泥炭地土壤。在这项研究中，根据植被和水文的可能变化（如以前所做的）以及微生物生态学的已知变化，定义了三个解冻阶段（图1）: (1)干燥的palsa，(2)中度解冻的bog，和(3)完全解冻的fen。
随着永久冻土的融化，隆起的、干燥的、和有氧的palsa崩塌，导致湿润/半湿润的有氧的bog面积扩大，但其下面的土壤保持冻结。随着持续的解冻，bog面积减少，矿物营养的fen面积区扩大，其水完全饱和，还原条件强于bog。
本研究从这3个地点采集收集了岩心，并将其被分为：（1）有机层；（2）过渡区；（3）矿物层。
研究通过选择性提取来分析固相，以确定不同的铁相，如活性铁（可提取的柠檬酸二亚铁）、结晶性差铁（羟胺-HCl）、胶体和OM螯合铁（焦磷酸钠）以及强结晶铁相（如反应性差的硅酸铁或铁硫；6MHCl）。在提取的同时，通过测量柠檬酸钠和焦磷酸钠提取中的溶解有机碳（DOC）来确定与铁结合的碳。
采用扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)分析，并进一步确定了选择性溶解未提取的含铁粘土等相的存在。利用相关扫描电镜(SEM)和纳米级二次离子质谱(nanoSIMS)技术对不同土层中铁-碳-的结合进行了研究。
此外，还对孔隙水进行了地球化学分析，以确定潜在的电子受体和供体，并跟踪铁和碳从固体到液相的释放情况。此外，铁(III)还原细菌是在缺氧条件下铁矿物还原的驱动力，通过生长依赖的方法进行了量化。
研究发现，解冻增加水体Fe2+和DOC，铁（III）还原菌的丰度随解冻而增加，铁（III）还原菌的丰度随解冻而增加，反应性铁矿物沿解冻梯度被溶解，活性铁矿物的溶解释放出相关的有机碳。
图2| 沿冻土融化梯度，铁、溶解性有机碳浓度以及铁(III)还原菌丰度增加。a,孔隙水的地化分析；b,铁(III)还原细菌的数量。
研究发现，活性铁主要在完整冻土下的palsa土壤中能与有机碳结合。永久冻土融化过程中的积水和氧气限制导致了还原条件和铁(III)还原细菌丰度的增加。通过使用活性铁作为终端电子受体，它们有利于矿物溶解并驱动铁和碳沿解冻梯度的动员。因此，“铁锈碳汇”被破坏，无法从冻土融化的碳矿化中保存有机碳。
土壤与铁结合的碳储量相当于大气碳量的2-5%，相当于每年通过人为化石燃料排放的碳量的2到5倍。本研究利用时空替代法，首次揭示了这种铁锈碳汇是如何响应逐步的气候变化。
这项研究表明，一旦永久冻土泥炭地的条件变成渍水条件，活性铁矿物就会被还原，溶解的铁和相关的有机碳被释放到周围的孔隙水中。不仅仅是释放的碳会直接导致温室气体排放。铁（III）的还原本身也会促成CO2的排放，因为它直接与有机碳的氧化和矿化相联系。
另一方面，由于铁（III）还原在动力学上更有利，更适合铁（III）还原者的条件也能抑制甲烷生成。然而，铁（III）的还原会消耗质子并导致pH值的增加，这可以使条件对甲烷菌更有利。研究表明，活性铁相作为一个重要的、被忽视的、沿解冻梯度的终端电子受体，因此可以对甲烷的净排放施加一个重要的控制。
本研究表明，直接螯合或共沉淀的Fe-C结构在碳保护中发挥了重要作用，但需要做更多的工作来阐明相关有机碳的化学性质，以确定其稳定性。
为了更好地预测融化的永久冻土的未来温室气体排放，并提高现有气候模型的准确性，因此，进一步确定Fe(III)的还原率、它对泥炭地沼泽CO2排放的直接贡献，以及它与其他微生物过程的竞争，如甲烷生成或甲烷营养，是至关重要的。
论文信息
标题：Ironmineraldissolutionreleasesironandassociatedorganiccarbonduringpermafrostthaw
期刊：NatureCommunications
类型：Article
作者：MoniqueS.Patzner【UniversityofTuebingen】, CarstenW.Mueller【UniversityofCopenhagen】, ......,& CaseyBryce*【UniversityofTuebingen】
时间：2020-12-10
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-020-20102-6