北京
近日，华南农业大学资源环境学院刘承帅教授与童辉教授团队在《科学通报》亚热带农业高质量发展专辑发表了题为“氧化还原条件下铁氧化物对亚热带稻田土壤碳矿化的调控作用”的研究论文，文章以亚热带富铁水稻土为研究对象，通过微宇宙实验设置不同氧化还原条件，探究铁氧化物转化对土壤有机碳矿化及微生物过程的调控机制。结果表明，好氧条件增强矿物保护作用，厌氧条件加剧了铁碳解耦过程，交替条件则具有较高的温室气体排放风险。本研究揭示了铁驱动有机碳矿化的环境依赖机制，为稻田固碳增汇与温室气体减排提供理论依据。
土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）的稳定与释放直接影响温室气体排放。亚热带稻田因经历频繁的淹水与排水过程，氧化还原条件变化剧烈，驱动了铁矿物的转化，进而影响SOC的留存。铁氧化物可吸附包埋SOC形成稳定的铁结合态有机碳（iron-bound organic carbon, FeOC），但在缺氧环境下，微生物的异化铁还原会破坏矿物结构并释放碳。然而，在此类波动条件下铁的保护与释放机制及微生物响应尚不明确。
针对这一问题，本研究以亚热带富铁水稻土为对象，设置持续需氧、需氧–厌氧交替及持续厌氧三种环境，系统解析了相关机制。研究发现，持续需氧条件下高结晶度铁矿物不断积累，增强了矿物的物理化学稳定作用，使FeOC保持稳定并抑制其矿化；持续厌氧条件异化铁还原削弱了铁矿物结构稳定性，导致FeOC解耦并释放溶解性有机碳（dissolved organic carbon, DOC），结合底物激发效应与酚氧化酶活性升高，加速了有机碳矿化；而在氧化还原交替条件，铁氧化物处于非稳态循环，生成的亚稳态铁矿物具有较高反应活性与铁还原潜力，提升了铁循环速率及温室气体排放风险。
图 1 不同氧化还原条件下土壤铁形态、有机碳组分、温室气体排放量及胞外酶活性的动态变化
微生物学结果进一步表明，氧化还原环境重塑了群落结构与功能。持续厌氧下，Bacillus等兼性厌氧菌富集，参与FeOC解耦后的碳利用，群落向可利用碳降解与发酵代谢方向重构；交替体系中，Alphaproteobacteria等铁氧化类群富集，促进亚稳态铁矿物形成。
此外，本研究发现铁循环过程还显著影响温室气体排放路径：持续厌氧条件下以CH4排放为主，而需氧及交替条件则以CO2排放占主导，反映出铁还原菌与产甲烷菌之间的电子竞争机制对碳损失过程具有关键调控作用。
本研究揭示了亚热带富铁稻田土壤中铁循环与碳转化的耦合机制，深化了对氧化还原驱动下“矿物保护—生物矿化”动态平衡过程的认识。这一成果不仅丰富了铁参与土壤有机碳稳定性调控的理论框架，也为理解频繁氧化还原波动下稻田碳循环过程提供了新的科学依据。未来，随着对铁矿物转化机制与微生物调控过程认识的深入，结合精细化水分管理与田间调控技术，有望实现对稻田土壤碳过程的定向调控，在提升土壤碳汇功能的同时降低温室气体排放，为亚热带稻田生态系统的绿色高效利用与农业可持续发展提供重要支撑。
华南农业大学资源环境学院刘承帅教授与童辉教授为本文的共同通讯作者，在读博士生李馨妤与在读研究生王子贤为共同第一作者。相关研究得到了国家自然科学基金（42477330）和广东省自然科学基金（2023A1515012047）的资助。
文章信息
李馨妤, 王子贤, 贾少鹏等. 氧化还原条件下铁氧化物对亚热带稻田土壤碳矿化的调控作用. 科学通报. DOI: 10.1360/CSB-2026-0087.
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