Effects of Fertilization on Carbon Emission and Iron Content in Soil at Jasmine Flower Garden in Fuzhou
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摘要: 为阐明施肥量对福州茉莉园碳排放及其与土壤铁含量的影响，以福州帝封江茉莉园为研究对象，设置对照、减半、正常和倍增4个处理，对不同施肥量下碳排放以及铁含量进行了测定与分析。结果表明：对照、减半、正常、倍增样地CO2排放通量平均值依次为（430.88±142.06）、（473.08±52.18）、（435.23±61.21）和（478.75±118.64）mg·m-2· h-1，CH4排放通量平均值依次为（38.84±9.69）、（16.77±10.71）、（4.11±4.79）和（11.92±2.27）μg·m-2·h-1。与对照相比，CO2排放通量在减半、正常和倍增施肥处理分别增加了9.7%、1.01%和11.10%，CH4排放通量在减半、正常和倍增施肥处理下则分别减少了56.82%、89.41%、69.30%。总Fe含量平均值依次为（9.11±0.08）、（7.87±0.09）、（9.37±0.25）和（8.90±0.21）g·kg-1，Fe2+含量的平均值依次为（1.08±0.01）、（1.08±0.07）、（1.01±0.09）和（1.09±0.04）g·kg-1，Fe3+含量平均值依次为（8.04±0.08）、（6.80±0.15）、（8.37±0.19）和（7.82±0.22）g·kg-1。总Fe含量在减半和倍增处理下分别减少了13.61%和2.30%，而正常处理提高了2.85%；Fe2+含量在正常处理下减少了6.48%；Fe3+含量在正常处理下提高了4.10%，在减半和倍增处理则分别减少了15.42%与2.73%。由相关性分析得出对照、正常、倍增处理C排放与Fe3+、Fe含量呈极显著负相关关系（P < 0.01），而减半处理呈显著负相关关系（P < 0.05）。Abstract: Effects of fertilizer application on the carbon emission and iron content in soil of a jasmine flower garden were investigated at Difengjiang Jasmine Garden in Fuzhou. Based on the application normally used by the trade, 4 levels of fertilization were implemented, i.e., control (C), normal (N), of N (H), and 2x of N (D). The results showed that the average hourly CO2 fluxes at various lots were(430.88±142.06) mg·m-2 for C, (473.08±52.18) mg·m-2 for H, (435.23±61.21) mg·m-2 for N, and (478.75±118.64) mg·m-2 for D. The average CH4 emission rateswere (38.84±9.69) μg·m-2·h-1 for C, (16.77±10.71) μg·m-2·h-1 for H, (4.11±4.79) μg·m-2·h-1 for N, and(11.92±2.27) μg·m-2·h-1 for D. Thus, the CO2 flux increased by 9.7% for H, 1.01% for N, and 11.10% for D over control, while the CH4 flux reduced by 56.82% for H, 89.41% for N, and 69.30% for D over control. The average total Fe contents were(9.11±0.08) g·kg-1 for C, (7.87±0.09) g·kg-1 for H, (9.37±0.25) g·kg-1 for N, and (8.90±0.21) g·kg-1 for D; theaveraged Fe2+ content, (1.08±0.01) g·kg-1 for C, (1.08±0.07) g·kg-1 for H, (1.01±0.09) g·kg-1 for N, and(1.09±0.04) g·kg-1 for D; and, while the average Fe3+ content, (8.04±0.08) g·kg-1 for C, (6.80±0.15) g·kg-1 for H, (8.37±0.19) g·kg-1 for N, and(7.82±0.22) g·kg-1 for D. The total Fe contents decreased by 13.61% for H and 2.30% for D, while increased by 2.85% for N over control. The Fe2+ content decreased by 6.48% for N; and, Fe3+ contents increased by 4.10% for N, and decreased by 15.42% for H and 2.73% for D over control. A correlation analysis indicated that the carbon emission fromthe lots treated with C, N, and D significantly inversely correlated with the Fe3+ and total Fe contentsat(P < 0.01), whereas H, at P < 0.05.
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Keywords:
- fertilization /
- carbon emission /
- iron dynamics /
- jasmine flower garden
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全球变暖不仅改变全球水热分布，加剧区域气候变化，而且严重影响全球生态、区域经济政治发展和人类的生存环境[1]。CO2、CH4等温室气体排放的增加被认为是导致全球气候变暖的主要原因，对全球温室效应的贡献率达到80%左右[2]，只有有效减排温室气体才能控制气候变化[3]。
农田生态系统是温室气体排放的重要来源，农业生产的碳排放占相当大的比例[4]。目前关于农田土壤碳排放的研究包括生态系统碳排放与土壤呼吸[5]，并探讨了田间管理中外源物质施加对碳排放的影响[6]等。铁是植物生长发育必需的微量元素，同时铁又是土壤中敏感的氧化还原活性金属元素，在土壤物质循环过程中，铁循环具有独特的重要性，铁的氧化还原不仅影响土壤剖面铁的分布、迁移和扩散，而且对土壤发育、土壤生态系统多种元素的耦合循环等都有重要的影响[7]，特别是土壤中的铁和碳会在一系列的氧化还原过程中进行耦合[8]。然而对于不同施肥量对于碳排放与铁形态以及含量的影响尚鲜见报道，关于土壤铁形态对碳排放的作用研究尚显不足。因此，探究碳排放与铁形态的关系对于农田生态系统固碳减排具有重要意义。
福州茉莉花与茶文化系统于2014年4月29日被列入全球重要农业文化遗产[9]，作为福州河滨土地利用的主要方式，其在护岸促淤、调节气候、保障生物多样性等方面发挥着重要作用，但同时该系统也是温室气体排放的源。另一方面，由于茉莉花是茉莉花茶的主要原料，随着福州茉莉花茶产业的快速发展，对茉莉花需求量不断升高，为了提高茉莉花产量和延长花期，施肥量也进行了相应地增加。因此，开展施肥量对福州茉莉园碳排放与铁动态的影响研究，为合理施肥量选用提供科学依据，在促进福州茉莉花与茶文化系统全球重要农业文化遗产的功能提升与永续利用中具有重要的价值。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区域位于福建省福州市帝封江闽榕茶业有限公司茉莉种植园(119°20′7″E，25°59′10″N)，属于亚热带季风性湿润气候，夏季高温多雨，冬季温暖潮湿，雨量充沛，年均降水量约为1 342.5 mm，全年约80%的降雨量集中于5~10月，全年无霜期为326 d[10]。试验样地的土壤质地以粉砂粒为主，占59%，砂砾和黏粒分别占25%和16%，土壤pH为4.4，盐度为0.15 ms·cm-1，土壤碳、氮、磷和钾含量分别为11.7、1.1、0.5和13.3 g·kg-1。观测期研究区的相对湿度为45.1%~84.2%，气温为17.3~35.8℃[11]。
选取双瓣茉莉为试验品种，2008年4月进行人工扦插种植(高10 cm)。茉莉生长阶段分为：枝叶生长期(4月初至5月初)、花蕾萌芽期(5月初至5月下旬)、盛花期(6月初至9月)[12]。正常条件下施肥管理为4月中旬进行第1次施肥，平均施肥量为130 kg·ha-1，第一茬茉莉花采摘结束后进行第2次施肥，平均施肥量为100 kg·ha-1，肥料类型为俄罗斯产复合肥，N:P2O5 :K2O=16%:16%:16%[13]。
1.2 试验设计和样品采集
试验时间为2015年5月至2016年3月，30 d为一个采样周期。试验样地共3个样区，每个样区面积约20 m2，随机区组排列安装气体采样静态箱底座，整个试验期间静态箱底座固定在样点，共设置4个处理组，分别为对照(零施肥量)、减半施肥量、正常施肥量、倍增施肥量，每个处理3个重复。
气体采集：温室气体CO2、CH4均采用静态暗箱法采集。静态箱由顶箱和底座两部分组成，顶箱长宽高分别为30 cm×30 cm×1.0 m，顶部设有抽气孔，底座长宽高分别为30 cm×30 cm×30 cm，底座上沿设有凹槽，便于顶箱置于其上并加水密封，下部均匀打上圆孔，以便保持水肥养分流通。气体采集时将顶箱盖上，加水密封，立即抽取40 mL气体注入铝箔气样袋(大连德霖气体包装有限公司生产)，并带回实验室。每次抽气时间在9:00~11:00，每隔15 min抽1次气，共抽取3次，抽气同时记录箱内温度，测定周期为30 d。
土样采集：按照对照、减半、正常、倍增施肥处理的顺序用采土器采集12个采样点耕层0~15 cm土壤，装入自封袋密封保存，带回实验室，挑去植物残体根系后，分成两份，一份自然风干后装入自封袋保存待用，一份放入4℃冰箱冷藏待用。
1.3 指标测定
气样测定：CO2和CH4均采用日本岛津公司生产的气相色谱仪测定(Shimadzu GC-2010和ShimadzuGC-2014，Kyoto，Japan)[14]。环境因子测定：气温和湿度采用手持气象仪(Kestrel-3500，USA)测定；土温和电导率(EC)采用便携式电导计(2265FS，USA)测定；土壤含水量(WC)用土壤水分测定仪(TDR300，Soil Moisture Meter)测定；土壤pH值采用水土质量比为2.5:1，振荡30 min，静置后用便携式pH计(STARTER 300，美国)测定[15]；土壤中铁(Fe)和二价铁(Fe2+)的测定采用邻菲罗啉比色法，在紫外可见分光光度计测定，Fe3+=Fe-Fe2+[15]。
1.4 数据处理
排放到大气环境中的CO2和CH4的通量可根据下列公式计算：
F=MV⋅dcdt⋅H⋅(273273+T) 式中，F为温室气体排放通量(mg·m-2·h-1)；M为CO2、CH4的摩尔质量(g·mol-1)；V为标准状态下的气体摩尔体积；dc/dt为CO2和CH4的浓度变化率；T为采样箱内温度(℃)。H为采样箱的箱高(m)。测量的浓度数据只有在线性回归系数R2＞0.9才视为有效数据，并计算温室气体通量。
本试验原始数据均值及标准误差均用Excel 2016处理，各施肥处理下CO2、CH4排放通量、铁动态以及各环境因子均用Origin 8.5作图；各施肥处理下CO2和CH4排放通量与铁动态以及环境因子之间关系均采用SPSS 20.0软件中Pearson相关性分析方法进行分析。处理、时间及交互作用对土壤CO2和CH4排放通量的影响采用SPSS 20.0软件中Repeated-measure ANOVA方法进行分析。
2. 结果与分析
2.1 不同施肥量对茉莉花园土壤CO2排放通量的影响
对照组、减半组、正常组和倍增组CO2通量变化范围为117.00~863.68、72.51~1353.53、85.73~927.01和99.92~967.13 mg·m-2·h-1(图 1)。对照组CO2通量均值和变异系数分别为(430.88±142.06)mg·m-2·h-1、57.10%；减半组CO2通量均值和变异系数分别为(473.08±52.18)mg·m-2· h-1、19.10%；正常组CO2通量均值和变异系数分别为(435.23±61.21)mg·m-2· h-1、24.35%；倍增组CO2通量均值和变异系数分别为(478.75±118.64)mg·m-2· h-1、42.92%。从整体上看，CO2排放通量呈现先上升后降低的趋势，排放通量在7月份达最大值，随后CO2排放通量逐渐降低，在1、2、3月份达到最小值，即夏季CO2排放通量最高，冬春季CO2排放通量最低(图 1)。倍增施肥处理CO2排放通量在整个实验期间均高于对照，与对照相比排放通量增加11.10%。减半施肥CO2排放通量则增加了9.7%，正常施肥与对照相比差异不大，排放通量只增加了1.01%。CO2排放与施肥处理具有显著相关性(P < 0.01)(表 1)。
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图 1 不同施肥量对茉莉花园土壤CO2排放通量的影响Figure 1. Effect of varied amounts of fertilization on CO2 emission flux in soil at jasmine garden表 1 茉莉花园CO2、CH4排放通量重复测量方差分析Table 1. Analysis of variance of CO2 and CH4 emission fluxes at jasmine garden指标 变量 df MS F P 处理 3 13362915.04 15.426 ＜0.01 CO2 时间 10 61461.247 0.061 0.979 处理×时间 30 2414386.151 0.929 0.577 处理 3 21969.063 3.749 0.06 CH4 时间 10 78609.01 6.272 ＜0.01 处理×时间 30 291590.569 7.755 ＜0.01 2.2 不同施肥量对茉莉花园土壤CH4排放通量的影响
对照组、减半组、正常组和倍增组CH4通量变化范围分别为-45.46~163.38、-100.28~224.66、-64.38~59.98和-37.39~55.83 μg·m-2·h-1(图 2)。对照组CH4通量均值和变异系数分别为(38.84±9.69)μg·m-2·h-1、16.78%；减半组CH4通量均值和变异系数分别为(16.77±10.71)μg·m-2·h-1、18.56%；正常组CH4通量均值和变异系数分别为(4.11±4.79)μg·m-2·h-1、8.31%；倍增组CH4通量均值和变异系数分别为(11.92±2.27)μg·m-2·h-1、3.93%。从整体上看，不同施肥处理CH4排放通量均很低，且季节变化特征并不显著，但是减半和正常、倍增施肥处理CH4排放通量均较对照分别降低了56.82%、89.41%、69.30%。CH4排放与时间呈显著相关，与处理和时间的交互作用也呈显著相关(表 1)。
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图 2 不同施肥量对茉莉花园土壤CH4排放通量的影响Figure 2. Effect of varied amounts of fertilization on CH4 emission flux in soil at jasmine garden2.3 施肥量对茉莉花园土壤不同铁形态和含量变化的影响
对照、减半、正常及倍增施肥处理(下同)土壤Fe2+含量的平均值分别为(1.08±0.01)、(1.08±0.07)、(1.01±0.09)和(1.09±0.04)g·kg-1(图 3)，与对照相比，正常施肥处理Fe2+含量减少了6.48%。Fe3+含量平均值分别为(8.04±0.08)、(6.80±0.15)、(8.37±0.19)和(7.82±0.22)g·kg-1，与对照相比，正常施肥处理土壤Fe3+含量提高了4.10%，减半和倍增施肥处理则分别减少了15.42%与2.73%。土壤总Fe含量平均值分别为(9.11±0.08)、(7.87±0.09)、(9.37±0.25)和(8.90±0.21)g·kg-1，减半和倍增施肥处理较对照分别减少了13.61%和2.30%，正常施肥处理土壤总Fe含量则提高了2.85%。
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图 3 施肥量对茉莉花园土壤不同铁形态和含量变化的影响Figure 3. Effect of varied amounts of fertilization on content of different forms of iron in soil at jasmine garden2.4 不同施肥处理碳排放与土壤铁形态的相关性分析
相关性分析显示(表 2)，对照、正常、倍增处理CO2排放与Fe3+和Fe含量呈极显著负相关(P < 0.01)，减半处理CO2排放与Fe3+和Fe含量呈显著负相关(P < 0.05)。各施肥处理CH4排放与Fe3+和Fe含量均无明显相关，但由表可知各相关性系数为负值，表明Fe3+和Fe含量的增加对CH4排放具有抑制作用。对照、正常、倍增处理施肥处理C排放与Fe3+和Fe含量呈极显著负相关关系(P < 0.01)，减半处理C排放与Fe3+和Fe含量呈显著负相关(P < 0.05)。
表 2 不同施肥处理的碳排放与土壤铁形态的相关性Table 2. Correlation between carbon emission from different fertilization treatments and forms of iron in soil铁形态 对照 减半 正常 倍增 综合 CO2 Fe -0.536** -0.413* -0.737** -0.502** -0.507** Fe2+ 0.097 0.211 -0.174 -0.269 -0.047 Fe3+ -0.531** -0.427* -0.743** -0.494** -0.511** CH4 Fe -0.127 -0.223 -0.141 0.034 -0.15 Fe2+ 0.162 0.276 -0.284 0.011 -0.035 Fe3+ -0.138 -0.248 -0.107 -0.034 -0.148 C排放 Fe -0.536** -0.413* -0.737** -0.502** -0.507** Fe2+ 0.097 0.211 -0.174 -0.269 -0.047 Fe3+ -0.531** -0.427* -0.743** -0.494** -0.511** 注：*表示在0.05水平(双侧)上显著相关；注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。表 3同。 2.5 不同施肥处理碳排放与土壤铁形态以及环境因素的相关性分析
相关性分析显示(表 3)，各施肥处理下CO2排放与土温均呈极显著正相关(P < 0.01)，在对照、倍增处理下CO2排放与电导率呈显著正相关(P < 0.05)，在对照、正常处理下CO2排放与含水率呈显著负相关(P < 0.05)，在减半情况下与pH呈极显著正相关(P < 0.01)。总体上CO2排放与土温和电导率呈极显著正相关(P < 0.01)，与含水率呈显著负相关(P < 0.05)。
表 3 不同施肥处理的碳排放与土壤铁形态以及环境因素的相关性Table 3. Correlation between carbon emission from different fertilization treatments and forms of iron or environmental factors处理 环境因子 CO2 CH4 C排放 Fe Fe2+ Fe3+ 对照 土温 0.617** 0.110 0.617** -0.668** -0.032 -0.649** 电导率 0.364* -0.156 0.364* -0.427* -0.044 -0.413* 含水率 -0.414* -0.087 -0.414* -0.054 0.427 0.015 pH 0.116 0.26 0.116 0.034 0.442** -0.006 减半 土温 0.621** 0.273 0.621** -0.777** -0.002 -0.761** 电导率 0.202 0.191 0.202 -0.267 0.117 -0.274 含水率 0.133 0.188 0.133 0.122 0.334 0.084 pH 0.495** 0.486** 0.495** -0.179 0.352 -0.213 正常 土温 0.778** 0.283 0.778** -0.823** -0.099 -0.842** 电导率 0.186 -0.012 0.186 -0.390* -0.054 -0.398* 含水率 -0.540** -0.462** -0.540** 0.217 0.175 0.201 pH -0.292 0.133 -0.292 0.418* -0.360* 0.483** 倍增 土温 0.671** 0.387* 0.671** -0.651** -0.145 -0.682** 电导率 0.425* 0.119 0.425* -0.495* -0.129 -0.154** 含水率 -0.215 -0.397* -0.215 -0.099 0.216 -0.151 pH -0.229 -0.19 -0.229 0.172 0.005 0.117 综合 土温 0.644** 0.133 0.644** -0.720** -0.081 -0.724** 电导率 0.257** 0.184* 0.257** -0.372* -0.039 -0.374** 含水率 -0.174* -0.07 -0.174* 0.054 0.231** 0.240 pH 0.151 -0.003 0.151 0.025 0.092 0.013 在倍增处理下，CH4排放与土温呈显著正相关(P < 0.05)，在正常处理下CH4排放与含水率呈极显著负相关(P < 0.01)，在减半处理下CH4排放与pH呈显著正相关(P < 0.05)。总体来说，CH4与电导率呈显著正相关。
各施肥处理下C排放与土温均呈极显著正相关(P < 0.01)，在对照、倍增处理下C排放与电导率呈显著正相关(P < 0.05)，在对照、正常处理下C排放与含水率呈显著负相关(P < 0.05)，在减半情况下与pH呈极显著正相关(P < 0.01)。总体上C排放与土温和电导率呈极显著正相关(P < 0.01)，与含水率呈显著负相关(P < 0.05)。
各施肥处理下Fe含量与土温均呈极显著负相关(P < 0.01)，在对照、正常、倍增处理下Fe含量与电导率呈显著负相关(P < 0.05)，在正常处理下与pH呈极显著正相关(P < 0.01)。总体来说Fe含量与土温呈极显著负相关(P < 0.01)，与电导率呈显著负相关(P < 0.05)。
对照样地Fe2+含量与pH呈极显著正相关(P < 0.01)，在正常施肥处理下Fe2+含量与pH呈显著负相关(P < 0.05)，总体来说Fe2+含量与含水率呈极显著正相关(P < 0.01)。
各施肥处理下Fe3+含量与土温均呈极显著负相关(P < 0.01)，在对照和减半施肥处理下Fe3+含量与电导率呈显著负相关(P < 0.05)，在正常施肥处理下Fe3+含量与pH呈极显著正相关(P < 0.01)。总体来说Fe3+含量与土温和电导率呈极显著负相关(P < 0.01)。
3. 讨论与结论
3.1 施肥量对碳排放的影响
从整体上来看，CO2排放通量在季节上表现为夏季(7月)排放量高，冬春季(1~3月份)排放量少，同时CO2排放量也随着茉莉的生长而升高，之前也有类似的研究结果[16]。主要是因为随着植物生长，茉莉生物量不断增加，相应的呼吸量也会增加，从而促进茉莉土壤CO2排放通量[17]。其次，7月是茉莉花的盛花期，茉莉是亚热带作物，对温度和光照十分敏感，7月份的充足水热条件促使茉莉旺盛的生长和开花，加剧植物的呼吸作用[12]。另外，不同处理CO2排放通量均与土温呈显著正相关，可见温度是影响CO2排放的主要气候因子[18]，主要是由于温度的升高，将提高植物自身的呼吸量；同时温度的升高还可提高土壤微生物的数量与活性，从而促进土壤微生物呼吸，植物体呼吸与土壤呼吸的同步升高[19]；同时，碳的矿化过程加速，使土壤有机碳的周转速度加快最终使得夏季土壤CO2排放通量不断增长[20]。在本研究中，与对照相比，减半及倍增施肥处理均一定程度上促进了茉莉园土壤平均CO2排放通量的提高，而正常施肥处理下CO2排放通量与对照相差无几，因此正常施肥可以最大限度降低CO2的排放。主要是因为施肥量的增加，一方面可以提高茉莉的代谢速率，促进其生长与生物量形成，从而使得相应的植物体呼吸量也将提高[21]；另一方面，施肥量增加后，使得碳与养分比值降低，较低的碳与养分比值，可以缓解微生物养分限制的现状，促进土壤微生物活性与数量的增加，从而相应的土壤呼吸量也逐渐增加[22]。
在本研究中CH4的排放通量在整个试验过程中均较低。这主要是因为，茉莉园为旱作农业[23]，长期处于干燥的好氧状态下，不利于厌氧环境的形成、产甲烷菌生长和CH4产生与排放，与此同时，在这种好氧土壤中，甲烷氧化菌得以快速生长与繁殖，从而提高了CH4氧化速率，使得最终CH4排放通量较低[13]。另外有研究表明Fe3+作为环境中的主要电子受体，可使产甲烷菌不能正常代谢生长，在土壤中加入Fe3+氧化物后，CH4的产生量可减少50%以上，因此土壤中存在的Fe3+与产甲烷菌竞争底物从而抑制CH4产生[24]。关于施肥量对于CH4排放的影响尚无确切的结论，有的研究表明，施肥可以促进CH4排放[25-26]、抑制CH4排放[27]和影响不显著。本研究中，施肥可抑制CH4排放，减半、正常、倍增施肥处理下的CH4排放通量均相对于对照有大幅度减少，特别是正常施肥处理下的CH4排放通量相对于对照减少了89.41%。表明施肥对茉莉园CH4排放具有明显抑制作用，并且说明CH4产生微生物对于养分的需求存在着一个最适施加量，过高或过低的施加量均不利于CH4的生成与排放。
3.2 不同施肥量对铁形态和含量的影响
本研究中，施肥量对于茉莉花园土壤的铁形态以及含量有明显的影响，这可能是因为施肥改变了土壤中的pH、Eh值、微生物数量与活性、有机质、含水量等环境因子所造成的，而这些变化都会影响铁的存在形态以及含量[28]。首先，铁化合物的溶解性受土壤pH影响，那么pH也就决定着铁还原反应的难易程度，土壤pH值低时，沉积铁的溶解度提高，易于还原；土壤pH值高时，铁的溶解度小，易于氧化[29]。本研究中正常施肥量处理有效提高了pH值，从而促进铁氧化，又因正常施肥处理下pH与Fe3+呈极显著正相关关系，所以Fe3+含量也增加。同时pH值还影响微生物群落的种类和数量，进而影响铁的氧化还原过程。其次，氧化还原电位Eh值也是影响铁循环的一个重要因素[28]。施肥后，植物生物量增加，特别是根系生长促进了土壤的通气性和氧气的释放量，从而提高土壤Eh值，土壤中的铁呈氧化状态，反之，Eh值较低，土壤呈还原状态。本研究中，施肥后促进茉莉花生长，土壤通气性良好，氧化还原电位较高，氧化作用明显，从而促进Fe2+向Fe3+氧化。微生物活动也是影响土壤铁形态的一个重要原因[30]。土壤中影响铁循环的主要微生物就是铁还原菌与亚铁氧化菌，铁还原菌能以胞外固态氧化铁为末端电子受体，通过氧化电子供体偶联Fe3+还原，并从这一过程中贮存生命活动的能量，即铁呼吸[31]。施加肥料可以向土壤中补充养分来源，可以促进铁循环微生物的生长，继而影响Fe3+变化。有机质也是影响铁转化的重要因素，施肥促进茉莉花生长的同时，也促进了茉莉通过根系碳沉积和凋落物输入的方式增加外源碳源输入，提高土壤有机质含量，土壤有机质为铁氧化菌提供了碳源，其增加促进铁氧化菌的生长[32]，在中性微氧环境中，微氧型亚铁氧化菌能将亚铁氧化为三价铁，同时将无机碳同化为有机物，并获得生长所需能量[33]。其次，有机质为土壤提供了大量电子来源，并且是一种很好的络合剂，加剧了土壤有机质与铁的络合，铁铝结合物随之增多[28]。目前，从已有研究成果来看，相关研究侧重于施肥年限对土壤铁形态含量变化，而本研究中则从最适合的肥料施加量的角度，探讨施肥与茉莉花园土壤中的有效铁含量的关系，为今后茉莉园的肥料管理提供参考依据。
3.3 不同施肥量对土壤铁碳耦合关系的影响
研究表明，各施肥处理CO2以及总碳排放与Fe3+和总Fe含量呈极显著负相关，主要是因为在亚热带红壤中广泛存在络合态氧化铁铝，这种络合态氧化铁铝一般是由铁铝离子与大量有机质结合形成的[34]，其含量常与土壤有机质的含量呈正相关[35]，并在土壤有机矿质复合体的形成过程中起着极为重要的作用。因而影响土壤有机质的组成、性质及其在土壤中的转化[36]。这种铁铝氧化物土壤中具有专性吸附作用、胶结作用和易随环境变化而改变其表面性质等特征，会吸附土壤中的碳，具有固碳作用，进而降低土壤碳活性，从而不利于碳排放[37]。此外，有研究表明土壤中存在光合型亚铁氧化微生物，可以驱动Fe2+氧化过程且耦合CO2 固定[38]，这也是对铁碳关系的一种新的诠释。本研究表明施肥量对茉莉园CO2、CH4排放的影响趋势并不一致，CO2和CH4排放对施肥量的响应有所差别，施肥促进了CO2排放，相对于减半和倍增来说，正常施肥CO2排放量最小，且最能抑制CH4排放；正常施肥提高总Fe以及Fe3+含量，减少Fe2+含量；碳排放以CO2为主，各施肥处理CO2以及总碳排放与Fe3+和总Fe含量呈极显著负相关。总之CO2排放主要受气温、含水率、电导率、和土温的影响；CH4排放主要受大气湿度、含水率、电导率、pH的调节作用；Fe主要受pH、土温、电导率影响；Fe2+主要受pH、含水率影响；Fe3+主要受土温、电导率影响。
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图 1 不同施肥量对茉莉花园土壤CO2排放通量的影响
Figure 1. Effect of varied amounts of fertilization on CO2 emission flux in soil at jasmine garden
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图 2 不同施肥量对茉莉花园土壤CH4排放通量的影响
Figure 2. Effect of varied amounts of fertilization on CH4 emission flux in soil at jasmine garden
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图 3 施肥量对茉莉花园土壤不同铁形态和含量变化的影响
Figure 3. Effect of varied amounts of fertilization on content of different forms of iron in soil at jasmine garden
表 1 茉莉花园CO2、CH4排放通量重复测量方差分析
Table 1 Analysis of variance of CO2 and CH4 emission fluxes at jasmine garden
指标 变量 df MS F P 处理 3 13362915.04 15.426 ＜0.01 CO2 时间 10 61461.247 0.061 0.979 处理×时间 30 2414386.151 0.929 0.577 处理 3 21969.063 3.749 0.06 CH4 时间 10 78609.01 6.272 ＜0.01 处理×时间 30 291590.569 7.755 ＜0.01 
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表 2 不同施肥处理的碳排放与土壤铁形态的相关性
Table 2 Correlation between carbon emission from different fertilization treatments and forms of iron in soil
铁形态 对照 减半 正常 倍增 综合 CO2 Fe -0.536** -0.413* -0.737** -0.502** -0.507** Fe2+ 0.097 0.211 -0.174 -0.269 -0.047 Fe3+ -0.531** -0.427* -0.743** -0.494** -0.511** CH4 Fe -0.127 -0.223 -0.141 0.034 -0.15 Fe2+ 0.162 0.276 -0.284 0.011 -0.035 Fe3+ -0.138 -0.248 -0.107 -0.034 -0.148 C排放 Fe -0.536** -0.413* -0.737** -0.502** -0.507** Fe2+ 0.097 0.211 -0.174 -0.269 -0.047 Fe3+ -0.531** -0.427* -0.743** -0.494** -0.511** 注：*表示在0.05水平(双侧)上显著相关；注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。表 3同。
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表 3 不同施肥处理的碳排放与土壤铁形态以及环境因素的相关性
Table 3 Correlation between carbon emission from different fertilization treatments and forms of iron or environmental factors
处理 环境因子 CO2 CH4 C排放 Fe Fe2+ Fe3+ 对照 土温 0.617** 0.110 0.617** -0.668** -0.032 -0.649** 电导率 0.364* -0.156 0.364* -0.427* -0.044 -0.413* 含水率 -0.414* -0.087 -0.414* -0.054 0.427 0.015 pH 0.116 0.26 0.116 0.034 0.442** -0.006 减半 土温 0.621** 0.273 0.621** -0.777** -0.002 -0.761** 电导率 0.202 0.191 0.202 -0.267 0.117 -0.274 含水率 0.133 0.188 0.133 0.122 0.334 0.084 pH 0.495** 0.486** 0.495** -0.179 0.352 -0.213 正常 土温 0.778** 0.283 0.778** -0.823** -0.099 -0.842** 电导率 0.186 -0.012 0.186 -0.390* -0.054 -0.398* 含水率 -0.540** -0.462** -0.540** 0.217 0.175 0.201 pH -0.292 0.133 -0.292 0.418* -0.360* 0.483** 倍增 土温 0.671** 0.387* 0.671** -0.651** -0.145 -0.682** 电导率 0.425* 0.119 0.425* -0.495* -0.129 -0.154** 含水率 -0.215 -0.397* -0.215 -0.099 0.216 -0.151 pH -0.229 -0.19 -0.229 0.172 0.005 0.117 综合 土温 0.644** 0.133 0.644** -0.720** -0.081 -0.724** 电导率 0.257** 0.184* 0.257** -0.372* -0.039 -0.374** 含水率 -0.174* -0.07 -0.174* 0.054 0.231** 0.240 pH 0.151 -0.003 0.151 0.025 0.092 0.013
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