模擬杉木凋落物源有機酸對南方紅壤磷的持續(xù)釋放效應(yīng)

莊 正, 李艷娟, 劉青青, 于洋洋, 劉 博, 劉愛琴(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院/國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002)

模擬杉木凋落物源有機酸對南方紅壤磷的持續(xù)釋放效應(yīng)

莊 正, 李艷娟, 劉青青, 于洋洋, 劉 博, 劉愛琴
(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院/國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002)

為模擬杉木凋落物源低分子有機酸對杉木林下土壤中磷的活化和持續(xù)釋放作用，采用化學(xué)浸提法，以外源有機酸(草酸、丙二酸、蘋果酸、檸檬酸及其混合酸)和南方紅壤為研究材料，設(shè)置不同濃度有機酸溶液處理，對南方紅壤進行一次性浸提和多次連續(xù)浸提.結(jié)果表明：在一次性浸提條件下，各類有機酸對土壤磷釋放量皆隨濃度的上升而上升；2 mmol·L-1濃度處理下各類有機酸對土壤磷釋放作用表現(xiàn)為混合酸>草酸≈檸檬酸>丙二酸>蘋果酸；4、8 mmol·L-1濃度處理下各類有機酸對土壤磷釋放作用表現(xiàn)為草酸≈混合酸>丙二酸≈檸檬酸>蘋果酸.通過6次連續(xù)浸提，各類有機酸在2 mmol·L-1濃度處理下對土壤磷的釋放量表現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢；8 mmol·L-1濃度處理對土壤磷的釋放量表現(xiàn)為持續(xù)下降的變化趨勢.不同種類和濃度的有機酸對土壤磷的釋放量與其pH呈負相關(guān)，與其離子活度呈正相關(guān).

杉木凋落物; 低分子有機酸; 磷; 持續(xù)釋放

Abstract: In order to investigate the effect of low molecular weight organic acid on the activation and sustained release of phosphorus from soil under Chinese fir plantation, different concentrations of exogenous organic acids, including oxalic acid, malonic acid, malic acid, citric acid and mixed acid, were chosen to extract phosphorus from red soil in Southern China by an one-time and multiple sequential extraction. The results showed that the amounts of phosphorus released increased with increasing concentrations for all kinds of organic acids under one-time extraction. When organic acids were at 2 mmol·L-1, the amount of phosphorus released was in a descending order of mixed acid>oxalic acid≈citric acid>malonic acid>malic acid. When organic acid were at 4 and 8 mmol·L-1, the amount of phosphorus released was in the descending order of oxalic acid≈mixed acid>malonicacid≈citric acid>malic acid. During 6 times of organic acid sequential extraction at 2 mmol·L-1, phosphorus released increased at first and then decreased. However, under 8 mmol·L-1sequential extraction, phosphorus released decreased continuously. Moreover, the amount of phosphorus released were negatively correlated with soil pH value and positively correlated with ionic activity.

Keywords: litter of Chinese fir; low molecular organic acid; phosphorus; sustained release

磷參與植物體內(nèi)許多重要化合物質(zhì)的組成和代謝過程，是植物生長所需的大量營養(yǎng)元素之一，在生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)中起到不可替代的作用[1].然而，土壤質(zhì)地、氣候條件等自然因素以及不當?shù)妮喿鞣绞?、生態(tài)破壞等人為因素，導(dǎo)致我國很多地區(qū)存在磷素匱乏，對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)林業(yè)發(fā)展造成嚴重阻礙[2].長久以來人們主要通過施肥的方式來提高地力，彌補磷素的不足，但大部分磷肥會以不同形態(tài)的磷酸鹽固定在土壤中，導(dǎo)致磷肥當季利用率很低[3-4].大量施用含磷肥料不僅不能從根本上解決缺磷問題，還會造成資源浪費和水體富營養(yǎng)化等問題[5]，如何解決缺磷問題已成為實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展必須解決的問題.

低分子有機酸是一類功能性有機物，普遍存在于植物體內(nèi)和地表凋落物層中.研究表明[4,6-10]，低分子有機酸能夠通過多種化學(xué)機制影響土壤中磷的有效性，而這些化學(xué)機制可在很大程度上促進土壤磷素釋放，尤其在根際微區(qū)中，較高濃度有機酸對增加有效養(yǎng)分供應(yīng)可能有更直接的意義[11,12].對于森林土壤而言，有機酸主要來源于凋落物的分解和淋溶過程[13]，因此林地凋落物對林下土壤有機酸供應(yīng)和磷素釋放具有重要的作用.有關(guān)有機酸對土壤磷釋放方面的研究較多，但以凋落物源有機酸為試驗材料的研究較少[14].研究[15]發(fā)現(xiàn)，杉木凋落物中含有大量有機酸，其中優(yōu)勢低分子有機酸包括草酸、丙二酸、蘋果酸和檸檬酸，這些有機酸可能會對土壤磷素釋放、根際微生物、杉木天然更新等諸多方面產(chǎn)生一定的影響.目前有關(guān)杉木凋落物源低分子有機酸對土壤磷釋放影響的研究尚未見報道.本試驗利用外源有機酸(草酸、丙二酸、蘋果酸、檸檬酸及其混合酸)對南方紅壤進行一次性浸提和多次連續(xù)浸提試驗，模擬杉木凋落物源低分子有機酸對杉木林下土壤中磷的持續(xù)釋放作用，并結(jié)合不同濃度有機酸溶液的pH和離子活度，揭示南方紅壤磷在杉木凋落物分解過程中的釋放行為，并探討其作用機制，對科學(xué)評價低分子有機酸在森林生態(tài)系統(tǒng)中的作用具有重要意義，為挖掘林地自身供磷潛力和促進杉木人工林的可持續(xù)發(fā)展提供參考.

1 材料與方法

1.1 樣地和土樣基本情況

土壤樣品采自福建省三明市莘口鎮(zhèn)的福建農(nóng)林大學(xué)莘口教學(xué)林場(26°09′ N，117°28′ E)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫19.1 ℃，年均降水量1 749 mm，土壤類型為粉砂巖上發(fā)育的山地紅壤，土層厚度在100 cm以上，代表性植被為15年生第2代杉木林.供試土壤為0～20 cm非根際土壤，基本理化性質(zhì)見表1.

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical property of tested soil

1.2 解磷試驗

在一次性浸提試驗中，杉木凋落物源優(yōu)勢低分子有機酸選取草酸、丙二酸、蘋果酸和檸檬酸，并根據(jù)杉木凋落物枝、葉、果中優(yōu)勢低分子有機酸的含量比例配制混合酸.根據(jù)土壤中有機酸含量[16]，設(shè)置0、2、4和8 mmol·L-14個處理濃度，每個處理3次重復(fù).稱取2.0 g風干土，以1∶10的土水比，加入20 mL有機酸溶液，加2滴百里酚以抑制微生物活動，恒溫(25±1) ℃下振蕩1 h；以5 000 r·min-1離心10 min，過濾后獲得浸提液.用磷鉬藍法[17]測定上清液中的總磷含量.不同濃度有機酸溶液pH和離子活度見表2.

在多次連續(xù)浸提試驗中，設(shè)置2和8 mmol·L-12個濃度處理，每次離心取得浸提液后，即用相同濃度的20 mL溶液將土樣洗入原振蕩瓶，進行下一輪浸提.對每輪浸提所得浸提液進行精確計量，計算殘留在土樣中的溶液體積.累計連續(xù)浸提6次.一次性浸提試驗中，土壤磷釋放量的計算公式為：

P=C×V/m

式中，P為磷釋放量，C為浸提液中的磷濃度，V為加入有溶液的體積，m為土樣質(zhì)量.

多次連續(xù)浸提試驗中，第2次浸提后磷釋放量的計算公式為：

式中，Pi為第i次的磷釋放量，Ci和Ci-1分別為第i次和上一次浸提液中磷的濃度，Vi和Vi-1分別為第i次加入和上一次殘留的溶液體積，m為土樣質(zhì)量[9].

磷釋放率的計算公式為：R/%=(P/T)×100

式中，R為土壤磷釋放率，P為磷釋放量，T為土壤全磷含量.

表2 不同濃度有機酸溶液對應(yīng)的pH和離子活度Table 2 pH value and ionic activity of organic acid solution under different concentrations

1.3 統(tǒng)計方法

有機酸溶液pH和離子活度使用Visual MINTEQ軟件計算.采用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差法(LSD)進行差異顯著性檢驗.使用Origin 8.5軟件繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 一次性浸提的解磷效果

一次性浸提條件下不同種類和濃度的有機酸對土壤磷的釋放量見圖1.同一有機酸處理對土壤磷的釋放量皆隨處理濃度的提高而增加，2、4和8 mmol·L-1濃度處理能有效促進土壤磷素的釋放，與對照(0 mmol·L-1)相比皆達極顯著差異.不同濃度草酸和混合酸處理對磷素釋放幅度最大，蘋果酸最小.在相同濃度處理下，不同種類有機酸的解磷效率有所差異，2 mmol·L-1濃度處理下各類有機酸對土壤磷釋放作用表現(xiàn)為混合酸>草酸≈檸檬酸>丙二酸>蘋果酸；8 mmol·L-1濃度處理下各類有機酸對土壤磷的釋放作用表現(xiàn)為草酸≈混合酸>丙二酸≈檸檬酸>蘋果酸.

由表2可知，不同種類和濃度的有機酸對土壤磷的釋放量與其pH值呈負相關(guān)，與其離子活度呈正相關(guān).隨著各類有機酸濃度的提高，其pH逐漸下降，H+和有機酸根離子活度逐漸增大，與之相應(yīng)的磷釋放量也逐漸增大，可見低pH和高離子活度更有利于磷素的溶解和釋放；不同種類有機酸對應(yīng)的pH和離子活度有所差異.與相同濃度下其它3類有機酸相比，草酸pH較低，離子活度較高，對應(yīng)的磷釋放量也較高.

2.2 多次連續(xù)浸提的解磷效果

由圖2～6可知：隨著浸提次數(shù)的增加，各類有機酸在2 mmol·L-1濃度下對土壤磷釋放量皆呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，且在第3次浸提時達到峰值.草酸在前3次浸提中，土壤磷釋放量上升幅度最大，蘋果酸最小；第3次浸提之后草酸和混合酸對土壤磷釋放量的下降幅度最大，蘋果酸最??；在8 mmol·L-1濃度下，各類有機酸在第1次浸提時土壤磷釋放量較高，但解磷效率隨著浸提次數(shù)的增加而下降，其中草酸和混合酸的下降幅度最大，蘋果酸最小.在前2次浸提中，各類有機酸在2 mmol·L-1濃度下，土壤磷的釋放量比8 mmol·L-1濃度下的少.隨著浸提次數(shù)的增加，草酸、丙二酸、檸檬酸和混合酸在2 mmol·L-1濃度下對土壤磷的釋放量逐漸超過8 mmol·L-1濃度；2 mmol·L-1濃度的蘋果酸對土壤磷的釋放量在6次浸提中皆少于8 mmol·L-1濃度處理.

2.3 多次連續(xù)浸提對磷累積釋放率的影響

由表1、3可知，連續(xù)6次浸提后，各類有機酸對土壤已釋放出較多的磷素，磷素累積釋放量已遠遠超過有效磷含量，可見杉木凋落物中低分子有機酸對南方紅壤中難溶性磷具有一定的活化作用；雖然在連續(xù)浸提試驗中2種處理濃度對土壤磷釋放量整體上呈現(xiàn)交互領(lǐng)先的規(guī)律(除蘋果酸)，但8 mmol·L-1濃度處理對磷的累積釋放率在同一有機酸處理下皆高于2 mmol·L-1濃度處理；在相同濃度處理下，草酸和混合酸對土壤磷的累積釋放率最高，丙二酸和檸檬酸次之，蘋果酸最低.

不同大寫字母表示同一有機酸不同濃度處理效果在P<0.01水平下達極顯著差異；不同小寫字母表示同一濃度不同有機酸處理效果在P<0.01水平下達極顯著差異.圖1 一次性浸提條件下不同種類和濃度有機酸對土壤磷的釋放量Fig.1 Phosphorus released from soils under different types and concentrations of organic acids in one-time extraction

不同大寫字母表示2 mmol·L-1濃度處理對土壤磷的釋放量在P<0.01水平下達極顯著差異；不同小寫字母表示8 mmol·L-1濃度處理對土壤磷的釋放量P<0.01水平下達極顯著差異.圖2 連續(xù)6次草酸浸提下的土壤磷釋放量 Fig.2 Phosphorus released from soils by 6 times of oxalic acid sequential extraction

不同大寫字母表示2 mmol·L-1濃度處理對土壤磷的釋放量在P<0.01水平下達極顯著差異；不同小寫字母表示8 mmol·L-1濃度處理對土壤磷的釋放量P<0.01水平下達極顯著差異.圖3 連續(xù)6次丙二酸浸提下的土壤磷釋放量 Fig.3 Phosphorus released from soils by 6 times of malonic acid sequential extraction

不同大寫字母表示2 mmol·L-1濃度處理對土壤磷的釋放量在P<0.01水平下達極顯著差異；不同小寫字母表示8 mmol·L-1濃度處理對土壤磷的釋放量P<0.01水平下達極顯著差異.圖4 連續(xù)6次蘋果酸浸提下的土壤磷釋放量Fig.4 Phosphorus released from soils by 6 times of malic acid sequential extraction

不同大寫字母表示2 mmol·L-1濃度處理對土壤磷的釋放量在P<0.01水平下達極顯著差異；不同小寫字母表示8 mmol·L-1濃度處理對土壤磷的釋放量P<0.01水平下達極顯著差異.圖5 連續(xù)6次檸檬酸浸提下的土壤磷釋放量Fig.5 Phosphorus released from soils by 6 times of citric acid sequentialextraction

不同大寫字母表示2 mmol·L-1濃度處理對土壤磷的釋放量在P<0.01水平下達極顯著差異；不同小寫字母表示8 mmol·L-1濃度處理對土壤磷的釋放量P<0.01水平下達極顯著差異.圖6 連續(xù)6次混合酸浸提下的土壤磷釋放量Fig.6 Phosphorus released from soils by 6 times of mixed acid sequential extraction

表3 多次連續(xù)浸提對磷累積釋放率的影響Table 3 Effect of multiple sequential extraction on phosphorus accumulated release rate

3 小結(jié)與討論

本研究結(jié)果表明，不同種類和濃度的低分子有機酸對土壤磷釋放的作用有所差異.在同一有機酸處理下，土壤磷釋放量隨處理濃度的上升而增大.這與不同濃度有機酸的pH和離子活度相關(guān)，不同濃度有機酸對土壤磷釋放量與pH呈負相關(guān)，與離子活度呈正相關(guān).研究[18,19]也表明：有機酸電離的H+和有機陰離子能促進土壤中磷素的釋放，有機陰離子能與Fe3+、Al3+等形成穩(wěn)定配合物，其在礦物上的吸附會減少磷吸附點，從而促進磷素釋放；不同濃度有機酸的pH和離子活度與溶解作用以及交換吸附和配位吸附等作用密切相關(guān).

本研究結(jié)果表明，不同種類有機酸的解磷效率不同，草酸處理對土壤磷釋放量最大，蘋果酸最低.胡紅清等[10]認為有機酸影響土壤吸附磷的作用首先取決于有機酸的類型，不同有機陰離子對土壤吸附磷的抑制能力有所不同；劉麗等[20]比較不同濃度檸檬酸和蘋果酸對土壤磷活化的影響，發(fā)現(xiàn)檸檬酸對土壤磷的活化能力高于蘋果酸，但認為造成這種現(xiàn)象的原因可能是不同種類有機酸的功能基數(shù)目及螯合能力不同造成的；Earl et al[21]則認為，不同有機酸的作用機制不同，檸檬酸的作用機制是減少磷素的吸附點位，酒石酸則通過溶解與競爭搶占吸附點位.本研究結(jié)果表明，各類低分子有機酸能有效促進土壤難溶性磷的釋放，其對土壤磷的釋放量皆隨處理濃度的提高而增大.在2 mmol·L-1濃度下混合酸的解磷效率最佳，在4和8 mmol·L-1濃度下草酸和混合酸的解磷效率較高，蘋果酸的解磷效率在系列濃度處理下皆低于其他種類有機酸.低分子有機酸對土壤磷的釋放量具有一定的累加性，多次連續(xù)浸提條件下各類低分子有機酸在2 mmol·L-1濃度處理下對土壤磷的釋放量呈現(xiàn)先上升后下降的變化規(guī)律，在8 mmol·L-1濃度處理則表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢.不同種類和濃度的低分子有機酸對土壤磷的釋放作用與其pH呈負相關(guān)，與其離子活度呈正相關(guān).經(jīng)過多次連續(xù)浸提，土壤磷素仍有持續(xù)釋放的趨勢，6次浸提累積的磷釋放量較大，遠超過有效磷含量，可見杉木凋落物源低分子有機酸對林下土壤中難溶性磷具有一定的釋放作用.崔曉陽等[9]研究表明，這種累加效應(yīng)意味著在自然環(huán)境中連續(xù)降雨會將凋落物中的有機酸源源不斷地淋溶到土壤中，所以對磷的釋放作用是累加的，會對林木生長產(chǎn)生顯著影響.

2種濃度處理在連續(xù)多次浸提條件下對土壤磷的釋放規(guī)律表現(xiàn)為：隨著浸提次數(shù)的增加，2 mmol·L-1濃度處理對磷的釋放量呈先上升后下降的趨勢，8 mmol·L-1濃度下磷的釋放量呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢.在同一有機酸處理下，由于8 mmol·L-1濃度有機酸的pH比2 mmol·L-1濃度有機酸更低，且離子活度更高，所以其在初次浸提中的解磷效率遠遠高于后者；但是隨著浸提次數(shù)的增加，其解磷效率大大下降.這與馮晨等[22]研究結(jié)果相似.2 mmol·L-1濃度處理土壤磷的初次釋放量較低；隨著浸提次數(shù)的增加，其解磷效率呈先上升后下降的趨勢.這可能是低濃度低分子有機酸對土壤磷素的釋放存在滯后現(xiàn)象造成的[23].

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(責任編輯:葉濟蓉)

Sustainedreleaseofphosphorusbyorganicacidextractionfromlitter-derivedredsoilfromChinesefirplantationinSouthernChina

ZHUANG Zheng, LI Yanjuan, LIU Qingqing, YU Yangyang, LIU Bo, LIU Aiqin
(College of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University/State Forestry Administration Engineering Research Center of Chinese Fir, Fuzhou, Fujian 350002, China)

S158.3

A

1671-5470(2017)05-0569-07

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.05.015

2016-12-07

2017-03-19

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0600301)；國家自然科學(xué)基金資助項目(30970451)；福建農(nóng)林大學(xué)科技發(fā)展基金項目(KF2015035).

莊正(1992-)，男，碩士研究生.研究方向：森林資源與環(huán)境.通訊作者劉愛琴(1966-)，女，研究員.研究方向：森林土壤研究.Email：fjlaq@126.com.