外源低分子有機酸對南方紅壤磷、鐵、鋁釋放及相互關(guān)系的影響

莊正+王俊男+劉志剛+于洋洋+李艷娟+劉愛琴

摘要：為探究杉木凋落物源低分子有機酸對南方紅壤磷的釋放作用及作用機制，以南方紅壤為研究對象，采用化學(xué)浸提法比較4種低分子有機酸（草酸、丙二酸、蘋果酸、檸檬酸）及4種酸的混合對南方紅壤磷、鐵、鋁釋放量的影響。研究結(jié)果表明，與對照相比，5類有機酸在不同濃度處理下皆能有效促進土壤磷、鐵、鋁的釋放，釋放量表現(xiàn)出隨處理濃度上升而增加的趨勢，且各有機酸處理對磷、鐵、鋁的釋放作用總體依次表現(xiàn)為草酸≈混合酸>丙二酸≈檸檬酸>蘋果酸；低分子有機酸pH值和離子活度影響土壤磷、鐵、鋁的釋放，磷的釋放量與鐵、鋁的釋放量之間呈顯著正相關(guān)。由研究結(jié)果可知，杉木凋落物源低分子有機酸能有效促進土壤磷釋放，且釋放作用和有機酸pH值、離子活度以及鐵、鋁的釋放密切相關(guān)，其生態(tài)功能對于杉木森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)具有促進作用。

關(guān)鍵詞：杉木凋落物；低分子有機酸；磷釋放；離子活度

中圖分類號： S181文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0277-04

收稿日期：2017-02-24

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：30970451）；國家重點研發(fā)計劃（編號：2016YFD0600300）；福建農(nóng)林大學(xué)科技發(fā)展基金（編號：KF2015035）。

作者簡介：莊正（1992—），男，安徽滁州人，碩士研究生，從事森林資源與環(huán)境的研究。E-mail： 345556134@qq.com。

通信作者：劉愛琴，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事森林土壤的研究。E-mail：fjlaq@126.com。有機酸是普遍存在于森林系統(tǒng)中的含有羧基的一類功能性有機物，主要包括脂肪族和芳香族2大類，常見于森林土壤和凋落物中，主要來源于有機殘體分解、植物根系分泌和微生物代謝，森林土壤有機酸主要來源于凋落物的分解和淋溶過程[1-2]。低分子有機酸是含有1～3個羧基的弱酸，在土壤溶液可溶性有機碳中所占比例很低[3]，但由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)和荷電特性，對土壤的形成與演變、酸性土壤鋁毒緩解及重金屬活性等多種土壤過程產(chǎn)生重要影響[4]，因此，低分子有機酸在自然生態(tài)系統(tǒng)中具有不可取代的地位。20世紀(jì)50年初，國外開始對有機酸的相關(guān)領(lǐng)域進行探索，多年來，國內(nèi)外學(xué)者在有機酸的來源、組成、功能和現(xiàn)狀等方面展開了大量研究，并取得了大量的研究成果[5]。受多種作用機制的影響，磷酸根在土壤溶液中的比例很低，一般情況下磷肥的生物利用率只有10%～20%，大部分的磷以磷酸鹽的形式固定在土壤中[6]。研究表明，低分子有機酸可以促進土壤中難溶性磷的活化，從而提高土壤磷的有效性，在低分子有機酸對土壤磷解吸的過程中，往往伴隨著鐵、鋁等金屬元素的釋放，二者在釋放規(guī)律和作用機制上有著密不可分的聯(lián)系[7-8]。

杉木是我國南方普遍種植的經(jīng)濟用材樹種，具有生長快、材質(zhì)好、經(jīng)濟價值高等眾多優(yōu)點，但是由于杉木人工林多代連載以及磷素易被土壤吸附固定等原因，杉木人工林已經(jīng)出現(xiàn)養(yǎng)分供應(yīng)不足的問題，嚴(yán)重阻礙杉木人工林的可持續(xù)發(fā)展[9]。筆者所在課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，杉木凋落物中含有多種低分子有機酸，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[10]，這些源自杉木凋落物的有機酸可能會對林下土壤磷的有效性、土壤酶活性、微生物種類和數(shù)量乃至整個杉木森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響。由于自然環(huán)境中有機酸的多樣性和復(fù)雜性，所以其生態(tài)功能往往是在多種有機酸的共同作用下完成的，而不是單一一種有機酸的作用，目前，關(guān)于有機酸解磷方面的報道雖多，但大多數(shù)是以單酸的形式進行研究，而對混合有機酸的研究比較缺乏，特別是關(guān)于杉木凋落物源有機酸對土壤磷釋放作用的研究尚未見報道。此外，關(guān)于有機酸對土壤磷釋放的作用機制，前人大多是從配位基交換反應(yīng)、溶解作用以及螯合作用進行解釋，有待補充和完善。鑒于此，以南方紅壤和外源有機酸為研究材料，并根據(jù)杉木凋落物源低分子有機酸的含量比例配制混合酸，進行室內(nèi)模擬試驗，探索低分子有機酸對土壤磷的釋放作用以及與鐵、鋁釋放量之間的關(guān)系，并結(jié)合有機酸離子活度研究其作用機制，為科學(xué)評價杉木凋落物源低分子有機酸在杉木森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中的作用提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1樣地和土樣基本情況

采樣地點為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（地理位置26°09′ N，117°28′ E），屬于亞熱帶季風(fēng)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，供試土壤基本理化性質(zhì)有機質(zhì)含量（24.91±3.52） g/kg，全磷含量（0.32±0.12） g/kg，有效磷含量（8.10±1.53） mg/kg，游離結(jié)晶態(tài)鐵含量（9.85±0.51） g/kg，游離結(jié)晶態(tài)鋁含量（4.78±0.42） g/kg，全氮含量（1.83±0.20） g/kg，全鉀含量（26.83±2.51） g/kg，pH值4.05±0.42。于2016年11月將土樣取回并進行室內(nèi)試驗。

1.2試驗方法

根據(jù)劉露奇的研究，發(fā)現(xiàn)杉木凋落物源優(yōu)勢低分子有機酸[10]，選取外源有機酸即草酸、丙二酸、蘋果酸和檸檬酸為研究材料，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（草酸 ∶丙二酸 ∶蘋果酸 ∶檸檬酸=2 511.90 ∶171 ∶6.46 ∶1）配制混合酸。依據(jù)土壤中有機酸含量，設(shè)置1、2、4、8 mmol/L 4個濃度梯度，以純水為對照，每個處理3次重復(fù)。不同濃度有機酸對應(yīng)的pH值和離子活度見表1。

土樣自然風(fēng)干后過2 mm篩，稱取2.0 g風(fēng)干土，以 10 ∶1 的水土比（單位mL ∶g），加入20 mL有機酸溶液，加入2滴百里酚以抑制微生物活動，通過恒溫（25±1）℃振蕩浸提法[11]制取浸提液，以鉬藍(lán)法[12]測得浸提液中總磷含量，用原子吸收分光光度計測定浸提液中鐵、鋁含量。1.3數(shù)據(jù)計算和分析endprint

土壤磷/鐵/鋁釋放量計算公式如下：

A=C×V/m。

式中：A為磷/鐵/鋁釋放量（mg/kg）；C為浸提液中磷/鐵/鋁濃度（mg/L）；V為加入的溶液體積（mL）；m為土樣質(zhì)量（g）。

土壤磷釋放率計算公式如下：

R=P/T×100%。

式中：R為土壤磷釋放率（%）；P為有機酸溶液浸提出土壤中的磷量（mg/kg）；T為土壤全磷含量（mg/kg）。

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和最小顯著差法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低分子有機酸對土壤磷釋放的影響

從圖1可以看出，不同有機酸在不同濃度處理下對土壤磷釋放均有促進作用，且土壤磷的釋放量均隨處理濃度上升而提高，濃度效應(yīng)顯著。有機酸濃度從1 mmol/L到 8 mmol/L，草酸和混合酸對土壤磷釋放量的上升幅度均超過1 100%，遠(yuǎn)高于丙二酸、蘋果酸和檸檬酸，可見隨著濃度的增加，丙二酸、蘋果酸和檸檬酸對土壤磷的釋放效率遠(yuǎn)不及草酸和混合酸。在相同濃度處理下，不同種類有機酸對土壤磷的釋放作用有所差異，在1 mmol/L濃度處理下，檸檬酸的解磷效果顯著高于其他4類有機酸；2 mmol/L濃度下釋放效果最佳的是混合酸；4、8 mmol/L濃度下解磷效果較好的是草酸/混合酸；蘋果酸對土壤磷的釋放量在4種系列濃度下均低于

其他4類有機酸。

從表2可以看出，低分子有機酸對土壤難溶性磷具有一定的釋放作用。隨著處理濃度的上升，低分子有機酸對土壤磷的釋放率不斷提高，在8 mmol/L濃度時各有機酸對土壤磷的釋放量皆超過有效磷含量（“1.1”節(jié)）。在1～8 mmol/L系列濃度處理下，對土壤磷釋放率最高的分別為檸檬酸、混合酸、草酸、混合酸，蘋果酸在不同濃度處理下對土壤磷的釋放率最低，上升幅度最小。

2.2低分子有機酸對土壤鐵釋放的影響

從圖2可以看出，不同濃度的低分子有機酸皆能促進土壤鐵釋放，與對照相比均差異顯著，且土壤鐵釋放量隨處理濃度上升而提高。草酸、混合酸對土壤鐵的釋放量在8 mmol/L濃度時比分別1 mmol/L濃度時提高187.43%、148.8%，丙二

表2杉木凋落物源低分子有機酸對土壤磷釋放率的影響%

有機酸種類不同有機酸濃度下土壤磷釋放率（%）1 mmol/L2 mmol/L4 mmol/L8 mmol/L草酸1.062.396.1215.52丙二酸0.791.663.60 5.04蘋果酸0.771.091.782.63檸檬酸1.882.723.725.21混合酸1.093.826.0519.52

酸、蘋果酸、檸檬酸相對增幅較小，增幅分別為36.74%、4924%、60.46%，可見隨著處理濃度上升，草酸和混合酸對土壤鐵的釋放效率高于丙二酸、蘋果酸和檸檬酸。在不同濃度處理下，草酸和混合酸對土壤鐵的釋放量較高。蘋果酸在不同濃度處理下對土壤鐵的釋放量均低于其他種類有機酸。

2.3低分子有機酸對土壤鋁釋放的影響

從圖3可以看出，與對照比較，不同濃度有機酸均能有效提高土壤鋁的釋放量，且釋放量隨濃度上升而提高。丙二酸、蘋果酸、檸檬酸的濃度效應(yīng)較草酸、混合酸更為明顯，不同濃度處理間對土壤鋁的釋放量與對照差異顯著。在相同濃度處理下，5類有機酸的解鋁效率有所不同：在1、2 mmol/L濃度處理下，檸檬酸對土壤鋁的釋放作用較強，當(dāng)處理濃度上升至4、8 mmol/L時，草酸、混合酸對土壤鋁的釋放作用顯著增強。蘋果酸對土壤鋁的釋放量在不同濃度處理中均為最低值，且與其他4類有機酸相比差異顯著。

2.4低分子有機酸對土壤磷釋放量與鐵、鋁釋放量之間的關(guān)系

不同種類低分子有機酸在不同濃度處理下對土壤磷、鐵、鋁的釋放量分析結(jié)果見圖4，由散點整體分布可知，隨著低分子有機酸對土壤磷釋放量的增加，鐵、鋁釋放量也隨之增加，土壤鐵鋁的釋放規(guī)律與磷釋放規(guī)律整體相似。土壤磷釋放量與鐵、鋁釋放量之間r2分別達(dá)0.86、0.90，表明低分子有機酸對土壤磷釋放量和鐵、鋁釋放量之間呈顯著正相關(guān)。

3結(jié)論與討論

在電解質(zhì)溶液中，離子間的相互作用使得離子不能完全發(fā)揮其作用，離子活度是指離子實際發(fā)揮作用的有效濃度[13]。在本試驗中，隨著低分子有機酸濃度的上升，其離子活度也隨之上升，這與低分子有機酸對土壤磷釋放規(guī)律相吻合，即低分子有機酸對土壤磷釋放量隨著濃度上升而提高。由于離子活度與濃度之間存在定量的關(guān)系[13]，所以當(dāng)?shù)头肿佑袡C酸濃度上升時，有機酸電離的有機陰離子在電解質(zhì)溶液中參與電化學(xué)反應(yīng)的有效濃度也會增加。由此可以推斷，當(dāng)有機陰離子和鐵鋁氧化物表面吸附的磷進行配位體置換作用時，或者與磷酸根競爭吸附點位時，以及在與金屬離子螯合過程中，離子活度的增加會提高有機陰離子的有效性，從而進一步促進土壤磷的釋放。崔曉陽等在草酸/草酸鹽對森林暗棕壤磷釋放的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著草酸/草酸鹽濃度的增加，其離子活度和對土壤磷釋放量也隨之增加，并通過相關(guān)分析得出，土壤磷釋放量主要由草酸陰離子累積荷載量決定[14]。本研究結(jié)果顯示，相同濃度不同有機酸處理對土壤磷釋放量有所不同，這也很可能與不同有機酸離子活度差異密切相關(guān)，例如高濃度草酸對土壤磷的釋放量高于其他3類有機酸，這與草酸較高的離子活度相一致。但是，由于土壤環(huán)境的復(fù)雜性和解磷機制的多樣性，造成有機酸解磷效果差異的因素有很多，包括有機酸基團形式、土壤類型等多種因素，胡紅青等認(rèn)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[5]；不同有機陰離子對土壤吸附磷的抑制能力有所不同，例如檸檬酸與陽離子的反應(yīng)是極快的，它能在Ca-P含量很高的土壤中移動磷素[15]；Earl等研究發(fā)現(xiàn)，檸檬酸的作用機制主要是減少磷素的吸附點位，酒石酸則通過溶解與競爭的方式搶占吸附點位[16]。endprint

有機酸電離的H+也影響著土壤磷、鐵、鋁的釋放。Jones等認(rèn)為，在有機酸釋放土壤磷的過程中，H+的貢獻(xiàn)占25%～40%，有機酸通過降低土壤pH值，從而促進難溶性磷化合物的溶解[15]。研究發(fā)現(xiàn)，不同有機酸pH值隨濃度上升而下降，與土壤磷釋放量呈負(fù)相關(guān)，可見低pH值環(huán)境更有利于土壤磷釋放，這與陸文龍等的研究結(jié)果[17]相似，但他認(rèn)為，在石灰性土壤上對土壤磷釋放起作用的僅是有機酸陰離子，而在紅壤上則是有機酸陰離子和H+的共同作用，可見H+在不同土壤類型上對土壤磷釋放的作用有所差異。在本研究中，有機酸pH值的降低也會促進土壤鐵、鋁釋放量的增加，可見H+與金屬元素的釋放密切相關(guān)。Traina等證明，有機酸活化土壤磷的主要機制是通過溶解土壤中的鐵、鋁等金屬氧化物，從而減少磷的吸附點位，使磷釋放出來[18]。劉麗等在低分子有機酸對土壤磷活化的研究中也發(fā)現(xiàn)，有機酸對土壤磷的釋放量和鐵、鋁釋放量之間呈顯著正相關(guān)[8]。研究發(fā)現(xiàn)，相同濃度不同種類有機酸處理對土壤鐵、鋁的釋放作用不同，從離子活度的角度分析這可能是由于不同有機酸的離子活度差異造成的。陸文龍等認(rèn)為，不同有機酸與鐵、鋁等金屬配合的穩(wěn)定常數(shù)的不同也會造成對土壤金屬元素釋放的差異，即配合物穩(wěn)定常數(shù)高的有機酸更有利于促進土壤金屬元素的釋放[17]。也有學(xué)者從動力學(xué)角度進行研究，認(rèn)為在氧化鐵含量較高的磚紅壤中，草酸、檸檬酸等低分子有機酸主要以專性吸附的方式增加土壤表面負(fù)電荷，從而增加土壤交換態(tài)鋁含量[19]。

根據(jù)配位化學(xué)原理，有機陰離子易與Fe3+、Al3+等形成穩(wěn)定配合物[20]，由此可以推斷，有機陰離子與鐵鋁氧化物表面吸附態(tài)磷的配位基交換反應(yīng)、對鐵鋁氧化物表面的絡(luò)合作用以及直接對鐵、鋁、鈣、磷酸鹽的絡(luò)合作用都會促進土壤鐵、鋁等金屬元素的釋放，而這一過程也會伴隨著土壤磷的釋放[14]，二者有著密切的關(guān)聯(lián)，這與本試驗結(jié)果一致。Gardner等曾提出磷-金屬（Fe、Al）-有機酸三元復(fù)合體這一概念，他認(rèn)為植物根系分泌的有機酸可與土壤中的鐵（鋁）磷形成三元復(fù)合體并以此形式分布在根表[21]，這既釋放了被金屬固定的磷，又增加了磷在土壤中的移動性，磷-金屬（Fe、Al）-有機酸三元復(fù)合體解磷機制雖然仍是假說，但這也從側(cè)面反映磷-金屬-有機酸在土壤中密不可分的關(guān)系。

綜上可知，低分子有機酸對土壤磷、鐵、鋁的釋放有明顯的促進作用，且釋放量隨處理濃度上升而增加；綜合低分子有機酸對土壤磷、鐵、鋁的釋放量來看，草酸和混合酸對其釋放量影響最大，丙二酸和檸檬酸次之，蘋果酸最低；有機酸pH值和離子活度影響土壤磷、鐵、鋁的釋放，磷釋放量與鐵、鋁釋放量之間呈顯著正相關(guān)。

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