茶多酚和銅對(duì)可變電荷土壤鈣鎂釋放的影響①

朱小芳，唐昊冶，錢 薇，龔 華，徐仁扣，俞元春，王如海*，王 平*

茶多酚和銅對(duì)可變電荷土壤鈣鎂釋放的影響①

朱小芳1,3，唐昊冶2，錢 薇2，龔 華2，徐仁扣2，俞元春1，王如海2*，王 平1*

(1 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，南京 210037；2 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；3南京市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，南京 210028)

通過批平衡試驗(yàn)，研究茶多酚、銅和體系pH對(duì)可變電荷土壤釋放鈣鎂離子的影響。研究發(fā)現(xiàn)，銅離子初始濃度為2.0 mmol/L，最終體系pH為5.0時(shí)，隨著茶多酚添加量的增加，可變電荷土壤表面的負(fù)電荷增加，土壤表面釋放的鈣鎂離子量減少。茶多酚初始添加量為20 g/kg，最終體系pH為5.0時(shí)，隨著銅離子初始濃度的升高，可變電荷土壤對(duì)銅離子的吸附量增加，銅離子通過與鈣鎂離子發(fā)生離子交換，形成對(duì)吸附位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)，從而增加鈣鎂離子的釋放。茶多酚初始添加量為20 g/kg，銅離子濃度為2.0 mmol/L，隨著pH的升高，可變電荷土壤鈣鎂離子釋放量下降。在相同pH條件下，茶多酚可以通過自身的吸附增加可變電荷土壤表面負(fù)電荷，減少可變電荷土壤鈣鎂離子的釋放量。研究結(jié)果可為茶園土壤酸化和污染控制提供參考。

可變電荷土壤；茶多酚；鈣鎂離子釋放；磚紅壤；紅壤

茶樹一般生長(zhǎng)在熱帶、亞熱帶地區(qū)，該地區(qū)土壤多為可變電荷土壤[1]。在茶園生態(tài)系統(tǒng)中，茶樹落葉等凋謝物歸還到土壤中的量每年每公頃達(dá)到3 ~ 5 t[2]。茶多酚在茶葉中含量達(dá)到180 ~ 360 g/kg，是茶園土壤中多酚物質(zhì)的主要來源[3]。

可變電荷土壤表面電荷的數(shù)量和性質(zhì)隨著介質(zhì)pH的變化而改變[4]。這類土壤既可以吸附陽離子也可以吸附陰離子[5-7]，而且對(duì)某些離子具有一定程度的專性吸附[8]?？勺冸姾赏寥篮罅康挠坞x鐵鋁氧化物，是該類土壤對(duì)低分子量有機(jī)酸等有機(jī)化合物發(fā)生專性吸附的主要原因[9]。可變電荷土壤對(duì)低分子量有機(jī)酸的專性吸附可以降低其表面正電荷，增加負(fù)電荷[10]。

可變電荷土壤通常具有低的陽離子交換量和低的pH，重金屬離子在這類土壤中具有高的移動(dòng)性，導(dǎo)致高的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[11]。含有羧基、羥基等官能團(tuán)的大分子有機(jī)化合物與低分子量有機(jī)酸具有類似的表現(xiàn)[12]。研究發(fā)現(xiàn)，茶多酚可以與銅在可變電荷土壤表面發(fā)生協(xié)同吸附，增加土壤對(duì)銅離子的吸附量，從而降低這類有毒金屬的活性。在自然條件下，土壤中的礦質(zhì)離子(如：鈣、鎂等)發(fā)生淋溶作用，從而使得土壤表面發(fā)生酸化[13]。茶多酚對(duì)土壤中鈣鎂溶解和釋放的影響已經(jīng)有所報(bào)道[14-15]，但是對(duì)于銅污染的茶園土壤，茶多酚和銅離子共存對(duì)可變電荷土壤表面鈣鎂離子釋放的影響尚未有報(bào)道。本文通過模擬試驗(yàn)，研究茶多酚、銅離子和體系pH對(duì)可變電荷土壤表面鈣鎂離子釋放的影響，探究茶多酚對(duì)可變電荷土壤表面鈣鎂離子的作用機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試的兩種可變電荷土壤分別為：采自廣東徐聞(20°20′ N，110°10′ E) 的磚紅壤和采自湖南長(zhǎng)沙 (28°11′ N，112°59′ E)的紅壤。采集20 ~ 60 cm的底層土壤，風(fēng)干后過60目篩，備用。土壤基本性質(zhì)見表1。土壤基本性質(zhì)的測(cè)定參考土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[16]。有機(jī)質(zhì)(OM) 含量測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法；陽離子交換量(CEC) 測(cè)定采用醋酸銨交換–蒸餾滴定法；游離鐵鋁氧化物(FeDCB、AlDCB) 含量采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-碳酸氫鈉(DCB)提取，電感耦合等離子體光譜儀(ICP, PerkinElmer Optima 8000，America)測(cè)定；交換性鈣(CaExc)和交換性鎂(MgExc) 含量采用乙酸銨提取ICP測(cè)定。由表1可知，磚紅壤的游離氧化鐵含量遠(yuǎn)高于紅壤，因此具有更多的可變電荷；磚紅壤的交換性鈣鎂含量均遠(yuǎn)高于紅壤。

表1 供試可變電荷土壤的化學(xué)性質(zhì)

供試茶多酚(Cas：84650-60-2)的分子式為C17H19N3O，分子量為281.36。供試硝酸鈉、硝酸銅均為分析純，購自國(guó)藥集團(tuán)。

1.2 平衡試驗(yàn)

稱取過60目篩的土壤樣品1.000 g于離心管中(所有試驗(yàn)做重復(fù)2次)；向離心管中加入2.5 mol/L硝酸鈉溶液10 ml和一定量的茶多酚溶液或者去離子水10 ml，在25.0 ℃的水浴搖床上振蕩2 h；加入一定濃度的硝酸銅溶液5.0 ml后，繼續(xù)振蕩6.0 h，其間多次調(diào)節(jié)pH至目標(biāo)值；靜置過夜后離心，上清液通過0.45 μm濾膜，使用ICP測(cè)定鈣鎂離子的濃度，鈣鎂離子的釋放量按照公式(1)計(jì)算。

= (×25) /(1)

式中：為釋放的鈣鎂離子濃度(mmol/L)；為土壤的質(zhì)量(g)，為鈣鎂離子的釋放量(mmol/kg)。

在茶多酚添加量影響試驗(yàn)中，茶多酚初始添加量分別設(shè)置為10、20、30、40、50 g/kg，銅離子濃度固定為2.0 mmol/L，最終體系pH調(diào)節(jié)為5.0；在銅離子初始濃度的影響試驗(yàn)中，茶多酚初始添加量固定為20 g/kg，銅離子濃度分別設(shè)置為0.2、0.4、1.0、1.6、2.0、3.0 mmol/L，最終體系pH調(diào)節(jié)為5.0；在pH影響試驗(yàn)中，茶多酚初始添加量固定為20 g/kg，銅離子濃度固定為2.0 mmol/L，調(diào)節(jié)最終體系pH分別為3.5 ~ 6.0。

1.3 可變電荷土壤膠體Zeta電位測(cè)定

提取可變電荷土壤膠體，步驟包括將風(fēng)干的土壤經(jīng)過去除有機(jī)質(zhì)后分散為土壤懸液，然后根據(jù)Stoke’s定律分離得到小于2 μm的土壤黏粒[16]。稱取25 mg 可變電荷土壤膠體于250 ml塑料瓶中，加入1.0 mmol/L硝酸鈉溶液200 ml，其中含有或不含2 mg茶多酚；超聲30 min，搖勻后均分到6個(gè)塑料瓶中，分別調(diào)節(jié)pH為3.5 ~ 6.0，平衡48 h[17]；使用Zetaplus 90型微電泳儀測(cè)定(Brookhaven, Holtsville, NY, USA)膠體的Zeta電位，同時(shí)測(cè)定懸液pH。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 茶多酚添加量對(duì)鈣鎂離子釋放的影響

固定銅初始濃度和體系pH，研究茶多酚的添加量對(duì)鈣鎂離子釋放的影響發(fā)現(xiàn)，在體系pH為5.0時(shí)，隨著茶多酚添加量的增加，從可變電荷土壤中釋放的鈣鎂離子量都有所下降(圖1)。茶多酚添加量增加至30 g/kg時(shí)，對(duì)于鈣離子，磚紅壤和紅壤的釋放量分別為3.83 mmol/kg和0.56 mmol/kg，與對(duì)照相比，分別下降3.24 mmol/kg和1.19 mmol/kg；對(duì)于鎂離子，磚紅壤和紅壤的釋放量分別為2.97 mmol/kg和0.30 mmol/kg，與對(duì)照相比，分別下降1.58 mmol/kg和0.35 mmol/kg。這可能是由兩方面原因共同作用的結(jié)果：一方面，茶多酚帶有大量的負(fù)電荷，吸附到土壤后增加了可變電荷土壤表面負(fù)電荷的數(shù)量，從而增加土壤表面對(duì)鈣鎂離子的靜電吸附量，導(dǎo)致鈣鎂離子釋放量減小。在茶多酚存在的條件下，可變電荷土壤膠體的Zeta電位均有大幅度的下降。由表2可知，在pH為5.0時(shí)，磚紅壤和紅壤的Zeta電位分別由–3.06、–6.17 mV降至–27.27、–30.28 mV，茶多酚可以通過增加土壤表面的負(fù)電荷，降低土壤表面鈣鎂離子的釋放。磚紅壤和紅壤的等電點(diǎn)分別為4.7和4.3，磚紅壤含有更多的游離鐵鋁氧化物，可以吸附更多的茶多酚，所以磚紅壤釋放的鈣鎂的變化率比紅壤更大。另一方面，茶多酚增加土壤表面的負(fù)電荷，可以增加可變電荷土壤對(duì)銅離子的靜電吸附，銅離子可以與鈣鎂離子發(fā)生離子交換，與鈣鎂離子競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，增加鈣鎂離子的釋放。從最終結(jié)果來看，在銅離子2.0 mmol/L的條件下，主要是茶多酚通過增加土壤表面負(fù)電荷，減小可變電荷土壤表面鈣鎂離子的釋放。

2.2 銅離子初始濃度對(duì)鈣鎂離子釋放的影響

固定茶多酚初始濃度和體系pH，研究銅離子初始濃度對(duì)鈣鎂離子釋放的影響。如圖2所示，隨著銅離子初始濃度的升高，磚紅壤和紅壤對(duì)照處理的鈣鎂離子釋放量都在增加。銅離子初始濃度從0.2 mmol/L升高至3.0 mmol/L，磚紅壤對(duì)照處理的鈣離子釋放量由2.16 mmol/kg 升高至8.32 mmol/kg，紅壤對(duì)照處理鈣離子的釋放量由0.40 mmol/kg升高至2.02 mmol/kg；磚紅壤對(duì)照處理的鎂離子釋放量由1.59 mmol/kg升高至5.37 mmol/kg，紅壤對(duì)照處理鎂離子的釋放量由0.20 mmol/kg升高至0.81 mmol/kg。無論茶多酚存在與否，土壤對(duì)銅離子的吸附量均隨著銅離子初始濃度的升高而增加。銅離子可以通過與鈣鎂離子發(fā)生離子交換，形成對(duì)吸附位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)，從而增加鈣鎂離子的釋放量。

圖1 茶多酚添加量對(duì)可變電荷土壤釋放鈣鎂離子的影響

表2 茶多酚對(duì)磚紅壤和紅壤膠體表面Zeta電位的影響(mV)

在銅與茶多酚共存時(shí)，當(dāng)銅離子初始濃度低于0.8 mmol/L時(shí)，茶多酚可以溶解出磚紅壤表面的鈣鎂離子，從而增加了鈣鎂離子的釋放；當(dāng)銅離子初始濃度高于0.8 mmol/L時(shí)，在相同的銅離子初始濃度下，茶多酚降低了磚紅壤和紅壤的鈣鎂釋放量。比如，當(dāng)銅離子初始濃度為2.0 mmol/L時(shí)，磚紅壤和紅壤的鈣離子釋放量分別由7.39 mmol/kg和1.61 mmol/kg降至5.01 mmol/kg和0.65 mmol/kg，分別下降2.38 mmol/kg和0.96 mmol/kg；鎂離子釋放量分別由4.84 mmol/kg和0.65 mmol/kg降至3.66 mmol/kg和0.29 mmol/kg，分別下降1.18 mmol/kg和0.36 mmol/kg。一方面，銅離子與茶多酚在土壤表面協(xié)同吸附，降低了游離的茶多酚的濃度；另一方面，茶多酚增加了土壤表面負(fù)電荷，降低了鈣鎂離子的釋放量。

2.3 體系pH對(duì)鈣鎂離子釋放的影響

固定茶多酚和銅的初始濃度，研究體系pH對(duì)鈣鎂離子釋放的影響。如圖3所示，隨著pH的升高，磚紅壤和紅壤對(duì)照處理的鈣鎂離子釋放量都在下降。例如，pH從3.5升高至6.0，磚紅壤和紅壤對(duì)照處理的鈣離子釋放量分別由9.52 mmol/kg降至4.60 mmol/kg，2.67 mmol/kg降至0.19 mmol/kg，分別下降4.92 mmol/kg和2.48 mmol/kg；而鎂離子的釋放量分別由6.13 mmol/kg降至3.11 mmol/kg，1.05 mmol/kg降至0.07 mmol/kg，分別下降3.02 mmol/kg和0.98 mmol/kg?？梢钥闯觯}鎂離子釋放量的減少量均為磚紅壤大于紅壤。磚紅壤中交換性鈣鎂含量顯著高于紅壤，意味著庫存較高，從土壤中釋放鈣鎂的潛力也更高。同時(shí)，磚紅壤比紅壤含有更多的游離鐵鋁氧化物，表面具有更多的正電荷，隨著pH的升高，羥基更易吸附到磚紅壤表面，從而增加表面負(fù)電荷(表2)，使得鈣鎂離子釋放量更少。另外一方面，在低pH條件下，茶多酚一般以分子形式存在；而高pH條件下，以離子形式存在。因此，在低pH條件下，茶多酚可以溶解土壤表面的鈣鎂離子。同時(shí)溶液中的氫離子也是溶解土壤表面鈣鎂的一個(gè)重要組分。

圖2 銅離子初始濃度對(duì)可變電荷土壤釋放鈣(A)、鎂(B)離子的影響

茶多酚的存在，能夠降低土壤表面鈣鎂離子的釋放量。茶多酚降低了土壤表面的正電荷，增加土壤表面負(fù)電荷，從而增加土壤表面對(duì)鈣鎂陽離子的靜電吸附量，使得鈣鎂離子釋放量減少(圖3)。如，當(dāng)pH為5.0時(shí)，茶多酚的存在，使得磚紅壤的鈣離子釋放量由7.15 mmol/kg 降至4.54 mmol/kg，紅壤的鈣離子釋放量由1.52 mmol/kg降至0.61 mmol/kg；使得磚紅壤的鎂離子釋放量由4.68 mmol/kg 降至3.39 mmol/kg，紅壤的鎂離子釋放量0.63 mmol/kg降至0.27 mmol/kg。比較茶多酚對(duì)磚紅壤和紅壤兩種可變電荷土壤釋放鈣鎂的影響發(fā)現(xiàn)，茶多酚對(duì)磚紅壤鈣鎂離子釋放影響更為顯著。原因主要包括兩個(gè)方面：一方面，磚紅壤比紅壤含有更多的游離鐵鋁氧化物，表面具有更多的正電荷，對(duì)茶多酚有更高的吸附量，從而使磚紅壤表面負(fù)電荷的增加幅度大于紅壤；另一方面，磚紅壤中交換性鈣鎂含量顯著高于紅壤，意味著庫存較高，從土壤中釋放出鈣鎂的潛力也更高，這是在相同pH條件下，茶多酚使磚紅壤鈣鎂離子釋放量減少更多的主要原因。

圖3 體系pH對(duì)磚紅壤和紅壤的鈣(A)、鎂(B)離子釋放量的影響

3 結(jié)論

隨著茶多酚添加量的增加，可變電荷土壤表面的負(fù)電荷增加，土壤表面對(duì)鈣鎂陽離子的靜電吸附量增加，從而降低土壤表面鈣鎂離子的釋放量。隨著銅離子初始濃度的升高，可變電荷土壤對(duì)銅離子的吸附量增加，銅離子通過與鈣鎂離子發(fā)生離子交換，與鈣鎂離子競(jìng)爭(zhēng)土壤表面的吸附位點(diǎn)，從而增加鈣鎂離子的釋放。隨著pH的升高，可變電荷土壤表面負(fù)電荷增加，鈣鎂離子釋放量下降。在相同pH條件下，茶多酚可以增加可變電荷表面負(fù)電荷，減少可變電荷土壤鈣鎂離子的釋放量。

[1] Yi Z G, Guo P P, Zheng L L, et al. Distribution of HCHs and DDTs in the soil-plant system in tea gardens in Fujian, a major tea-producing province in China[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2013, 171: 19–24

[2] 李慶康, 丁瑞興, 黃瑞采. 茶樹凋落物在茶園土壤系統(tǒng)物質(zhì)流中的意義[J]. 茶葉, 1988(2): 12–15

[3] Wickremasinghe K N, Sivasubramaniam S, Nalliah P. Urea hydrolysis in some tea soils[J]. Plant and Soil, 1981, 62(3): 473–477

[4] 徐仁扣, 李九玉, 姜軍. 可變電荷土壤中特殊化學(xué)現(xiàn)象及其微觀機(jī)制的研究進(jìn)展[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2014, 51(2): 207–215

[5] Zhang G Y, Zhang X N, Yu T R. Adsorption of sulfate and fluoride by variable charge soils[J]. Journal of Soil Science, 1987, 38(1): 29–38

[6] 王代長(zhǎng), 孫志成, 蔣新, 等. 酸性條件下可變電荷土壤對(duì)銅吸附動(dòng)力學(xué)特征[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 28(2): 275–279

[7] 徐明崗, 季國(guó)亮. 恒電荷土壤及可變電荷土壤與離子間相互作用的研究III, Cu2+和Zn2+的吸附特征[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2005, 42(2): 225–231

[8] 李素珍, 徐仁扣. 可變電荷土壤中膠粒雙電層的相互作用與陰陽離子同時(shí)吸附[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2009, 46(5): 948–952

[9] 徐仁扣. 低分子量有機(jī)酸對(duì)可變電荷土壤和礦物表面化學(xué)性質(zhì)的影響[J]. 土壤, 2006, 38(3): 233–241

[10] 徐仁扣, 肖雙成, 季國(guó)亮. 低分子量有機(jī)酸影響可變電荷土壤吸附銅的機(jī)制[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2005, 25(3): 334–338

[11] Wang R H, Zhu X F, Qian W, et al. Effect of pectin on adsorption of Cu(II) by two variable-charge soils from southern China[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015, 22(24): 19687–19694

[12] Wang R H, Zhu X F, Qian W, et al. Adsorption of Cd(II) by two variable-charge soils in the presence of pectin. Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(13): 12976–12982

[13] 徐仁扣. 土壤酸化及其調(diào)控研究進(jìn)展[J]. 土壤, 2015, 47(2): 238–244

[14] 何剛, 袁大剛, 燕趙, 等. 茶多酚與低分子有機(jī)酸活化土壤礦質(zhì)元素的差異研究[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2014, 51(6): 1378–1387

[15] 龐鑫, 王玉花, 王偉東, 等. 修剪物與茶多酚對(duì)茶樹礦質(zhì)吸收及根系有機(jī)酸分泌的影響[J]. 茶葉科學(xué), 2014, 34(6): 591–600

[16] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社, 1999

[17] Wang R H, Zhu X F, Qian W, et al. Pectin adsorption on amorphous Fe/Al hydroxides and its effect on surface charge properties and Cu(II) adsorption[J]. Journal of Soils and Sediments, 2017, 17(10): 2481–2489

Effects of Tea Polyphenols and Cu on Release of Ca and Mg from Variable-charge Soils

ZHU Xiaofang1,3, TANG Haoye2, QIAN Wei2, GONG Hua2, XU Renkou2, YU Yuanchun1, WANG Ruhai2*, WANG Ping1*

(1 College of Biology and the Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3Nanjing Institute of Supervision & Testing on Product Quality, Nanjing 210028, China)

Batch experiments were conducted to investigate the effects of tea polyphenols, Cu and pH on the releases of Ca and Mg from two variable-charge soils (an Oxisol and an Ultisol). When the initial concentration of Cu was 2.0 mmol/L and the final system pH was 5.0, the releases of Ca and Mg from variable-charge soils decreased with the dosage increase of tea polyphenols, because of the surface negative charge was increased due to the presence of tea polyphenols. When the initial concentration of tea polyphenols was 20 g/kg and the final system of pH was 5.0, the releases of Ca and Mg from invariable-charge soils increased with the increase of initial concentration of Cu. The increase of initial concentration of Cu increased the adsorption of Cu by variable-charge soils. Cu exchanged with adsorbed Ca and Mg on the soils and competed for adsorption sites with Ca and Mg, which enhanced the releases of Ca and Mg from the two soils. When the initial concentration of tea polyphenols was 20 g/kg and initial concentration of Cu was 2.0 mmol/L, the releases of Ca and Mg from variable-charge soils decreased with the increase of suspension pH due to the increase in negative surface charge on the soils and electrostatic adsorption of Ca and Mg by the soils. At the same pH, tea polyphenols increased the negative charge of variable-charge soils and thus reduced the releases of Ca and Mg from variable-charge soils. The results above can provide useful references for the control of soil acidification and heavy metal pollution in tea gardens.

Variable-charge soils;Tea polyphenols;Releases of Ca and Mg;Oxisol;Ultisol

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41230855，31670615)和南京土壤研究所“一三五”計(jì)劃和領(lǐng)域前沿項(xiàng)目(ISSASIP1644)資助。

(rhwang@issas.ac.cn; 690833310@qq.com)

朱小芳(1982—)，女，江蘇東臺(tái)人，碩士，工程師，主要從事土壤與生態(tài)學(xué)研究。E-mail: xfzhu@nfu.edu.cn

S153.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.03.017