氧化/磺化腐殖酸對潮土中Cu、Zn、Fe、Mn有效性的影響

孫靜悅，袁 亮，林治安，張水勤，趙秉強(qiáng)，李燕婷

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

土壤對植物必需營養(yǎng)元素尤其是微量元素的供給，不僅與土壤中該元素的總量有關(guān)，更取決于其生物有效性，而營養(yǎng)元素的生物有效性取決于其在土壤中的化學(xué)存在形態(tài)，其中，以溶解態(tài)和可交換態(tài)存在的元素最易被植物吸收利用，是土壤中短期內(nèi)最具生物有效性的組分[1-3]。我國華北地區(qū)的石灰性土壤具有較高的pH值和碳酸鈣含量，導(dǎo)致土壤中微量元素的有效性不高[4-6]。

腐殖酸作為天然有機(jī)高分子化合物，含有羧基、羰基、羥基、醌基等多種官能團(tuán)，具有較高的反應(yīng)活性，廣泛存在于褐煤、風(fēng)化煤、泥炭等自然資源中[7-8]。當(dāng)腐殖酸物質(zhì)進(jìn)入土壤后，能夠通過離子交換、吸附、絡(luò)合、螯合等反應(yīng)來影響土壤中微量元素的生物有效性[9-12]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于腐殖酸與微量元素有效性方面的研究結(jié)論不一，有研究表明，腐殖酸能夠增加土壤中微量元素的有效性，促進(jìn)植株對微量元素的吸收[13-18]，但也有研究表明腐殖酸能夠與微量元素形成沉淀，從而使微量元素的生物有效性降低[9,19-21]，有研究者認(rèn)為研究結(jié)論之所以不一致可能與腐殖酸本身的來源或結(jié)構(gòu)不同有關(guān)，腐殖酸中參與反應(yīng)的官能團(tuán)種類、數(shù)量和性質(zhì)上的差異會(huì)導(dǎo)致絡(luò)合穩(wěn)定性不同[22]，進(jìn)而影響微量元素的有效性，將腐殖酸進(jìn)行人工改性是獲得不同結(jié)構(gòu)腐殖酸的快速手段，氧化和磺化是較為安全環(huán)保的腐殖酸改性方式且不引入雜質(zhì)[23]。然而，改性腐殖酸提高土壤微量元素有效性的效果研究還較少，鑒于此，本研究以風(fēng)化煤腐殖酸為原材料，通過氧化和磺化技術(shù)獲得改性腐殖酸，比較了改性前后的腐殖酸材料對土壤微量元素有效性的影響，結(jié)合腐殖酸的結(jié)構(gòu)特征分析產(chǎn)生這些效果差異的原因，以期為開發(fā)提高微量元素有效性的腐殖酸功能材料提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 土壤 供試土壤采自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院德州鹽堿土改良實(shí)驗(yàn)站禹城試驗(yàn)基地連續(xù)三年未施用任何肥料的勻地試驗(yàn)場，土壤類型為潮土，質(zhì)地為輕壤。采集0—20 cm耕層土壤，自然風(fēng)干，過1 mm篩，混勻備用。其基本理化性質(zhì)如下：pH 7.98、有機(jī)質(zhì)10.06 g/kg、有效銅 1.32 mg/kg、有效鋅1.73 mg/kg、有效鐵5.46 mg/kg、有效錳2.09 mg/kg。

1.1.2 腐殖酸 供試腐殖酸為風(fēng)化煤腐殖酸(以下簡稱腐殖酸，HA)，產(chǎn)地內(nèi)蒙古。采用4因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行腐殖酸的雙氧水氧化改性及亞硫酸鈉磺化改性，分別獲得研究目標(biāo)產(chǎn)物氧化腐殖酸(YHA)和磺化腐殖酸(SHA)。HA、YHA和SHA的基本性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

每個(gè)腐殖酸設(shè)30、100、300 mg/kg三個(gè)添加量，以不施任何腐殖酸為對照，共10個(gè)處理。將不同腐殖酸(HA、YHA、SHA)分別按不同用量與500 g干土混勻，裝入培養(yǎng)瓶中，調(diào)節(jié)含水量至田間持水量的60%，置于25℃人工氣候箱中進(jìn)行恒溫培養(yǎng)，并保持土壤濕度恒定，每個(gè)處理重復(fù)3次。

分別在培養(yǎng)后第3、7、15、30、60天采樣，所采土壤樣品自然風(fēng)干，研磨過1 mm篩。土壤pH(土水比1∶2.5)測定采用電位法；有機(jī)質(zhì)測定采用K2Cr2O7-H2SO4消化法；土壤有效Cu、Zn、Fe用pH 7.30的0.005 mol/L DTPA浸提劑提取，有效Mn用1 mol/L的中性NH4OAC溶液提取[24]，各提取液中相應(yīng)有效元素含量均用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測定。

表1 腐殖酸基本性質(zhì)Table1 Basic characteristic of humic acids

1.3 數(shù)據(jù)處理

分別采用Origin 9.0、SPSS17.0和Duncan新復(fù)極差法對數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氧化和磺化改性對腐殖酸結(jié)構(gòu)的影響

由圖1可知，三種腐殖酸樣品的譜線峰型在波數(shù)4000～1250 cm-1段整體相近，在波數(shù)1250～500 cm-1段差異較大，都有以下4個(gè)主要紅外吸收峰: 1)1580 cm-1波長處，芳烴C=C伸縮振動(dòng)、羧基對稱伸縮、N-H彎曲變形和C=N伸展；2)1380 cm-1波長處，酚羥基中的O-H和C-O伸縮、烷烴 -CH2和-CH3中C-H變形和COO-的反對稱伸縮；3)1108 cm-1波長處，飽和醚、多糖或多糖類物質(zhì)的C-O伸縮；4)622 cm-1波長處，炔烴C-H彎曲振動(dòng)。進(jìn)一步分析可知，同一官能團(tuán)在不同樣品中振動(dòng)強(qiáng)度存在一定的差異。與腐殖酸(HA)相比，氧化腐殖酸(YHA)在1580 cm-1、1380 cm-1波長處振動(dòng)強(qiáng)度略有增加；而磺化腐殖酸(SHA)在1108 cm-1、622 cm-1波長處吸收峰明顯增強(qiáng)，并在1193 cm-1處產(chǎn)生磺酸基反對稱伸縮振動(dòng)，在971 cm-1處產(chǎn)生硫氧S-O伸縮。由此可見，氧化和磺化均改變了腐殖酸結(jié)構(gòu)中官能團(tuán)的數(shù)量(羧基，酚羥基)，而磺化還增加了官能團(tuán)的種類(磺酸基)，總之，磺化改性對其結(jié)構(gòu)影響較大。

圖1 腐殖酸的傅里葉變換紅外圖譜Fig.1 FTIR spectra of humic acids

由表2可以看出，所有腐殖酸樣品結(jié)構(gòu)中均以芳香碳(110～145 ppm)含量最高，以該種形式存在的碳占全部含碳官能團(tuán)的59.40%～63.35%，烷基碳(0～63 ppm)以及和糖、多糖相關(guān)的氧烷基碳(63～110 ppm)之和占全部含碳官能團(tuán)的22.52%～31.72%，其次為酚羥基和羧基碳(145～190 ppm)，占全部含碳官能團(tuán)的8.88%～15.0%；酮基/醛基碳(190～220 ppm)占全部含碳官能團(tuán)的比例最小，在1%左右。同一官能團(tuán)在不同樣品中的相對含量也存在較大的差異。HA經(jīng)過氧化改性后芳香碳含量降低4.29%，烷基/氧烷基碳增加2.31%，同時(shí)酚羥基碳、羧基碳、酮/醛基碳含量增加；磺化使腐殖酸芳香碳含量降低3.95%，烷基/氧烷基碳增加9.19%，而酚羥基碳、羧基碳、酮/醛基碳含量明顯減少。總體來看，YHA與HA的結(jié)構(gòu)具有較大的相似性，而SHA與HA的結(jié)構(gòu)差別較大。

2.2 不同腐殖酸對潮土pH的影響

由表3可以看出，與對照處理相比，施用HA 30、100、300 mg/kg，在培養(yǎng)前期(3～15 d)土壤pH變化較大，特別是培養(yǎng)3 天時(shí)，土壤pH顯著增加，較CK提高了0.19～0.34個(gè)單位；施用YHA 30、100、300 mg/kg后，土壤pH在培養(yǎng)期內(nèi)較CK增加0～0.20個(gè)單位；施用SHA 30、100、300 mg/kg，在培養(yǎng)期內(nèi)較CK增加0.01～0.06個(gè)單位。

表3 腐殖酸對土壤pH的影響Table3 Effects of humic acids on soil pH

2.3 不同腐殖酸對潮土銅有效性的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(圖2)，各腐殖酸的不同用量在不同培養(yǎng)期內(nèi)對土壤銅有效性影響不同。一周(7 d)內(nèi)，除HA 100及300 mg/kg在第7天使有效銅含量降低外，其他處理均增加土壤銅有效性。一周后，與CK相比，施用30～100 mg/kg的HA和YHA土壤有效銅含量分別提高了31.2%、28.5%、13.8%、16.4%，而SHA 30及100 mg/kg土壤有效銅含量與CK無顯著差異；施用300 mg/kg的HA、YHA和SHA均可顯著提升土壤銅的有效性，有效銅含量分別提高了32.0%、12.9%、15.7%。

2.4 不同腐殖酸對潮土鋅有效性的影響

由圖3可以看出，腐殖酸對土壤有效鋅含量的影響呈現(xiàn)階段性變化。7～15天內(nèi)，施用30～300 mg/kg三種腐殖酸均可增加土壤有效鋅含量，其中以HA效果最佳，第15天土壤有效鋅含量增加了11.8%～20.3%，與CK差異顯著，其次為YHA，土壤有效鋅含量增加了3.8%～9.3%。15～60天，施用三種腐殖酸顯著降低了土壤有效鋅含量，至30天時(shí)降低了11.3%～18.6%，以HA對土壤有效鋅含量降低作用最大，但同一用量下不同腐殖酸處理間差異不顯著。

2.5 不同腐殖酸對潮土錳有效性的影響

圖4表明，在培養(yǎng)期間，施用腐殖酸15天可提高土壤錳有效性，30～100 mg/kg用量下，以HA作用最明顯，土壤有效錳含量最多可提高5.6%，與CK差異顯著，300 mg/kg用量時(shí)，SHA使土壤有效錳含量較CK提高13.6%，與CK差異顯著。15天后，施用腐殖酸HA、YHA、SHA土壤有效錳含量較CK分別降低8.5%、5.9%、2.4%，其中HA的作用最明顯，30～100 mg/kg用量下，土壤有效錳含量降低了7.7%～10.0%，與CK差異顯著。

圖2 不同腐殖酸及用量對土壤銅有效性的影響Fig.2 Effect of different humic acids and rates on the availability of copper in soil

圖3 不同腐殖酸及用量對土壤鋅有效性的影響Fig.3 Effect of different humic acids and rates on the availability of zinc in soil

圖4 不同腐殖酸及用量對土壤錳有效性的影響Fig.4 Effect of different humic acids and rates on the availability of manganese in soil

2.6 不同腐殖酸對潮土鐵有效性的影響

由圖5可知，施用HA、YHA和SHA三種腐殖酸一周(7 d)均降低了土壤中鐵元素的有效性；而培養(yǎng)15天，土壤鐵有效性增加，與CK相比，施用HA30～300 mg/kg可使土壤有效鐵含量增加4.3%～7.2%，施用SHA30 mg/kg土壤鐵有效性增加4.3%，施用YHA300 mg/kg土壤鐵有效性增加6.8%；之后，各處理土壤有效鐵含量下降，處理間無顯著差異。

3 討論

土壤微量營養(yǎng)元素的移動(dòng)、積累及其有效性與土壤中有機(jī)物有很大關(guān)系[25]，腐殖酸作為一種外源有機(jī)物添加至土壤中，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性(分子量、官能團(tuán))，與土壤中元素反應(yīng)既能生成可溶性配合物，也能生成不溶性配合物，因此，具有增加或降低其有效性的雙重作用，影響土壤微量營養(yǎng)元素的賦存狀態(tài)[26]，不同結(jié)構(gòu)腐殖酸官能團(tuán)種類、數(shù)量和性質(zhì)上的差異會(huì)導(dǎo)致其金屬配合物穩(wěn)定性不同[27]。

當(dāng)腐殖酸施入土壤后，由于存在離子間的競爭作用，腐殖酸對銅元素有效性的影響大于鋅、鐵和錳[27]。施用腐殖酸能夠增加土壤中銅的有效性(圖2)，這與劉平等[28-29]的研究結(jié)果一致。試驗(yàn)中，磺化腐殖酸對土壤中有效態(tài)銅含量的提升效果弱于其他兩種腐殖酸，可能是由于磺化腐殖酸中羧基和脂族氮配體等能夠與銅配位[30-32]的位點(diǎn)相對減少，使得其與銅離子形成的配合物不穩(wěn)定，容易重新被土壤礦物所吸附[33-34]。但也有研究認(rèn)為腐殖酸中磺酸基基團(tuán)能夠與銅強(qiáng)配位[35]，本試驗(yàn)中，腐殖酸經(jīng)過磺化改性后，磺酸基含量明顯增加(圖1)使得配位能力隨之增加，但這種較強(qiáng)配合傾向可能使被配合的銅較難釋放而失去有效性。由于腐殖酸對微量元素的移動(dòng)和對植物營養(yǎng)的價(jià)值取決于配合物的穩(wěn)定性，較弱或較強(qiáng)的配合作用均不利于土壤中有效銅含量的增加，因此，腐殖酸(HA)和氧化腐殖酸(YHA)較磺化腐殖酸(SHA)更容易活化土壤中的銅，在本試驗(yàn)中，30～100 mg/kg用量下，腐殖酸(HA)對土壤銅的活化作用明顯優(yōu)于磺化腐殖酸(SHA)。

圖5 不同腐殖酸及用量對土壤鐵有效性的影響Fig.5 Effect of different humic acids and rates on the availability of iron in soil

在石灰性土壤中，由于高pH值和CaCO3含量，腐殖酸與鋅、錳的配合物具有低穩(wěn)定性[36]，當(dāng)腐殖酸施入土壤后，腐殖酸中小分子組分的酚羥基和弱酸性的羧基首先與鋅、錳元素以較弱的鍵形成可溶性配合物，減少了鋅、錳元素離子在土壤表面的吸附，提高了其有效性[37-38]。隨著時(shí)間的延長，配合物重新被土壤礦物吸附，而且腐殖酸中大分子組分的強(qiáng)酸性羧基能夠以穩(wěn)定的形式吸附鋅、錳，形成較強(qiáng)的配位鍵[39]，從而使土壤中鋅、錳元素有效性降低，這可能是試驗(yàn)培養(yǎng)期間各腐殖酸處理土壤中鋅、錳有效態(tài)含量波動(dòng)較大且具有階段性(圖3、圖4)的原因之一，具體表現(xiàn)為腐殖酸并非總是活化或者鈍化土壤中的微量元素，在培養(yǎng)15天，腐殖酸對土壤鋅和錳有活化作用，而之后則起到鈍化作用，這與前人的研究結(jié)果[17,40-41]類似。腐殖酸(HA)和氧化腐殖酸(YHA)由于具有較多的羧基、酚羥基等含氧官能團(tuán)(表2)，配位能力增強(qiáng)，因此，在培養(yǎng)后期其對鋅、錳元素的鈍化作用要強(qiáng)于磺化腐殖酸(SHA)。腐殖酸對土壤中鋅、錳元素的作用相似，也可能與腐殖酸和鋅、錳的親和力相似[17,42]有關(guān)。

試驗(yàn)中，不同腐殖酸對土壤鐵有效性的影響雖然也呈現(xiàn)出階段性，但規(guī)律不明顯，這可能是土壤pH與腐殖酸加入共同作用的結(jié)果。石灰性土壤中鐵的有效性受pH值影響較大，每升高1個(gè)pH值單位，鐵的溶解度將降低1000倍[43]，培養(yǎng)初期(0～7天)各腐殖酸處理土壤有效鐵含量的大量降低可能與土壤pH升高有關(guān)。另外，許多研究表明，腐殖酸與鐵的配合作用可能與其分子量大小和羧化程度有關(guān)，羧基是鐵的主要結(jié)合位點(diǎn)[44-46]，具有高羧化度的化合物作為鐵的強(qiáng)配體，而具有較低羧化度的化合物將作為較弱的配體[47-48]。因此，培養(yǎng)0～30天，腐殖酸(HA)和氧化腐殖酸(YHA)由于具有較多的羧基基團(tuán)，易與鐵形成相對穩(wěn)定的配合物，而磺化腐殖酸(SHA)由于羧基含量減少(表2)以及分子量降低，易與鐵形成不穩(wěn)定的配合物，隨時(shí)間的延長，在培養(yǎng)后期(30～60天)，由于磺化腐殖酸(SHA)與鐵形成的配合物中的鐵可能會(huì)重新被土壤礦物吸附[17,49]。因此在不同的培養(yǎng)期，腐殖酸對土壤鐵的有效性不同。由于鐵元素為變價(jià)元素，有機(jī)鐵配合物穩(wěn)定性也易受土壤氧化還原作用的影響[50]，在本試驗(yàn)中，不同種類腐殖酸對土壤鐵有效性的影響規(guī)律不明顯可能與此有關(guān)。

另外，在本試驗(yàn)條件下，通過磺化改性所得到的磺化腐殖酸(SHA)與腐殖酸(HA)、氧化腐殖酸(YHA)在元素含量上差異較大，特別是碳含量相對降低較多(表1)，可能是由于在磺化改性過程中引入了較多的硫和氧元素所致，傅里葉變換紅外光譜分析結(jié)果也表明，磺化腐殖酸分別在1193 cm-1、971 cm-1處產(chǎn)生較強(qiáng)的磺酸基反對稱伸縮振動(dòng)和硫氧(S-O)伸縮振動(dòng)(圖1)。但限于本試驗(yàn)研究方法和測試手段，磺化改性后的腐殖酸結(jié)構(gòu)組成尚不能明確，這將在后續(xù)研究中進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

在本試驗(yàn)條件下，腐殖酸(HA)、氧化腐殖酸(YHA)和磺化腐殖酸(SHA)三種不同結(jié)構(gòu)腐殖酸對潮土中同一微量元素有效性的影響不同，總體來說，對銅元素有效性的影響大于鋅、錳和鐵。

三種腐殖酸對潮土鋅、錳有效性的影響類似且呈現(xiàn)階段性變化，可在施用15天之內(nèi)提高土壤鋅和錳的有效性，其中，HA的效果明顯優(yōu)于YHA和SHA。

因此，在生產(chǎn)中應(yīng)用腐殖酸提高潮土微量元素有效性時(shí)，需結(jié)合腐殖酸特性和養(yǎng)分元素種類選擇其用量與施用時(shí)期。