不同有機(jī)酸對(duì)黃褐土礦質(zhì)元素活化作用的比較研究

陳韓英，祝奕煒，葛高飛

（1安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥230036；2安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物技術(shù)中心，合肥230036）

0 引言

土壤中存在大量的小分子有機(jī)酸(Low Molecular Weight Organic Acids,LMWOAs)，它們是一些相對(duì)分子質(zhì)量較小（低于250）的含羧基化合物，屬于自然有機(jī)質(zhì)的一種[1-2]，LMWOAs主要是由植物根系分泌的一部分物質(zhì)、土壤中有機(jī)成分分解和微生物代謝的一部分產(chǎn)物組成[3-4]，它們能夠通過(guò)H+的質(zhì)子作用和配體的絡(luò)合作用改變礦質(zhì)元素在土壤中的存在形態(tài)，加速礦質(zhì)元素的礦物風(fēng)化，使其在環(huán)境介質(zhì)中結(jié)合或釋放[5-6]，并可能增加礦質(zhì)元素有效態(tài)含量，促進(jìn)其生物利用[6-7]。LMWOAs也在土壤灰化、養(yǎng)分循環(huán)、退化修復(fù)等幾個(gè)方面起著重要作用[8-9]。目前，對(duì)于LMWOAs是如何作用于礦質(zhì)元素的研究不多且存在爭(zhēng)議，有的研究認(rèn)為L(zhǎng)MWOAs促進(jìn)礦質(zhì)元素活化的主要機(jī)理在于小分子有機(jī)酸根的絡(luò)合作用[10]，也有的研究指出pH是LMWOAs從土壤中解吸礦質(zhì)元素的主要因素[11]。

茶多酚(Tea polyphenols,TP)，茶科植物生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的一類(lèi)有機(jī)酸物質(zhì)，大部分可溶于水，是茶園土壤中多酚物質(zhì)的主要來(lái)源[12]；在土壤-茶園生態(tài)系統(tǒng)中，由于常年種植茶樹(shù)，大量茶樹(shù)葉片等凋落物歸還到土壤中，茶園土TP的含量逐年增加[3]。同時(shí)，隨著茶樹(shù)的生長(zhǎng)其根系會(huì)不斷分泌一定量的LMWOAs，包括檸檬酸，草酸和酒石酸等[3,13]，TP和LMWOAs共同組成了茶園土壤有機(jī)酸種類(lèi)的主要成分。

土壤礦質(zhì)元素是植物元素營(yíng)養(yǎng)的源泉，它們的供給量是影響土壤肥力大小的重要方面之一。礦質(zhì)元素的類(lèi)別和數(shù)量對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育影響巨大[14]。TP和LMWOAs的土壤溶液都是弱酸體系，對(duì)礦質(zhì)元素的活化具有相似的配體絡(luò)合作用和H+質(zhì)子作用，但TP的功能團(tuán)是酚羥基，LMWOAs的功能團(tuán)是羧基，因此它們的活化效果又存在差別，而目前它們?cè)邳S褐土中活化作用的比較研究還少見(jiàn)報(bào)道。進(jìn)入21世紀(jì)，由于茶葉的高效益，茶葉需求量增大，茶園面積快速增加，大面積的黃褐土被用于茶樹(shù)種植，這種種植方式和種類(lèi)的改變將對(duì)土壤性質(zhì)和環(huán)境產(chǎn)生顯著影響。鑒于此，本文以TP和草酸、檸檬酸、乙酸、酒石酸等LMWOAs的水溶液為浸提劑，對(duì)黃褐土進(jìn)行有機(jī)酸浸提試驗(yàn)，研究TP和LMWOAs對(duì)黃褐土主要礦質(zhì)元素的活化差異，以期為黃褐土改種茶樹(shù)土壤養(yǎng)分的管理和退化的修復(fù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)土壤采自安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田（大楊店），土壤類(lèi)型為黃褐土。用土鉆采集黃褐土0～20 cm土層，剔除植物根系和石礫后混勻風(fēng)干，研磨后過(guò)2 mm孔徑尼龍篩。在浸提試驗(yàn)之前，測(cè)定分析黃褐土理化性質(zhì)基礎(chǔ)值（表1）。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土壤浸提試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理：茶多酚(TP)，檸檬酸，酒石酸，草酸，乙酸和去離子水（對(duì)照，CK），每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。設(shè)置TP和LMWOAs的水溶液濃度均為10 mmol/L。具體操作步驟：黃褐土風(fēng)干磨碎過(guò)2 mm篩，準(zhǔn)確稱量5.000 g土樣于150 mL聚四氟乙烯離心瓶中，用定量加樣器分別準(zhǔn)確加入50 mL TP、LMWOAs溶液和去離子水（1:10土液比），旋緊蓋子，20℃振蕩2 h(180 r/min)。置于高速離心機(jī)，8000 r/min條件下運(yùn)行5 min，吸取上清過(guò)0.45 μm的水系濾頭，立即測(cè)定濾液的pH和Ca、Mg、K、Cu、Zn、Fe、Mn元素的濃度。

1.3 分析方法

黃褐土樣品有機(jī)質(zhì)含量，本底pH和各有機(jī)酸浸提液的pH均采用魯如坤的方法測(cè)定[15]；土壤礦質(zhì)元素全量和各有機(jī)酸活化量使用等離子體發(fā)射光譜儀(Thermo,iCAP 7000 SERIES,Germany)分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2019處理并作圖，相關(guān)性、顯著性分析使用SPSS 22.0實(shí)現(xiàn)（F檢驗(yàn)，P＜0.05為差異顯著，P＜0.01為差異極顯著）。

2 結(jié)果與分析

2.1 TP和LMWOAs對(duì)土壤K、Ca、Mg活化的影響

2.1.1 K活化 由圖1可知，TP和LMWOAs對(duì)黃褐土中K的活化量大小順序?yàn)椋翰瓒喾樱揪剖幔緳幟仕幔静菟幔疽宜幔緦?duì)照。TP對(duì)K的活化量顯著高于LMWOAs，酒石酸對(duì)K的活化量與檸檬酸相比差異不顯著，但顯著高于草酸和乙酸，草酸和乙酸對(duì)K的活化能力沒(méi)有顯著差異。除TP外，LMWOAs對(duì)K的活化能力隨著浸提液pH的降低而升高，酒石酸的pH最低活化能力最強(qiáng)，乙酸的pH最高活化能力最弱。前人研究發(fā)現(xiàn)，LMWOAs對(duì)紅壤K的活化量順序?yàn)椋簷幟仕幔咎O(píng)果酸＞草酸[16]；而對(duì)黃壤K的活化能力大小順序?yàn)椋簷幟仕幔静菟幔静枞~提取物[3]。有機(jī)酸浸提液的pH與K活化量間的相關(guān)性較?。≧2=0.156，表2），說(shuō)明各有機(jī)酸對(duì)K的活化主要是通過(guò)有機(jī)配體的絡(luò)合作用進(jìn)行。TP對(duì)黃褐土中K的活化能力顯著強(qiáng)于LMWOAs，其活化量是LMWOAs的4.6～6.2倍，對(duì)照的11.1倍，說(shuō)明TP通過(guò)有機(jī)配體的絡(luò)合作用加速了黃褐土K元素的活化進(jìn)程，黃褐土改種茶樹(shù)后會(huì)造成土壤缺K現(xiàn)象。

圖1 TP和LMWOAs對(duì)土壤K活化的影響

2.1.2 Ca活化 不同有機(jī)酸對(duì)黃褐土Ca的活化量大小表現(xiàn)為：酒石酸＞檸檬酸＞乙酸＞草酸＞茶多酚＞對(duì)照，且各處理間差異顯著（圖2）。與對(duì)照相比，TP和LMWOAs均能顯著促進(jìn)黃褐土Ca的活化。各有機(jī)酸對(duì)Ca的活化能力與其土壤溶液的酸度有關(guān)，酸度越大，pH越低，活化能力越強(qiáng)。各有機(jī)酸浸提溶液的pH與Ca活化量間相關(guān)性達(dá)極顯著水平（R2=-0.898，P＜0.01，表2）。LMWOAs對(duì)紅壤Ca活化能力大小也表現(xiàn)為檸檬酸＞草酸[16]。雖然酒石酸和檸檬酸浸提液對(duì)黃褐土Ca的活化量均顯著高于草酸，并不能證明酒石酸和檸檬酸對(duì)Ca的活化效果優(yōu)于草酸，因草酸與Ca2+生成沉淀后不能進(jìn)入測(cè)定系統(tǒng)[17]。TP對(duì)黃褐土Ca元素的活化量低于LMWOAs，這可能與TP的浸提液酸度較低，與Ca形成的有機(jī)絡(luò)合物部分沉淀有關(guān)。

圖2 TP和LMWOAs對(duì)土壤Ca和Mg活化的影響

2.1.3 Mg活化 TP和LMWOAs對(duì)黃褐土Mg的活化規(guī)律與Ca一致（圖2）。與對(duì)照相比，4類(lèi)LMWOAs均顯著增加了黃褐土Mg的活化量，TP也能顯著提高M(jìn)g的活化量，但其活化能力顯著低于LMWOAs。各LMWOAs對(duì)Mg的活化量處理間差異顯著，且土壤浸提液中的Mg量與pH呈極顯著的負(fù)相關(guān)（R2=-0.970，P＜0.01，表2）。酒石酸溶液酸度最大，pH最低，浸提能力最強(qiáng)（是對(duì)照的7.19倍）；TP溶液酸度最小，pH最高，浸提能力最弱（是對(duì)照的3.05倍）。李平和王興祥[16]也在分析LMWOAs對(duì)紅壤Mg元素活化的結(jié)果中得出檸檬酸對(duì)Mg的活化能力大于草酸。說(shuō)明TP和LMWOAs對(duì)黃褐土Mg元素的活化主要依靠浸提液中H+的質(zhì)子作用完成。

2.1.4 土壤K、Ca、Mg活化量比較 K、Ca、Mg是植物生長(zhǎng)必需的大量和中量營(yíng)養(yǎng)元素，其在土壤中的活化有利于植株對(duì)礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收利用。TP和LMWOAs的水溶液浸提土壤使K、Ca、Mg離子含量增加，實(shí)際是土壤緩沖TP和LMWOAs作用的一種表現(xiàn)[16-18]。TP和LMWOAs浸提液的H+數(shù)目、有機(jī)配體數(shù)量和K+、Mg2+、Ca2+含量及其與土壤膠體的親和力等因素將會(huì)影響TP和LMWOAs對(duì)Ca、Mg和K活化能力的差異。在LMWOAs作用下，土壤元素離子含量表現(xiàn)出Ca＞Mg＞K的特征[19]，雖然交換性礦質(zhì)元素離子從土壤膠體解吸的先后順序?yàn)镵+、Mg2+、Ca2+，但LMWOAs利用有機(jī)配體絡(luò)合活化的K量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其對(duì)二價(jià)陽(yáng)離子的活化量[19-20]，因此LMWOAs浸提液中礦質(zhì)元素活化量大小順序?yàn)镃a＞Mg＞K；TP對(duì)Ca、Mg、K均有一定的絡(luò)合反應(yīng)能力[21]，但TP與K的絡(luò)合物不沉淀，且TP對(duì)Mg元素的活化主要依靠質(zhì)子作用，因此TP作用下礦質(zhì)元素離子活化量表現(xiàn)為Ca＞K＞Mg。

2.2 TP和LMWOAs對(duì)土壤Fe、Mn、Cu、Zn活化的影響

2.2.1 Fe和Mn的活化 TP和LMWOAs對(duì)黃褐土Fe的活化量大小表現(xiàn)為：草酸＞檸檬酸＞茶多酚＞酒石酸＞對(duì)照＞乙酸（圖3）。與對(duì)照相比，乙酸不能增加Fe的活化量，草酸對(duì)Fe的活化能力顯著高于其他LMWOAs和TP，這可能是少量的草酸便可將浸提液中Fe的含量提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的原因[3,22]。4種LMWOAs中，對(duì)土壤Fe的活化能力最大的是草酸，其次是檸檬酸，然后是酒石酸，乙酸對(duì)Fe的活化能力最小。而在LMWOAs為5 mmol/L條件下，曾清如等[23]的研究結(jié)果表明檸檬酸對(duì)土壤Fe的活化能力大于草酸。宋金鳳等[10]也在研究低分子有機(jī)酸對(duì)Fe的釋放效應(yīng)時(shí)認(rèn)為，相較于草酸，檸檬酸對(duì)Fe具有更強(qiáng)的配體絡(luò)合能力。

Mn也是植物的必需營(yíng)養(yǎng)元素，其化學(xué)性質(zhì)活潑，在土壤氧化還原、沉淀溶解平衡等復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。由圖3可知，TP和LMWOAs對(duì)黃褐土Mn的活化量大小表現(xiàn)為檸檬酸＞草酸＞茶多酚＞酒石酸＞乙酸＞對(duì)照，且各處理間的Mn活化量差異顯著。檸檬酸對(duì)黃褐土中Mn的活化能力最強(qiáng)，顯著高于TP和其他LMWOAs。LMWOAs對(duì)Mn的活化量小于對(duì)Fe的活化量（乙酸除外），而TP對(duì)Mn的活化量高于對(duì)Fe的活化量，這可能是因?yàn)镸n與Fe性質(zhì)相似，酚類(lèi)物質(zhì)對(duì)Mn不僅具有配體絡(luò)合作用[24]，也具有氧化還原作用[25]，Mn的還原電位比Fe低，同等條件下Mn更易被還原[26]。劉志光和徐仁扣[27]的研究也發(fā)現(xiàn)幾種有機(jī)化合物對(duì)Fe的溶解量小于Mn。

圖3 TP和LMWOAs對(duì)土壤Fe和Mn活化的影響

2.2.2 Cu和Zn的活化 Cu和Zn元素是植物必需的微量營(yíng)養(yǎng)，也是土壤環(huán)境中的重金屬。有機(jī)酸可絡(luò)合土壤中的Cu和Zn，改變Cu和Zn形態(tài)的數(shù)量比例，促進(jìn)Cu和Zn的遷移、轉(zhuǎn)化及植物對(duì)其的吸收利用。圖4表明，TP浸提液的土壤Cu活化量最大，是純水浸提的39.74倍，顯著高于LMWOAs（是對(duì)照的1～22倍）。除了乙酸，TP和其他LMWOAs對(duì)土壤Cu的活化能力顯著高于對(duì)照，且處理間的Cu活化量差異顯著。4種LMWOAs中，草酸對(duì)Cu的活化量最大，顯著高于其他LMWOAs。草酸浸提液的pH較大(pH 3.98)，酸度較低，且Cu活化量與pH間幾乎沒(méi)有相關(guān)性（R2=0.010，表2），說(shuō)明草酸對(duì)黃褐土Cu的活化主要是通過(guò)有機(jī)配體的絡(luò)合作用進(jìn)行。與對(duì)照相比，乙酸對(duì)土壤Zn沒(méi)有明顯活化效果，其他LMWOAs和TP顯著促進(jìn)了Zn的活化，且Zn濃度與浸提液pH間的相互關(guān)系達(dá)到極顯著水平（R2=-0.848，P＜0.01，表 2），說(shuō)明 TP 和LMWOAs對(duì)土壤Zn的活化主要是H+的質(zhì)子作用。TP對(duì)Cu的活化表現(xiàn)出同K一樣的規(guī)律，說(shuō)明TP通過(guò)有機(jī)配體的絡(luò)合作用活化了黃褐土中的Cu元素。而TP對(duì)Zn表現(xiàn)出較弱的活化能力，這可能與TP酸度低且與Zn絡(luò)合生成了沉淀有關(guān)[21]。

圖4 TP和LMWOAs對(duì)土壤Cu和Zn活化的影響

2.2.3 土壤Fe、Mn、Cu、Zn活化量比較 TP和LMWOAs可通過(guò)有機(jī)配體的絡(luò)合作用促進(jìn)土壤Fe、Mn、Cu、Zn的活化，也可通過(guò)H+的質(zhì)子作用促進(jìn)Fe、Mn、Cu、Zn的溶解和還原[6,8,21,23,28]。各有機(jī)酸對(duì)黃褐土Fe、Mn、Cu、Zn的活化量總體表現(xiàn)為Fe＞Mn＞Zn和Cu，黃褐土中礦質(zhì)元素全量大小順序?yàn)镕e＞Mn＞Zn＞Cu（表1），礦質(zhì)元素的活化量與全量表現(xiàn)出相似的規(guī)律，說(shuō)明黃褐土中水溶性和可交換態(tài)的元素離子順序?yàn)镕e＞Mn＞Zn和Cu。4種LMWOAs中，草酸對(duì)Fe、Mn、Cu、Zn具有較強(qiáng)的活化能力，且對(duì)Fe和Cu的活化能力顯著高于其他LMWOAs；檸檬酸對(duì)Mn的活化能力顯著高于其他LMWOAs；酒石酸對(duì)Zn的活化能力顯著高于其他LMWOAs；乙酸對(duì)Fe、Mn、Cu、Zn的活化能力顯著弱于其他LMWOAs。這可能是因?yàn)椋剖岷蜋幟仕峋哂休^低的pH（圖5），酒石酸與Zn、檸檬酸與Mn的質(zhì)子作用大于其他LMWOAs；草酸與Fe和Cu的絡(luò)合作用大于其他LMWOAs；乙酸因pH較高（4.52），H+的質(zhì)子作用和配體的絡(luò)合作用均小于其他LMWOAs和TP。在同等條件下，TP的pH最低，但對(duì)Cu的活化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LMWOAs，說(shuō)明TP對(duì)黃褐土中Cu的絡(luò)合作用顯著大于LMWOAs。

圖5 TP和LMWOAs對(duì)土壤浸提液pH的影響

2.3 測(cè)試指標(biāo)間的相互關(guān)系

相關(guān)分析結(jié)果如表2所示，pH與Ca、Mg、Mn、Zn、Fe元素活化量間呈現(xiàn)出極顯著或顯著的負(fù)相關(guān)，即酸度越大，土壤Ca、Mg、Mn、Zn和Fe的活化量越大。TP和LMWOAs浸提液的pH范圍為：pH 3.14～5.43，屬于酸性介質(zhì)（如圖5），表明H+的質(zhì)子作用是促進(jìn)土壤Ca、Mg、Mn、Zn和Fe元素活化的重要因素[3]。浸提液中的Zn、Mn、Fe元素兩兩之間呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明TP和LMWOAs同時(shí)促進(jìn)了黃褐土中交換性Zn、Mn和Fe離子的活化；Ca、Mg、Zn元素兩兩之間也表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明TP和LMWOAs同時(shí)促進(jìn)了黃褐土中交換性Ca、Mg和Zn離子的活化。浸提液中的Mn與Cu、Fe、Mg元素間表現(xiàn)出顯著或極顯著的正相關(guān)，說(shuō)明TP和LMWOAs在活化Mn的同時(shí)促進(jìn)了Cu、Fe和Mg的活化。

表2 TP和LMWOAs浸提液各測(cè)定指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論

TP和LMWOAs對(duì)黃褐土主要礦質(zhì)元素的活化效果存在明顯差異，活化量與浸提液H+數(shù)目、有機(jī)配體數(shù)量、礦質(zhì)元素離子與土壤膠體親和力及元素的氧化還原性質(zhì)等有關(guān)。浸提液pH與Ca、Mg、Mn、Zn、Fe元素間的相互關(guān)系達(dá)到極顯著或顯著水平，說(shuō)明H+的質(zhì)子作用是這些礦質(zhì)元素能夠被活化的主要因素。LMWOAs對(duì)黃褐土中Ca、Mg的活化能力均表現(xiàn)為：酒石酸＞檸檬酸＞乙酸＞草酸。草酸對(duì)土壤Fe、Mn、Cu、Zn元素具有較好的活化效果，且對(duì)Fe和Cu的活化能力顯著高于其他LMWOAs；檸檬酸對(duì)土壤Mn的活化能力顯著高于TP和其他LMWOAs；酒石酸對(duì)土壤Zn的活化能力顯著高于TP和其他LMWOAs；乙酸對(duì)土壤Fe、Mn、Cu、Zn元素的活化能力顯著低于TP和其他LMWOAs。TP對(duì)黃褐土Ca、Mg、Fe、Mn、Zn元素的活化能力顯著低于LMWOAs（乙酸除外），對(duì)K和Cu的活化效果顯著優(yōu)于LMWOAs。TP的pH最大，說(shuō)明TP對(duì)K和Cu的活化主要是依靠有機(jī)配體的絡(luò)合作用。黃褐土種植茶樹(shù)會(huì)加速K和Cu的活化和遷移（尤其是K），提高礦質(zhì)元素的生物有效性，同時(shí)可能造成土壤缺K和酸化。