低分子有機酸對林地土壤磷釋放及活化影響

張金昕，高良敏*，龐振東，陳曉晴，王慧，童榮榮

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，淮南 232001；2.淮南市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，淮南 232001)

磷是生態(tài)系統(tǒng)中植物及農(nóng)作物所必需的限制性營養(yǎng)元素之一[1-2]，甚至有可能影響生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化[3-4]。王永壯等[5]研究表明，中國各種不同類型的農(nóng)田土壤中全磷含量為0.31～1.72 g/kg，平均為0.68 g/kg。過量施用磷肥會導(dǎo)致土壤磷素累積，全磷含量升高，但是磷肥進(jìn)入土壤后容易被碳酸鈣和鐵、鋁氧化物吸附固定，加上降水、土壤有機組分等影響，其有效磷含量往往較低[6-7]。所以，提高磷肥的利用率是當(dāng)前的一個熱點問題。

近年來，越來越多的學(xué)者關(guān)注根系分泌物對土壤磷有效性的影響。研究發(fā)現(xiàn)根際效應(yīng)顯著提高了磷有效性[8-10]。檸檬酸、草酸和蘋果酸是植物根際環(huán)境中眾多類型低分子有機酸中最常見，因其具有毒性低及降解性高等特點被廣泛研究[11]。低分子有機酸可促進(jìn)土壤磷的轉(zhuǎn)化，增強其有效性，增加植物對土壤磷的吸收[12-15]。潘復(fù)靜等[16]通過實驗證明了有機酸對土壤養(yǎng)分有效性提高有明顯作用。文獻(xiàn)[17-19]開展了低分子有機酸對土壤及礦石中各形態(tài)磷的吸附﹑解吸實驗。Zhu等[20]研究表明，低分子量有機酸能夠顯著促進(jìn)青藏高原東部亞高山森林根際土壤有效磷的有效性。Fu等[21]研究表明，添加丙二酸可以提高石灰性土壤磷肥的有效性。

基于此，采用實驗室模擬試驗方法，以檸檬酸、草酸和蘋果酸3種低分子有機酸為研究對象，探討了意楊林灰潮土壤在這3種酸不同濃度及處理時間下土壤磷的釋放及活化影響。旨在為科學(xué)評價有機酸在森林養(yǎng)分循環(huán)系統(tǒng)中的作用提供參考，同時為磷肥的合理施用和土壤有效磷的提升提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用土壤為意楊林0～20 cm的表層灰潮土，將采集的土壤樣品進(jìn)行風(fēng)干，風(fēng)干后研磨過100目篩網(wǎng)，備用。采樣點位于淮河流域王家壩閘對岸固始縣意楊林(115°36′23″N，32°25′3″E)，其成土母質(zhì)為近代淮泛沖積物。固始縣在淮河的南岸，土地由山地、丘陵、平原構(gòu)成。地勢南高北低，從西南向東北傾斜，坡降為1/1 200，是中國的南北氣候過渡地帶，氣候較濕潤，雨量充沛。

原始土壤性質(zhì)參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[22]中相關(guān)方法測定，測定結(jié)果為土壤pH為7.3，呈中性；土壤含水率為1.8%；電導(dǎo)率 35.93 μs/cm；土壤總磷(total phosphorus,TP)含量為914 mg/kg。

考慮到根際土壤中低分子有機酸平均含量及施用有機酸的可能性，實驗室中用分析純藥品分別配制低、中和高濃度分別為1 mmol/L蘋果酸、3 mmol/L 檸檬酸及5 mmol/L草酸。

1.2 試驗方法

分別稱取備用土樣3.0 g裝入50 mL的離心管，按1∶10的固液比分別添加30 mL的1 mmol/L蘋果酸、3 mmol/L檸檬酸及5 mmol/L草酸，為抑制微生物活性加入2滴百里酚，然后恒溫25 ℃以 200 r/min 振蕩30、60、90、120、150、180、210、240 min，使之混合并充分反應(yīng)，之后再將滿足實驗時間的離心管放入離心機，設(shè)置轉(zhuǎn)速4 000 r/min、時間為10 min，開始離心，最后取上清液參照《水質(zhì) 總磷的檢測 鉬酸銨分光光度法》(GB/T 11893—1989)測定TP濃度，此時定義計算的結(jié)果為土壤TP釋放量。

之后再將離心管中的殘留物用蒸餾水清洗兩遍，借助離心機使殘留物快速沉積加速清洗。再采用沉積物磷形態(tài)測試方法SMT(the standards,measurements,and testing)法[23]分級測定土壤中TP、無機磷(inorganic phosphorus,IP)、有機磷(organic phosphorus,OP)、Fe/Al-P和Ca-P含量，此處定義測出值為土壤磷活化量。土壤磷素測定法的基本原理是利用不同的化學(xué)萃取物，逐步分離出不同形態(tài)的無機磷素。TP活化量具體操作步驟為：先將洗凈后的殘留物倒至瓷坩堝，將坩堝放入馬弗爐中灼燒3 h，溫度設(shè)置為450 ℃。待坩堝冷卻后用玻璃棒將燒制的殘留物搗碎并傾倒至50 mL離心管，用 20 mL 3.5 mol/L的鹽酸提取液加入坩堝轉(zhuǎn)移殘留樣品，將離心管固定在恒溫振蕩箱中，設(shè)置溫度 25 ℃、轉(zhuǎn)速160 r/min以及時間16 h，然后開始振蕩。再將滿足實驗時間的離心管放入離心機，設(shè)置轉(zhuǎn)速為4 000 r/min、時間為10 min，之后取5 mL上清液至50 mL比色管中定容至刻度線，加藥用紫外分光光度計測定。IP用1.0 mol/L HCl溶液浸提；對于OP，將測定IP過程中離心得到的殘渣清洗后，在450 ℃下灼燒后用1.0 mol/L HCl溶液浸提；Fe/Al-P則是在1 mol/L NaOH溶液和3.5 mol/L HCl溶液中提取；Ca-P則是將Fe/Al-P測定中氫氧化鈉提取后的殘渣以1 mol/L氯化鈉溶液清洗兩遍，再用1.0 mol/L鹽酸溶液浸提后測出。每組實驗三組平行。

1.3 數(shù)據(jù)計算及分析

土壤TP釋放量計算公式為

A=CV/m

(1)

式(1)中：A為TP釋放量，mg/kg；C為TP濃度，mol/L；V為加入的溶液體積，mL；m為土壤質(zhì)量，g[24]。

土壤TP釋放率計算公式為

R=A/T×100%

(2)

式(2)中：R為土壤TP釋放率，%；T為原土壤TP含量，mg/kg。

土壤磷活化量計算公式為

B=T-M

(3)

式(3)中：M為土壤在低分子有機酸作用下各形態(tài)磷含量，mg/kg；B為土壤各形態(tài)磷變化量，mg/kg，B<0表示低分子有機酸對土壤磷具有固化作用；B>0表示低分子有機酸對土壤磷具有活化作用[25]。

土壤磷活化率計算公式為

Rac=B/T×100%

(4)

式(4)中：Rac為土壤各形態(tài)磷活化率，%。

采用Excel及SPSS 26進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，使用Origin 2018進(jìn)行相關(guān)圖形繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 低分子有機酸對土壤TP釋放的影響

在低分子有機酸作用下灰潮土TP釋放變化如圖1所示。3種有機酸均能明顯促進(jìn)土壤TP的釋放，在相同酸濃度條件下，有機酸釋放灰潮土TP能力為草酸>檸檬酸>蘋果酸。且隨著酸濃度的增高，土壤TP的釋放量增大。在高濃度時，蘋果酸、檸檬酸及草酸對土壤TP的釋放量最大值分別為2.488、4.757、5.099 mg/kg，3種酸對土壤TP釋放率分別增長了180%、161%和217%。濃度為 5 mmol/L 時，草酸的pH達(dá)到最小，為2.743，酸性大于檸檬酸(2.892)及蘋果酸(3.131)，草酸酸性最強，故釋放土壤固定的TP能力最強。TP釋放量隨實驗時間變化趨勢還未出現(xiàn)最高值點，需要需更深入的研究，以確定在不同條件下TP釋放量達(dá)到最大值時的反應(yīng)時間。

圖1 不同有機酸對土壤TP釋放的影響Fig.1 Effects of different organic acids on TP release in soil

2.2 低分子有機酸對土壤不同形態(tài)磷活化的影響

2.2.1 蘋果酸對磷活化的影響

低分子有機酸和土壤中的鐵、鋁等氧化物之間發(fā)生相互作用可以降低土壤對有機物的吸附。此外，有機酸的pH約為3，可溶解難溶性含磷化合物，有機酸中的陰離子與Fe、Al和Ca等金屬離子之間也存在相互作用，從而活化土壤中的磷。蘋果酸對灰潮土磷的影響如表1所示，蘋果酸均能顯著活化灰潮土中的IP、OP、Fe/Al-P及Ca-P，其中對IP活化量最大，活化作用最強，蘋果酸對灰潮土IP活化作用隨濃度升高反而降低，對OP、Fe/Al-P及Ca-P均是在中濃度時活化量最大，但有機酸處理時間對磷活化作用影響不明顯。

表1 蘋果酸對不同形態(tài)磷活化的影響Table 1 Effects of malic acid on activation of different phosphorus forms

2.2.2 檸檬酸對磷活化的影響

不同濃度的檸檬酸對灰潮土處理后4種形態(tài)磷的變化如表2所示。低、中和高濃度下檸檬酸對土壤磷的作用一致，均為顯著活化作用。活化量大小為IP最大，Ca-P與Fe/Al-P次之，OP活化量最小。低濃度時，檸檬酸對土壤OP及Ca-P的活化量隨時間增加而減小。總體上檸檬酸對灰潮土的活化能力與蘋果酸相似。IP與Fe/Al-P在低濃度時活化效果最好，隨著酸濃度的增加，活化作用反而有所降低，但OP活化量隨濃度增加而增加。

表2 檸檬酸對不同形態(tài)磷活化的影響Table 2 Effects of citric acid on activation of different phosphorus forms

2.2.3 草酸對磷活化的影響

草酸在中等濃度時更有利于土壤磷的活化，如表3所示，草酸在低和高濃度時對土壤OP起固定作用而在中濃度時對灰潮土OP起活化作用。在草酸對土壤Ca-P活化實驗中可以得到草酸濃度越高活化能力越強。磷可能通過草酸鈣的形成和沉淀從各種磷酸鈣礦物中釋放出來，草酸鹽之間的反應(yīng)是快速的，因此草酸鹽介導(dǎo)的磷從土壤中的釋放也同樣迅速。由于土壤中含磷的礦物質(zhì)和金屬等對不同有機酸反應(yīng)時間及速率存在影響，最終導(dǎo)致檸檬酸和蘋果酸對土壤磷的活化比草酸有效得多。

表3 草酸對不同形態(tài)磷活化的影響Table 3 Effects of oxalic acid on activation of different phosphorus forms

2.2.4 有機酸對TP活化影響

圖2為低分子有機酸對土壤TP平均活化量影響柱狀圖。3種酸對TP活化能力為蘋果酸≥檸檬酸>草酸，而它們第一解離常數(shù)分別為3.40、3.14和1.20，說明第一解離常數(shù)越大，有機酸活化能力越強。唯一不同的是，草酸濃度越高土壤TP活化量越低，說明草酸隨濃度升高對土壤磷的活化作用降低，到一定濃度時對土壤磷有固化作用，2.2.3節(jié)中草酸在高濃度時對OP起固化作用。不同種類有機酸對土壤TP活化量及活化率變化結(jié)果如圖3所示。

不同大寫字母表示有機酸相同而濃度不同時差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示濃度相同而有機酸不同時差異顯著(P<0.05)圖2 低分子有機酸對土壤TP活化的影響Fig.2 Effects of low molecular organic acids on soil TP activation

蘋果酸對土壤TP的活化率最高為76.5%；檸檬酸在濃度最大時活化率略有減小，平均活化率為64.1%；而草酸對土壤TP的活化率則與濃度呈反比，最低僅為24.5%。檸檬酸和蘋果酸比草酸表現(xiàn)出更強的活化作用原因可能是檸檬酸鹽、蘋果酸鹽及草酸鹽有利于形成具有三價陽離子(如Al3+和Fe3+)的穩(wěn)定5鍵或6鍵環(huán)結(jié)構(gòu)[26]，這解釋了活化TP中包含的Fe/Al-P是中等不穩(wěn)定的磷，其通過化學(xué)吸附更牢固的保持在Fe和Al氧化物的表面[27]，但檸檬酸和蘋果酸相對于草酸有更強的親和力，在酸性土壤中占主導(dǎo)地位，從而比草酸表現(xiàn)出更強的活化能力。

灰潮土在蘋果酸和檸檬酸處理下，有機酸濃度從1 mmol/L增加到3 mmol/L時，隨著酸濃度的增高，土壤TP活化量增高。這與劉娜[28]的研究結(jié)果相似，認(rèn)為一定濃度下有機酸對土壤磷的活化能力隨濃度的增大而增強。而草酸在低濃度時更有利于土壤磷的活化，如圖3(c)所示，隨著酸濃度的增高，草酸對土壤TP的活化作用在不斷減小，所以草酸對灰潮土TP的最佳活化作用的濃度還需更細(xì)致的研究。

圖3 TP活化量及活化率變化Fig.3 Changes of TP activation quantity and activation rate

2.3 土壤TP釋放與活化關(guān)系

不同低分子質(zhì)量有機酸在不同條件下對土壤TP釋放量與活化量之間關(guān)系如圖4所示。可以看出，土壤TP釋放量與活化量之間呈反比關(guān)系，即相同實驗條件下土壤TP釋放量越大，其活化量就越小，原因可能是有機酸對土壤磷活化能力有限，活化總量一定，當(dāng)釋放量增大時，所剩余的活化量就減小。釋放量與活化量之間擬合曲線方程為y=-15.67x2-0.73x+666.61，R2=0.79，表明低分子有機酸對土壤TP釋放量及活化量之間呈現(xiàn)較強的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖4 土壤TP釋放量與活化量之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between TP release and activation in soil

2.4 各因素間相關(guān)性分析

2.4.1 相關(guān)性分析

由表4可知，低分子有機酸實驗中土壤磷釋放量及活化量與有機酸酸種類、濃度及處理時間均有一定相關(guān)性。其中TP釋放量與酸種類和酸濃度的相關(guān)性系數(shù)為0.694和0.529，均為顯著正相關(guān)，而TP活化量則與這兩種因素呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。TP釋放量與TP活化量之間的相關(guān)性系數(shù)為-0.623，進(jìn)一步證明了前面的結(jié)論。酸種類與所有形態(tài)磷均呈顯著性相關(guān)關(guān)系，各形態(tài)磷之間的相關(guān)性也很強。磷的釋放量及活化量隨處理時間相關(guān)性不顯著，原因是實驗時間較短，而有機酸對土壤磷的釋放和活化是很緩慢的過程，所以對于實驗時間這個因素還有待進(jìn)一步研究。

表4 低分子質(zhì)量有機酸實驗各因素相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of various factors in low molecular weight organic acid experiment

2.4.2 方差分析

利用SPSS將數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗以及方差齊性檢驗，根據(jù)柯爾莫戈洛夫-斯米諾夫檢驗得到的顯著性檢驗P值均比0.05大，說明數(shù)據(jù)為正態(tài)分布；根據(jù)單因素ANOVA檢驗，基于中位數(shù)的方差齊性檢驗顯示P>0.05，因此數(shù)據(jù)滿足方差齊性假設(shè)。綜上數(shù)據(jù)符合所有方差分析的前提假設(shè)，可以進(jìn)行方差分析。

分別將土壤TP釋放量及活化量作為因變量，酸種類、酸濃度以及處理時間作為自變量，然后進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示。灰潮土壤的多因素方差分析檢驗的原假設(shè)是各因素對土壤中TP釋放量及活化量沒有顯著性影響，取檢驗的顯著性水平為α<0.05。

從表5可以看出，3個因素及各因素交互作用的檢驗P值都小于0.05，表明這些因素對TP釋放、活化及其交互作用均有顯著影響。這與陳立新等[25]研究結(jié)果相同，土壤無機磷含量變化與磷形態(tài)、有機酸的種類、培養(yǎng)時間及林型等因素均相關(guān)。

表5 灰潮土酸種類、酸濃度及處理時間多因素方差分析Table 5 Analysis of variance of acid species,acid concentration and treatment time in gray aquic soil

從單因素貢獻(xiàn)的Ⅲ類平方和來看，酸種類貢獻(xiàn)大于其他因素，因此酸種類對灰潮土壤TP釋放量及活化量變化影響最顯著。

3 結(jié)論

(1)3種低分子有機酸對固始縣意楊林表層灰潮土壤中的磷均有顯著的釋放和活化能力，釋放能力強弱為：草酸>檸檬酸>蘋果酸；而綜合活化能力則為：蘋果酸≥檸檬酸>草酸，其中草酸在高濃度時對土壤磷有固化作用。蘋果酸和檸檬酸對IP活化作用最強，Ca-P與Fe/Al-P次之且活化作用相當(dāng)，OP最小。草酸則是對Fe/Al-P活化效果強于Ca-P。

(2)灰潮土壤中磷釋放及活化受有機酸的種類、有機酸濃度和處理時間等因素的交互影響。本研究中對于灰潮土壤的磷釋放量及活化量影響最顯著的因素是有機酸的種類，其次是有機酸的濃度和處理時間。磷素在土壤中被固定轉(zhuǎn)變?yōu)闊o效磷，而將無效磷重新轉(zhuǎn)化為有效磷是一個緩慢的過程，會受到土壤礦物、有機質(zhì)、pH和微生物等一系列因素影響，所以對于有機酸活化土壤磷還需要考慮更多因素進(jìn)行更深入研究。