莊正+王俊男+劉志剛+于洋洋+李艷娟+劉愛(ài)琴

摘要：為探究杉木凋落物源低分子有機(jī)酸對(duì)南方紅壤磷的釋放作用及作用機(jī)制，以南方紅壤為研究對(duì)象，采用化學(xué)浸提法比較4種低分子有機(jī)酸（草酸、丙二酸、蘋(píng)果酸、檸檬酸）及4種酸的混合對(duì)南方紅壤磷、鐵、鋁釋放量的影響。研究結(jié)果表明，與對(duì)照相比，5類(lèi)有機(jī)酸在不同濃度處理下皆能有效促進(jìn)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(shì)，且各有機(jī)酸處理對(duì)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(píng)果酸；低分子有機(jī)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(jī)酸能有效促進(jìn)土壤磷釋放，且釋放作用和有機(jī)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(duì)于杉木森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)具有促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：杉木凋落物；低分子有機(jī)酸；磷釋放；離子活度

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

收稿日期：2017-02-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：30970451）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2016YFD0600300）；福建農(nóng)林大學(xué)科技發(fā)展基金（編號(hào)：KF2015035）。

作者簡(jiǎn)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(ài)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(jī)酸是普遍存在于森林系統(tǒng)中的含有羧基的一類(lèi)功能性有機(jī)物，主要包括脂肪族和芳香族2大類(lèi)，常見(jiàn)于森林土壤和凋落物中，主要來(lái)源于有機(jī)殘?bào)w分解、植物根系分泌和微生物代謝，森林土壤有機(jī)酸主要來(lái)源于凋落物的分解和淋溶過(guò)程[1-2]。低分子有機(jī)酸是含有1～3個(gè)羧基的弱酸，在土壤溶液可溶性有機(jī)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(duì)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(guò)程產(chǎn)生重要影響[4]，因此，低分子有機(jī)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(guó)外開(kāi)始對(duì)有機(jī)酸的相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行探索，多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在有機(jī)酸的來(lái)源、組成、功能和現(xiàn)狀等方面展開(kāi)了大量研究，并取得了大量的研究成果[5]。受多種作用機(jī)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(jī)酸可以促進(jìn)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(jī)酸對(duì)土壤磷解吸的過(guò)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(jī)制上有著密不可分的聯(lián)系[7-8]。

杉木是我國(guó)南方普遍種植的經(jīng)濟(jì)用材樹(shù)種，具有生長(zhǎng)快、材質(zhì)好、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等眾多優(yōu)點(diǎn)，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(wèn)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(jī)酸，其中優(yōu)勢(shì)低分子有機(jī)酸包括草酸、丙二酸、蘋(píng)果酸和檸檬酸[10]，這些源自杉木凋落物的有機(jī)酸可能會(huì)對(duì)林下土壤磷的有效性、土壤酶活性、微生物種類(lèi)和數(shù)量乃至整個(gè)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(jī)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(jī)酸的共同作用下完成的，而不是單一一種有機(jī)酸的作用，目前，關(guān)于有機(jī)酸解磷方面的報(bào)道雖多，但大多數(shù)是以單酸的形式進(jìn)行研究，而對(duì)混合有機(jī)酸的研究比較缺乏，特別是關(guān)于杉木凋落物源有機(jī)酸對(duì)土壤磷釋放作用的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。此外，關(guān)于有機(jī)酸對(duì)土壤磷釋放的作用機(jī)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(jìn)行解釋?zhuān)写a(bǔ)充和完善。鑒于此，以南方紅壤和外源有機(jī)酸為研究材料，并根據(jù)杉木凋落物源低分子有機(jī)酸的含量比例配制混合酸，進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，探索低分子有機(jī)酸對(duì)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(jī)酸離子活度研究其作用機(jī)制，為科學(xué)評(píng)價(jià)杉木凋落物源低分子有機(jī)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(diǎn)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(chǎng)（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(lèi)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(jī)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(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

1.2試驗(yàn)方法

根據(jù)劉露奇的研究，發(fā)現(xiàn)杉木凋落物源優(yōu)勢(shì)低分子有機(jī)酸[10]，選取外源有機(jī)酸即草酸、丙二酸、蘋(píng)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(shì)低分子有機(jī)酸的含量比例（草酸 ∶丙二酸 ∶蘋(píng)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(jī)酸含量，設(shè)置1、2、4、8 mmol/L 4個(gè)濃度梯度，以純水為對(duì)照，每個(gè)處理3次重復(fù)。不同濃度有機(jī)酸對(duì)應(yīng)的pH值和離子活度見(jiàn)表1。

土樣自然風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，稱(chēng)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(jī)酸溶液，加入2滴百里酚以抑制微生物活動(dòng)，通過(guò)恒溫（25±1）℃振蕩浸提法[11]制取浸提液，以鉬藍(lán)法[12]測(cè)得浸提液中總磷含量，用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定浸提液中鐵、鋁含量。1.3數(shù)據(jù)計(jì)算和分析endprint

土壤磷/鐵/鋁釋放量計(jì)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(jì)算公式如下：

R=P/T×100%。

式中：R為土壤磷釋放率（%）；P為有機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析和最小顯著差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)；使用Origin 8.5軟件繪圖。

2結(jié)果與分析

2.1低分子有機(jī)酸對(duì)土壤磷釋放的影響

從圖1可以看出，不同有機(jī)酸在不同濃度處理下對(duì)土壤磷釋放均有促進(jìn)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(jī)酸濃度從1 mmol/L到 8 mmol/L，草酸和混合酸對(duì)土壤磷釋放量的上升幅度均超過(guò)1 100%，遠(yuǎn)高于丙二酸、蘋(píng)果酸和檸檬酸，可見(jiàn)隨著濃度的增加，丙二酸、蘋(píng)果酸和檸檬酸對(duì)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(lèi)有機(jī)酸對(duì)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(lèi)有機(jī)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(píng)果酸對(duì)土壤磷的釋放量在4種系列濃度下均低于

其他4類(lèi)有機(jī)酸。

從表2可以看出，低分子有機(jī)酸對(duì)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(jī)酸對(duì)土壤磷的釋放率不斷提高，在8 mmol/L濃度時(shí)各有機(jī)酸對(duì)土壤磷的釋放量皆超過(guò)有效磷含量（“1.1”節(jié)）。在1～8 mmol/L系列濃度處理下，對(duì)土壤磷釋放率最高的分別為檸檬酸、混合酸、草酸、混合酸，蘋(píng)果酸在不同濃度處理下對(duì)土壤磷的釋放率最低，上升幅度最小。

2.2低分子有機(jī)酸對(duì)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(jī)酸皆能促進(jìn)土壤鐵釋放，與對(duì)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(duì)土壤鐵的釋放量在8 mmol/L濃度時(shí)比分別1 mmol/L濃度時(shí)提高187.43%、148.8%，丙二

表2杉木凋落物源低分子有機(jī)酸對(duì)土壤磷釋放率的影響%

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

2.3低分子有機(jī)酸對(duì)土壤鋁釋放的影響

從圖3可以看出，與對(duì)照比較，不同濃度有機(jī)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(píng)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(duì)土壤鋁的釋放量與對(duì)照差異顯著。在相同濃度處理下，5類(lèi)有機(jī)酸的解鋁效率有所不同：在1、2 mmol/L濃度處理下，檸檬酸對(duì)土壤鋁的釋放作用較強(qiáng)，當(dāng)處理濃度上升至4、8 mmol/L時(shí)，草酸、混合酸對(duì)土壤鋁的釋放作用顯著增強(qiáng)。蘋(píng)果酸對(duì)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(lèi)有機(jī)酸相比差異顯著。

2.4低分子有機(jī)酸對(duì)土壤磷釋放量與鐵、鋁釋放量之間的關(guān)系

不同種類(lèi)低分子有機(jī)酸在不同濃度處理下對(duì)土壤磷、鐵、鋁的釋放量分析結(jié)果見(jiàn)圖4，由散點(diǎn)整體分布可知，隨著低分子有機(jī)酸對(duì)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(jī)酸對(duì)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(shí)際發(fā)揮作用的有效濃度[13]。在本試驗(yàn)中，隨著低分子有機(jī)酸濃度的上升，其離子活度也隨之上升，這與低分子有機(jī)酸對(duì)土壤磷釋放規(guī)律相吻合，即低分子有機(jī)酸對(duì)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(jī)酸濃度上升時(shí)，有機(jī)酸電離的有機(jī)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(huì)增加。由此可以推斷，當(dāng)有機(jī)陰離子和鐵鋁氧化物表面吸附的磷進(jìn)行配位體置換作用時(shí)，或者與磷酸根競(jìng)爭(zhēng)吸附點(diǎn)位時(shí)，以及在與金屬離子螯合過(guò)程中，離子活度的增加會(huì)提高有機(jī)陰離子的有效性，從而進(jìn)一步促進(jìn)土壤磷的釋放。崔曉陽(yáng)等在草酸/草酸鹽對(duì)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(duì)土壤磷釋放量也隨之增加，并通過(guò)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(jī)酸處理對(duì)土壤磷釋放量有所不同，這也很可能與不同有機(jī)酸離子活度差異密切相關(guān)，例如高濃度草酸對(duì)土壤磷的釋放量高于其他3類(lèi)有機(jī)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(jī)制的多樣性，造成有機(jī)酸解磷效果差異的因素有很多，包括有機(jī)酸基團(tuán)形式、土壤類(lèi)型等多種因素，胡紅青等認(rèn)為，有機(jī)酸影響土壤吸附磷的作用首先取決于有機(jī)酸的類(lèi)型[5]；不同有機(jī)陰離子對(duì)土壤吸附磷的抑制能力有所不同，例如檸檬酸與陽(yáng)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(dòng)磷素[15]；Earl等研究發(fā)現(xiàn)，檸檬酸的作用機(jī)制主要是減少磷素的吸附點(diǎn)位，酒石酸則通過(guò)溶解與競(jìng)爭(zhēng)的方式搶占吸附點(diǎn)位[16]。endprint

有機(jī)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(jī)酸釋放土壤磷的過(guò)程中，H+的貢獻(xiàn)占25%～40%，有機(jī)酸通過(guò)降低土壤pH值，從而促進(jìn)難溶性磷化合物的溶解[15]。研究發(fā)現(xiàn)，不同有機(jī)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(jiàn)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(duì)土壤磷釋放起作用的僅是有機(jī)酸陰離子，而在紅壤上則是有機(jī)酸陰離子和H+的共同作用，可見(jiàn)H+在不同土壤類(lèi)型上對(duì)土壤磷釋放的作用有所差異。在本研究中，有機(jī)酸pH值的降低也會(huì)促進(jìn)土壤鐵、鋁釋放量的增加，可見(jiàn)H+與金屬元素的釋放密切相關(guān)。Traina等證明，有機(jī)酸活化土壤磷的主要機(jī)制是通過(guò)溶解土壤中的鐵、鋁等金屬氧化物，從而減少磷的吸附點(diǎn)位，使磷釋放出來(lái)[18]。劉麗等在低分子有機(jī)酸對(duì)土壤磷活化的研究中也發(fā)現(xiàn)，有機(jī)酸對(duì)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(lèi)有機(jī)酸處理對(duì)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(jī)酸的離子活度差異造成的。陸文龍等認(rèn)為，不同有機(jī)酸與鐵、鋁等金屬配合的穩(wěn)定常數(shù)的不同也會(huì)造成對(duì)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(jī)酸更有利于促進(jìn)土壤金屬元素的釋放[17]。也有學(xué)者從動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)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(jī)酸主要以專(zhuān)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(jī)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(jī)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(duì)鐵鋁氧化物表面的絡(luò)合作用以及直接對(duì)鐵、鋁、鈣、磷酸鹽的絡(luò)合作用都會(huì)促進(jìn)土壤鐵、鋁等金屬元素的釋放，而這一過(guò)程也會(huì)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(yàn)結(jié)果一致。Gardner等曾提出磷-金屬（Fe、Al）-有機(jī)酸三元復(fù)合體這一概念，他認(rèn)為植物根系分泌的有機(jī)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(dòng)性，磷-金屬（Fe、Al）-有機(jī)酸三元復(fù)合體解磷機(jī)制雖然仍是假說(shuō)，但這也從側(cè)面反映磷-金屬-有機(jī)酸在土壤中密不可分的關(guān)系。

綜上可知，低分子有機(jī)酸對(duì)土壤磷、鐵、鋁的釋放有明顯的促進(jìn)作用，且釋放量隨處理濃度上升而增加；綜合低分子有機(jī)酸對(duì)土壤磷、鐵、鋁的釋放量來(lái)看，草酸和混合酸對(duì)其釋放量影響最大，丙二酸和檸檬酸次之，蘋(píng)果酸最低；有機(jī)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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