模拟杉木凋落物源有机酸对南方红壤磷的持续释放效应

庄 正, 李艳娟, 刘青青, 于洋洋, 刘 博, 刘爱琴(福建农林大学林学院/国家林业局杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002)

模拟杉木凋落物源有机酸对南方红壤磷的持续释放效应

庄 正, 李艳娟, 刘青青, 于洋洋, 刘 博, 刘爱琴
(福建农林大学林学院/国家林业局杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002)

为模拟杉木凋落物源低分子有机酸对杉木林下土壤中磷的活化和持续释放作用，采用化学浸提法，以外源有机酸(草酸、丙二酸、苹果酸、柠檬酸及其混合酸)和南方红壤为研究材料，设置不同浓度有机酸溶液处理，对南方红壤进行一次性浸提和多次连续浸提.结果表明：在一次性浸提条件下，各类有机酸对土壤磷释放量皆随浓度的上升而上升；2 mmol·L-1浓度处理下各类有机酸对土壤磷释放作用表现为混合酸>草酸≈柠檬酸>丙二酸>苹果酸；4、8 mmol·L-1浓度处理下各类有机酸对土壤磷释放作用表现为草酸≈混合酸>丙二酸≈柠檬酸>苹果酸.通过6次连续浸提，各类有机酸在2 mmol·L-1浓度处理下对土壤磷的释放量表现为先上升后下降的变化趋势；8 mmol·L-1浓度处理对土壤磷的释放量表现为持续下降的变化趋势.不同种类和浓度的有机酸对土壤磷的释放量与其pH呈负相关，与其离子活度呈正相关.

杉木凋落物; 低分子有机酸; 磷; 持续释放

Abstract: In order to investigate the effect of low molecular weight organic acid on the activation and sustained release of phosphorus from soil under Chinese fir plantation, different concentrations of exogenous organic acids, including oxalic acid, malonic acid, malic acid, citric acid and mixed acid, were chosen to extract phosphorus from red soil in Southern China by an one-time and multiple sequential extraction. The results showed that the amounts of phosphorus released increased with increasing concentrations for all kinds of organic acids under one-time extraction. When organic acids were at 2 mmol·L-1, the amount of phosphorus released was in a descending order of mixed acid>oxalic acid≈citric acid>malonic acid>malic acid. When organic acid were at 4 and 8 mmol·L-1, the amount of phosphorus released was in the descending order of oxalic acid≈mixed acid>malonicacid≈citric acid>malic acid. During 6 times of organic acid sequential extraction at 2 mmol·L-1, phosphorus released increased at first and then decreased. However, under 8 mmol·L-1sequential extraction, phosphorus released decreased continuously. Moreover, the amount of phosphorus released were negatively correlated with soil pH value and positively correlated with ionic activity.

Keywords: litter of Chinese fir; low molecular organic acid; phosphorus; sustained release

磷参与植物体内许多重要化合物质的组成和代谢过程，是植物生长所需的大量营养元素之一，在生态系统循环中起到不可替代的作用[1].然而，土壤质地、气候条件等自然因素以及不当的轮作方式、生态破坏等人为因素，导致我国很多地区存在磷素匮乏，对生态环境和农林业发展造成严重阻碍[2].长久以来人们主要通过施肥的方式来提高地力，弥补磷素的不足，但大部分磷肥会以不同形态的磷酸盐固定在土壤中，导致磷肥当季利用率很低[3-4].大量施用含磷肥料不仅不能从根本上解决缺磷问题，还会造成资源浪费和水体富营养化等问题[5]，如何解决缺磷问题已成为实现生态环境与社会经济可持续发展必须解决的问题.

低分子有机酸是一类功能性有机物，普遍存在于植物体内和地表凋落物层中.研究表明[4,6-10]，低分子有机酸能够通过多种化学机制影响土壤中磷的有效性，而这些化学机制可在很大程度上促进土壤磷素释放，尤其在根际微区中，较高浓度有机酸对增加有效养分供应可能有更直接的意义[11,12].对于森林土壤而言，有机酸主要来源于凋落物的分解和淋溶过程[13]，因此林地凋落物对林下土壤有机酸供应和磷素释放具有重要的作用.有关有机酸对土壤磷释放方面的研究较多，但以凋落物源有机酸为试验材料的研究较少[14].研究[15]发现，杉木凋落物中含有大量有机酸，其中优势低分子有机酸包括草酸、丙二酸、苹果酸和柠檬酸，这些有机酸可能会对土壤磷素释放、根际微生物、杉木天然更新等诸多方面产生一定的影响.目前有关杉木凋落物源低分子有机酸对土壤磷释放影响的研究尚未见报道.本试验利用外源有机酸(草酸、丙二酸、苹果酸、柠檬酸及其混合酸)对南方红壤进行一次性浸提和多次连续浸提试验，模拟杉木凋落物源低分子有机酸对杉木林下土壤中磷的持续释放作用，并结合不同浓度有机酸溶液的pH和离子活度，揭示南方红壤磷在杉木凋落物分解过程中的释放行为，并探讨其作用机制，对科学评价低分子有机酸在森林生态系统中的作用具有重要意义，为挖掘林地自身供磷潜力和促进杉木人工林的可持续发展提供参考.

1 材料与方法

1.1 样地和土样基本情况

土壤样品采自福建省三明市莘口镇的福建农林大学莘口教学林场(26°09′ N，117°28′ E)，该地区属于亚热带季风气候，年均气温19.1 ℃，年均降水量1 749 mm，土壤类型为粉砂岩上发育的山地红壤，土层厚度在100 cm以上，代表性植被为15年生第2代杉木林.供试土壤为0～20 cm非根际土壤，基本理化性质见表1.

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical property of tested soil

1.2 解磷试验

在一次性浸提试验中，杉木凋落物源优势低分子有机酸选取草酸、丙二酸、苹果酸和柠檬酸，并根据杉木凋落物枝、叶、果中优势低分子有机酸的含量比例配制混合酸.根据土壤中有机酸含量[16]，设置0、2、4和8 mmol·L-14个处理浓度，每个处理3次重复.称取2.0 g风干土，以1∶10的土水比，加入20 mL有机酸溶液，加2滴百里酚以抑制微生物活动，恒温(25±1) ℃下振荡1 h；以5 000 r·min-1离心10 min，过滤后获得浸提液.用磷钼蓝法[17]测定上清液中的总磷含量.不同浓度有机酸溶液pH和离子活度见表2.

在多次连续浸提试验中，设置2和8 mmol·L-12个浓度处理，每次离心取得浸提液后，即用相同浓度的20 mL溶液将土样洗入原振荡瓶，进行下一轮浸提.对每轮浸提所得浸提液进行精确计量，计算残留在土样中的溶液体积.累计连续浸提6次.一次性浸提试验中，土壤磷释放量的计算公式为：

P=C×V/m

式中，P为磷释放量，C为浸提液中的磷浓度，V为加入有溶液的体积，m为土样质量.

多次连续浸提试验中，第2次浸提后磷释放量的计算公式为：

式中，Pi为第i次的磷释放量，Ci和Ci-1分别为第i次和上一次浸提液中磷的浓度，Vi和Vi-1分别为第i次加入和上一次残留的溶液体积，m为土样质量[9].

磷释放率的计算公式为：R/%=(P/T)×100

式中，R为土壤磷释放率，P为磷释放量，T为土壤全磷含量.

表2 不同浓度有机酸溶液对应的pH和离子活度Table 2 pH value and ionic activity of organic acid solution under different concentrations

1.3 统计方法

有机酸溶液pH和离子活度使用Visual MINTEQ软件计算.采用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差法(LSD)进行差异显著性检验.使用Origin 8.5软件绘图.

2 结果与分析

2.1 一次性浸提的解磷效果

一次性浸提条件下不同种类和浓度的有机酸对土壤磷的释放量见图1.同一有机酸处理对土壤磷的释放量皆随处理浓度的提高而增加，2、4和8 mmol·L-1浓度处理能有效促进土壤磷素的释放，与对照(0 mmol·L-1)相比皆达极显著差异.不同浓度草酸和混合酸处理对磷素释放幅度最大，苹果酸最小.在相同浓度处理下，不同种类有机酸的解磷效率有所差异，2 mmol·L-1浓度处理下各类有机酸对土壤磷释放作用表现为混合酸>草酸≈柠檬酸>丙二酸>苹果酸；8 mmol·L-1浓度处理下各类有机酸对土壤磷的释放作用表现为草酸≈混合酸>丙二酸≈柠檬酸>苹果酸.

由表2可知，不同种类和浓度的有机酸对土壤磷的释放量与其pH值呈负相关，与其离子活度呈正相关.随着各类有机酸浓度的提高，其pH逐渐下降，H+和有机酸根离子活度逐渐增大，与之相应的磷释放量也逐渐增大，可见低pH和高离子活度更有利于磷素的溶解和释放；不同种类有机酸对应的pH和离子活度有所差异.与相同浓度下其它3类有机酸相比，草酸pH较低，离子活度较高，对应的磷释放量也较高.

2.2 多次连续浸提的解磷效果

由图2～6可知：随着浸提次数的增加，各类有机酸在2 mmol·L-1浓度下对土壤磷释放量皆呈现出先上升后下降的变化趋势，且在第3次浸提时达到峰值.草酸在前3次浸提中，土壤磷释放量上升幅度最大，苹果酸最小；第3次浸提之后草酸和混合酸对土壤磷释放量的下降幅度最大，苹果酸最小；在8 mmol·L-1浓度下，各类有机酸在第1次浸提时土壤磷释放量较高，但解磷效率随着浸提次数的增加而下降，其中草酸和混合酸的下降幅度最大，苹果酸最小.在前2次浸提中，各类有机酸在2 mmol·L-1浓度下，土壤磷的释放量比8 mmol·L-1浓度下的少.随着浸提次数的增加，草酸、丙二酸、柠檬酸和混合酸在2 mmol·L-1浓度下对土壤磷的释放量逐渐超过8 mmol·L-1浓度；2 mmol·L-1浓度的苹果酸对土壤磷的释放量在6次浸提中皆少于8 mmol·L-1浓度处理.

2.3 多次连续浸提对磷累积释放率的影响

由表1、3可知，连续6次浸提后，各类有机酸对土壤已释放出较多的磷素，磷素累积释放量已远远超过有效磷含量，可见杉木凋落物中低分子有机酸对南方红壤中难溶性磷具有一定的活化作用；虽然在连续浸提试验中2种处理浓度对土壤磷释放量整体上呈现交互领先的规律(除苹果酸)，但8 mmol·L-1浓度处理对磷的累积释放率在同一有机酸处理下皆高于2 mmol·L-1浓度处理；在相同浓度处理下，草酸和混合酸对土壤磷的累积释放率最高，丙二酸和柠檬酸次之，苹果酸最低.

不同大写字母表示同一有机酸不同浓度处理效果在P<0.01水平下达极显著差异；不同小写字母表示同一浓度不同有机酸处理效果在P<0.01水平下达极显著差异.图1 一次性浸提条件下不同种类和浓度有机酸对土壤磷的释放量Fig.1 Phosphorus released from soils under different types and concentrations of organic acids in one-time extraction

不同大写字母表示2 mmol·L-1浓度处理对土壤磷的释放量在P<0.01水平下达极显著差异；不同小写字母表示8 mmol·L-1浓度处理对土壤磷的释放量P<0.01水平下达极显著差异.图2 连续6次草酸浸提下的土壤磷释放量 Fig.2 Phosphorus released from soils by 6 times of oxalic acid sequential extraction

不同大写字母表示2 mmol·L-1浓度处理对土壤磷的释放量在P<0.01水平下达极显著差异；不同小写字母表示8 mmol·L-1浓度处理对土壤磷的释放量P<0.01水平下达极显著差异.图3 连续6次丙二酸浸提下的土壤磷释放量 Fig.3 Phosphorus released from soils by 6 times of malonic acid sequential extraction

不同大写字母表示2 mmol·L-1浓度处理对土壤磷的释放量在P<0.01水平下达极显著差异；不同小写字母表示8 mmol·L-1浓度处理对土壤磷的释放量P<0.01水平下达极显著差异.图4 连续6次苹果酸浸提下的土壤磷释放量Fig.4 Phosphorus released from soils by 6 times of malic acid sequential extraction

不同大写字母表示2 mmol·L-1浓度处理对土壤磷的释放量在P<0.01水平下达极显著差异；不同小写字母表示8 mmol·L-1浓度处理对土壤磷的释放量P<0.01水平下达极显著差异.图5 连续6次柠檬酸浸提下的土壤磷释放量Fig.5 Phosphorus released from soils by 6 times of citric acid sequentialextraction

不同大写字母表示2 mmol·L-1浓度处理对土壤磷的释放量在P<0.01水平下达极显著差异；不同小写字母表示8 mmol·L-1浓度处理对土壤磷的释放量P<0.01水平下达极显著差异.图6 连续6次混合酸浸提下的土壤磷释放量Fig.6 Phosphorus released from soils by 6 times of mixed acid sequential extraction

表3 多次连续浸提对磷累积释放率的影响Table 3 Effect of multiple sequential extraction on phosphorus accumulated release rate

3 小结与讨论

本研究结果表明，不同种类和浓度的低分子有机酸对土壤磷释放的作用有所差异.在同一有机酸处理下，土壤磷释放量随处理浓度的上升而增大.这与不同浓度有机酸的pH和离子活度相关，不同浓度有机酸对土壤磷释放量与pH呈负相关，与离子活度呈正相关.研究[18,19]也表明：有机酸电离的H+和有机阴离子能促进土壤中磷素的释放，有机阴离子能与Fe3+、Al3+等形成稳定配合物，其在矿物上的吸附会减少磷吸附点，从而促进磷素释放；不同浓度有机酸的pH和离子活度与溶解作用以及交换吸附和配位吸附等作用密切相关.

本研究结果表明，不同种类有机酸的解磷效率不同，草酸处理对土壤磷释放量最大，苹果酸最低.胡红清等[10]认为有机酸影响土壤吸附磷的作用首先取决于有机酸的类型，不同有机阴离子对土壤吸附磷的抑制能力有所不同；刘丽等[20]比较不同浓度柠檬酸和苹果酸对土壤磷活化的影响，发现柠檬酸对土壤磷的活化能力高于苹果酸，但认为造成这种现象的原因可能是不同种类有机酸的功能基数目及螯合能力不同造成的；Earl et al[21]则认为，不同有机酸的作用机制不同，柠檬酸的作用机制是减少磷素的吸附点位，酒石酸则通过溶解与竞争抢占吸附点位.本研究结果表明，各类低分子有机酸能有效促进土壤难溶性磷的释放，其对土壤磷的释放量皆随处理浓度的提高而增大.在2 mmol·L-1浓度下混合酸的解磷效率最佳，在4和8 mmol·L-1浓度下草酸和混合酸的解磷效率较高，苹果酸的解磷效率在系列浓度处理下皆低于其他种类有机酸.低分子有机酸对土壤磷的释放量具有一定的累加性，多次连续浸提条件下各类低分子有机酸在2 mmol·L-1浓度处理下对土壤磷的释放量呈现先上升后下降的变化规律，在8 mmol·L-1浓度处理则表现出持续下降的趋势.不同种类和浓度的低分子有机酸对土壤磷的释放作用与其pH呈负相关，与其离子活度呈正相关.经过多次连续浸提，土壤磷素仍有持续释放的趋势，6次浸提累积的磷释放量较大，远超过有效磷含量，可见杉木凋落物源低分子有机酸对林下土壤中难溶性磷具有一定的释放作用.崔晓阳等[9]研究表明，这种累加效应意味着在自然环境中连续降雨会将凋落物中的有机酸源源不断地淋溶到土壤中，所以对磷的释放作用是累加的，会对林木生长产生显著影响.

2种浓度处理在连续多次浸提条件下对土壤磷的释放规律表现为：随着浸提次数的增加，2 mmol·L-1浓度处理对磷的释放量呈先上升后下降的趋势，8 mmol·L-1浓度下磷的释放量呈现出不断下降的趋势.在同一有机酸处理下，由于8 mmol·L-1浓度有机酸的pH比2 mmol·L-1浓度有机酸更低，且离子活度更高，所以其在初次浸提中的解磷效率远远高于后者；但是随着浸提次数的增加，其解磷效率大大下降.这与冯晨等[22]研究结果相似.2 mmol·L-1浓度处理土壤磷的初次释放量较低；随着浸提次数的增加，其解磷效率呈先上升后下降的趋势.这可能是低浓度低分子有机酸对土壤磷素的释放存在滞后现象造成的[23].

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(责任编辑:叶济蓉)

Sustainedreleaseofphosphorusbyorganicacidextractionfromlitter-derivedredsoilfromChinesefirplantationinSouthernChina

ZHUANG Zheng, LI Yanjuan, LIU Qingqing, YU Yangyang, LIU Bo, LIU Aiqin
(College of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University/State Forestry Administration Engineering Research Center of Chinese Fir, Fuzhou, Fujian 350002, China)

S158.3

A

1671-5470(2017)05-0569-07

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.05.015

2016-12-07

2017-03-19

国家重点研发计划项目(2016YFD0600301)；国家自然科学基金资助项目(30970451)；福建农林大学科技发展基金项目(KF2015035).

庄正(1992-)，男，硕士研究生.研究方向：森林资源与环境.通讯作者刘爱琴(1966-)，女，研究员.研究方向：森林土壤研究.Email：fjlaq@126.com.