氧化/磺化腐殖酸对潮土中Cu、Zn、Fe、Mn有效性的影响

2019-10-16孙静悦林治安张水勤赵秉强李燕婷

植物营养与肥料学报 2019年9期

孙静悦，袁亮，林治安，张水勤，赵秉强，李燕婷

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081）

土壤对植物必需营养元素尤其是微量元素的供给，不仅与土壤中该元素的总量有关，更取决于其生物有效性，而营养元素的生物有效性取决于其在土壤中的化学存在形态，其中，以溶解态和可交换态存在的元素最易被植物吸收利用，是土壤中短期内最具生物有效性的组分[1-3]。我国华北地区的石灰性土壤具有较高的pH值和碳酸钙含量，导致土壤中微量元素的有效性不高[4-6]。

腐殖酸作为天然有机高分子化合物，含有羧基、羰基、羟基、醌基等多种官能团，具有较高的反应活性，广泛存在于褐煤、风化煤、泥炭等自然资源中[7-8]。当腐殖酸物质进入土壤后，能够通过离子交换、吸附、络合、螯合等反应来影响土壤中微量元素的生物有效性[9-12]。近年来，国内外学者关于腐殖酸与微量元素有效性方面的研究结论不一，有研究表明，腐殖酸能够增加土壤中微量元素的有效性，促进植株对微量元素的吸收[13-18]，但也有研究表明腐殖酸能够与微量元素形成沉淀，从而使微量元素的生物有效性降低[9,19-21]，有研究者认为研究结论之所以不一致可能与腐殖酸本身的来源或结构不同有关，腐殖酸中参与反应的官能团种类、数量和性质上的差异会导致络合稳定性不同[22]，进而影响微量元素的有效性，将腐殖酸进行人工改性是获得不同结构腐殖酸的快速手段，氧化和磺化是较为安全环保的腐殖酸改性方式且不引入杂质[23]。然而，改性腐殖酸提高土壤微量元素有效性的效果研究还较少，鉴于此，本研究以风化煤腐殖酸为原材料，通过氧化和磺化技术获得改性腐殖酸，比较了改性前后的腐殖酸材料对土壤微量元素有效性的影响，结合腐殖酸的结构特征分析产生这些效果差异的原因，以期为开发提高微量元素有效性的腐殖酸功能材料提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 土壤供试土壤采自中国农业科学院德州盐碱土改良实验站禹城试验基地连续三年未施用任何肥料的匀地试验场，土壤类型为潮土，质地为轻壤。采集0—20 cm耕层土壤，自然风干，过1 mm筛，混匀备用。其基本理化性质如下：pH 7.98、有机质10.06 g/kg、有效铜 1.32 mg/kg、有效锌1.73 mg/kg、有效铁5.46 mg/kg、有效锰2.09 mg/kg。

1.1.2 腐殖酸供试腐殖酸为风化煤腐殖酸(以下简称腐殖酸，HA)，产地内蒙古。采用4因素3水平正交试验设计进行腐殖酸的双氧水氧化改性及亚硫酸钠磺化改性，分别获得研究目标产物氧化腐殖酸(YHA)和磺化腐殖酸(SHA)。HA、YHA和SHA的基本性质见表1。

1.2 试验方法

每个腐殖酸设30、100、300 mg/kg三个添加量，以不施任何腐殖酸为对照，共10个处理。将不同腐殖酸(HA、YHA、SHA)分别按不同用量与500 g干土混匀，装入培养瓶中，调节含水量至田间持水量的60%，置于25℃人工气候箱中进行恒温培养，并保持土壤湿度恒定，每个处理重复3次。

分别在培养后第3、7、15、30、60天采样，所采土壤样品自然风干，研磨过1 mm筛。土壤pH(土水比1∶2.5)测定采用电位法；有机质测定采用K2Cr2O7-H2SO4消化法；土壤有效Cu、Zn、Fe用pH 7.30的0.005 mol/L DTPA浸提剂提取，有效Mn用1 mol/L的中性NH4OAC溶液提取[24]，各提取液中相应有效元素含量均用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-AES)测定。

表1 腐殖酸基本性质Table1 Basic characteristic of humic acids

1.3 数据处理

分别采用Origin 9.0、SPSS17.0和Duncan新复极差法对数据进行作图和统计分析。

2 结果与分析

2.1 氧化和磺化改性对腐殖酸结构的影响

由图1可知，三种腐殖酸样品的谱线峰型在波数4000～1250 cm-1段整体相近，在波数1250～500 cm-1段差异较大，都有以下4个主要红外吸收峰: 1)1580 cm-1波长处，芳烃C=C伸缩振动、羧基对称伸缩、N-H弯曲变形和C=N伸展；2)1380 cm-1波长处，酚羟基中的O-H和C-O伸缩、烷烃 -CH2和-CH3中C-H变形和COO-的反对称伸缩；3)1108 cm-1波长处，饱和醚、多糖或多糖类物质的C-O伸缩；4)622 cm-1波长处，炔烃C-H弯曲振动。进一步分析可知，同一官能团在不同样品中振动强度存在一定的差异。与腐殖酸(HA)相比，氧化腐殖酸(YHA)在1580 cm-1、1380 cm-1波长处振动强度略有增加；而磺化腐殖酸(SHA)在1108 cm-1、622 cm-1波长处吸收峰明显增强，并在1193 cm-1处产生磺酸基反对称伸缩振动，在971 cm-1处产生硫氧S-O伸缩。由此可见，氧化和磺化均改变了腐殖酸结构中官能团的数量(羧基，酚羟基)，而磺化还增加了官能团的种类(磺酸基)，总之，磺化改性对其结构影响较大。

图1 腐殖酸的傅里叶变换红外图谱Fig.1 FTIR spectra of humic acids

由表2可以看出，所有腐殖酸样品结构中均以芳香碳(110～145 ppm)含量最高，以该种形式存在的碳占全部含碳官能团的59.40%～63.35%，烷基碳(0～63 ppm)以及和糖、多糖相关的氧烷基碳(63～110 ppm)之和占全部含碳官能团的22.52%～31.72%，其次为酚羟基和羧基碳(145～190 ppm)，占全部含碳官能团的8.88%～15.0%；酮基/醛基碳(190～220 ppm)占全部含碳官能团的比例最小，在1%左右。同一官能团在不同样品中的相对含量也存在较大的差异。HA经过氧化改性后芳香碳含量降低4.29%，烷基/氧烷基碳增加2.31%，同时酚羟基碳、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%，而酚羟基碳、羧基碳、酮/醛基碳含量明显减少。总体来看，YHA与HA的结构具有较大的相似性，而SHA与HA的结构差别较大。

2.2 不同腐殖酸对潮土pH的影响

由表3可以看出，与对照处理相比，施用HA 30、100、300 mg/kg，在培养前期(3～15 d)土壤pH变化较大，特别是培养3 天时，土壤pH显著增加，较CK提高了0.19～0.34个单位；施用YHA 30、100、300 mg/kg后，土壤pH在培养期内较CK增加0～0.20个单位；施用SHA 30、100、300 mg/kg，在培养期内较CK增加0.01～0.06个单位。

表3 腐殖酸对土壤pH的影响Table3 Effects of humic acids on soil pH

2.3 不同腐殖酸对潮土铜有效性的影响

根据试验结果(图2)，各腐殖酸的不同用量在不同培养期内对土壤铜有效性影响不同。一周(7 d)内，除HA 100及300 mg/kg在第7天使有效铜含量降低外，其他处理均增加土壤铜有效性。一周后，与CK相比，施用30～100 mg/kg的HA和YHA土壤有效铜含量分别提高了31.2%、28.5%、13.8%、16.4%，而SHA 30及100 mg/kg土壤有效铜含量与CK无显著差异；施用300 mg/kg的HA、YHA和SHA均可显著提升土壤铜的有效性，有效铜含量分别提高了32.0%、12.9%、15.7%。

2.4 不同腐殖酸对潮土锌有效性的影响

由图3可以看出，腐殖酸对土壤有效锌含量的影响呈现阶段性变化。7～15天内，施用30～300 mg/kg三种腐殖酸均可增加土壤有效锌含量，其中以HA效果最佳，第15天土壤有效锌含量增加了11.8%～20.3%，与CK差异显著，其次为YHA，土壤有效锌含量增加了3.8%～9.3%。15～60天，施用三种腐殖酸显著降低了土壤有效锌含量，至30天时降低了11.3%～18.6%，以HA对土壤有效锌含量降低作用最大，但同一用量下不同腐殖酸处理间差异不显著。

2.5 不同腐殖酸对潮土锰有效性的影响

图4表明，在培养期间，施用腐殖酸15天可提高土壤锰有效性，30～100 mg/kg用量下，以HA作用最明显，土壤有效锰含量最多可提高5.6%，与CK差异显著，300 mg/kg用量时，SHA使土壤有效锰含量较CK提高13.6%，与CK差异显著。15天后，施用腐殖酸HA、YHA、SHA土壤有效锰含量较CK分别降低8.5%、5.9%、2.4%，其中HA的作用最明显，30～100 mg/kg用量下，土壤有效锰含量降低了7.7%～10.0%，与CK差异显著。

图2 不同腐殖酸及用量对土壤铜有效性的影响Fig.2 Effect of different humic acids and rates on the availability of copper in soil

图3 不同腐殖酸及用量对土壤锌有效性的影响Fig.3 Effect of different humic acids and rates on the availability of zinc in soil

图4 不同腐殖酸及用量对土壤锰有效性的影响Fig.4 Effect of different humic acids and rates on the availability of manganese in soil

2.6 不同腐殖酸对潮土铁有效性的影响

由图5可知，施用HA、YHA和SHA三种腐殖酸一周(7 d)均降低了土壤中铁元素的有效性；而培养15天，土壤铁有效性增加，与CK相比，施用HA30～300 mg/kg可使土壤有效铁含量增加4.3%～7.2%，施用SHA30 mg/kg土壤铁有效性增加4.3%，施用YHA300 mg/kg土壤铁有效性增加6.8%；之后，各处理土壤有效铁含量下降，处理间无显著差异。

3 讨论

土壤微量营养元素的移动、积累及其有效性与土壤中有机物有很大关系[25]，腐殖酸作为一种外源有机物添加至土壤中，由于其结构的复杂性(分子量、官能团)，与土壤中元素反应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双重作用，影响土壤微量营养元素的赋存状态[26]，不同结构腐殖酸官能团种类、数量和性质上的差异会导致其金属配合物稳定性不同[27]。

当腐殖酸施入土壤后，由于存在离子间的竞争作用，腐殖酸对铜元素有效性的影响大于锌、铁和锰[27]。施用腐殖酸能够增加土壤中铜的有效性(图2)，这与刘平等[28-29]的研究结果一致。试验中，磺化腐殖酸对土壤中有效态铜含量的提升效果弱于其他两种腐殖酸，可能是由于磺化腐殖酸中羧基和脂族氮配体等能够与铜配位[30-32]的位点相对减少，使得其与铜离子形成的配合物不稳定，容易重新被土壤矿物所吸附[33-34]。但也有研究认为腐殖酸中磺酸基基团能够与铜强配位[35]，本试验中，腐殖酸经过磺化改性后，磺酸基含量明显增加(图1)使得配位能力随之增加，但这种较强配合倾向可能使被配合的铜较难释放而失去有效性。由于腐殖酸对微量元素的移动和对植物营养的价值取决于配合物的稳定性，较弱或较强的配合作用均不利于土壤中有效铜含量的增加，因此，腐殖酸(HA)和氧化腐殖酸(YHA)较磺化腐殖酸(SHA)更容易活化土壤中的铜，在本试验中，30～100 mg/kg用量下，腐殖酸(HA)对土壤铜的活化作用明显优于磺化腐殖酸(SHA)。

图5 不同腐殖酸及用量对土壤铁有效性的影响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，腐殖酸与锌、锰的配合物具有低稳定性[36]，当腐殖酸施入土壤后，腐殖酸中小分子组分的酚羟基和弱酸性的羧基首先与锌、锰元素以较弱的键形成可溶性配合物，减少了锌、锰元素离子在土壤表面的吸附，提高了其有效性[37-38]。随着时间的延长，配合物重新被土壤矿物吸附，而且腐殖酸中大分子组分的强酸性羧基能够以稳定的形式吸附锌、锰，形成较强的配位键[39]，从而使土壤中锌、锰元素有效性降低，这可能是试验培养期间各腐殖酸处理土壤中锌、锰有效态含量波动较大且具有阶段性(图3、图4)的原因之一，具体表现为腐殖酸并非总是活化或者钝化土壤中的微量元素，在培养15天，腐殖酸对土壤锌和锰有活化作用，而之后则起到钝化作用，这与前人的研究结果[17,40-41]类似。腐殖酸(HA)和氧化腐殖酸(YHA)由于具有较多的羧基、酚羟基等含氧官能团(表2)，配位能力增强，因此，在培养后期其对锌、锰元素的钝化作用要强于磺化腐殖酸(SHA)。腐殖酸对土壤中锌、锰元素的作用相似，也可能与腐殖酸和锌、锰的亲和力相似[17,42]有关。

试验中，不同腐殖酸对土壤铁有效性的影响虽然也呈现出阶段性，但规律不明显，这可能是土壤pH与腐殖酸加入共同作用的结果。石灰性土壤中铁的有效性受pH值影响较大，每升高1个pH值单位，铁的溶解度将降低1000倍[43]，培养初期(0～7天)各腐殖酸处理土壤有效铁含量的大量降低可能与土壤pH升高有关。另外，许多研究表明，腐殖酸与铁的配合作用可能与其分子量大小和羧化程度有关，羧基是铁的主要结合位点[44-46]，具有高羧化度的化合物作为铁的强配体，而具有较低羧化度的化合物将作为较弱的配体[47-48]。因此，培养0～30天，腐殖酸(HA)和氧化腐殖酸(YHA)由于具有较多的羧基基团，易与铁形成相对稳定的配合物，而磺化腐殖酸(SHA)由于羧基含量减少(表2)以及分子量降低，易与铁形成不稳定的配合物，随时间的延长，在培养后期(30～60天)，由于磺化腐殖酸(SHA)与铁形成的配合物中的铁可能会重新被土壤矿物吸附[17,49]。因此在不同的培养期，腐殖酸对土壤铁的有效性不同。由于铁元素为变价元素，有机铁配合物稳定性也易受土壤氧化还原作用的影响[50]，在本试验中，不同种类腐殖酸对土壤铁有效性的影响规律不明显可能与此有关。

另外，在本试验条件下，通过磺化改性所得到的磺化腐殖酸(SHA)与腐殖酸(HA)、氧化腐殖酸(YHA)在元素含量上差异较大，特别是碳含量相对降低较多(表1)，可能是由于在磺化改性过程中引入了较多的硫和氧元素所致，傅里叶变换红外光谱分析结果也表明，磺化腐殖酸分别在1193 cm-1、971 cm-1处产生较强的磺酸基反对称伸缩振动和硫氧(S-O)伸缩振动(图1)。但限于本试验研究方法和测试手段，磺化改性后的腐殖酸结构组成尚不能明确，这将在后续研究中进一步探究。