不同有机酸对黄褐土矿质元素活化作用的比较研究

陈韩英，祝奕炜，葛高飞

（1安徽农业大学资源与环境学院，合肥230036；2安徽农业大学生物技术中心，合肥230036）

0 引言

土壤中存在大量的小分子有机酸(Low Molecular Weight Organic Acids,LMWOAs)，它们是一些相对分子质量较小（低于250）的含羧基化合物，属于自然有机质的一种[1-2]，LMWOAs主要是由植物根系分泌的一部分物质、土壤中有机成分分解和微生物代谢的一部分产物组成[3-4]，它们能够通过H+的质子作用和配体的络合作用改变矿质元素在土壤中的存在形态，加速矿质元素的矿物风化，使其在环境介质中结合或释放[5-6]，并可能增加矿质元素有效态含量，促进其生物利用[6-7]。LMWOAs也在土壤灰化、养分循环、退化修复等几个方面起着重要作用[8-9]。目前，对于LMWOAs是如何作用于矿质元素的研究不多且存在争议，有的研究认为LMWOAs促进矿质元素活化的主要机理在于小分子有机酸根的络合作用[10]，也有的研究指出pH是LMWOAs从土壤中解吸矿质元素的主要因素[11]。

茶多酚(Tea polyphenols,TP)，茶科植物生长过程中产生的一类有机酸物质，大部分可溶于水，是茶园土壤中多酚物质的主要来源[12]；在土壤-茶园生态系统中，由于常年种植茶树，大量茶树叶片等凋落物归还到土壤中，茶园土TP的含量逐年增加[3]。同时，随着茶树的生长其根系会不断分泌一定量的LMWOAs，包括柠檬酸，草酸和酒石酸等[3,13]，TP和LMWOAs共同组成了茶园土壤有机酸种类的主要成分。

土壤矿质元素是植物元素营养的源泉，它们的供给量是影响土壤肥力大小的重要方面之一。矿质元素的类别和数量对植物的生长发育影响巨大[14]。TP和LMWOAs的土壤溶液都是弱酸体系，对矿质元素的活化具有相似的配体络合作用和H+质子作用，但TP的功能团是酚羟基，LMWOAs的功能团是羧基，因此它们的活化效果又存在差别，而目前它们在黄褐土中活化作用的比较研究还少见报道。进入21世纪，由于茶叶的高效益，茶叶需求量增大，茶园面积快速增加，大面积的黄褐土被用于茶树种植，这种种植方式和种类的改变将对土壤性质和环境产生显著影响。鉴于此，本文以TP和草酸、柠檬酸、乙酸、酒石酸等LMWOAs的水溶液为浸提剂，对黄褐土进行有机酸浸提试验，研究TP和LMWOAs对黄褐土主要矿质元素的活化差异，以期为黄褐土改种茶树土壤养分的管理和退化的修复提供数据基础和科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验土壤采自安徽农业大学试验田（大杨店），土壤类型为黄褐土。用土钻采集黄褐土0～20 cm土层，剔除植物根系和石砾后混匀风干，研磨后过2 mm孔径尼龙筛。在浸提试验之前，测定分析黄褐土理化性质基础值（表1）。

表1 供试土壤的基本理化性质

1.2 试验设计

土壤浸提试验设置6个处理：茶多酚(TP)，柠檬酸，酒石酸，草酸，乙酸和去离子水（对照，CK），每个处理3个重复。设置TP和LMWOAs的水溶液浓度均为10 mmol/L。具体操作步骤：黄褐土风干磨碎过2 mm筛，准确称量5.000 g土样于150 mL聚四氟乙烯离心瓶中，用定量加样器分别准确加入50 mL TP、LMWOAs溶液和去离子水（1:10土液比），旋紧盖子，20℃振荡2 h(180 r/min)。置于高速离心机，8000 r/min条件下运行5 min，吸取上清过0.45 μm的水系滤头，立即测定滤液的pH和Ca、Mg、K、Cu、Zn、Fe、Mn元素的浓度。

1.3 分析方法

黄褐土样品有机质含量，本底pH和各有机酸浸提液的pH均采用鲁如坤的方法测定[15]；土壤矿质元素全量和各有机酸活化量使用等离子体发射光谱仪(Thermo,iCAP 7000 SERIES,Germany)分析。

1.4 数据处理

试验数据使用Microsoft Excel 2019处理并作图，相关性、显著性分析使用SPSS 22.0实现（F检验，P＜0.05为差异显著，P＜0.01为差异极显著）。

2 结果与分析

2.1 TP和LMWOAs对土壤K、Ca、Mg活化的影响

2.1.1 K活化 由图1可知，TP和LMWOAs对黄褐土中K的活化量大小顺序为：茶多酚＞酒石酸＞柠檬酸＞草酸＞乙酸＞对照。TP对K的活化量显著高于LMWOAs，酒石酸对K的活化量与柠檬酸相比差异不显著，但显著高于草酸和乙酸，草酸和乙酸对K的活化能力没有显著差异。除TP外，LMWOAs对K的活化能力随着浸提液pH的降低而升高，酒石酸的pH最低活化能力最强，乙酸的pH最高活化能力最弱。前人研究发现，LMWOAs对红壤K的活化量顺序为：柠檬酸＞苹果酸＞草酸[16]；而对黄壤K的活化能力大小顺序为：柠檬酸＞草酸＞茶叶提取物[3]。有机酸浸提液的pH与K活化量间的相关性较小（R2=0.156，表2），说明各有机酸对K的活化主要是通过有机配体的络合作用进行。TP对黄褐土中K的活化能力显著强于LMWOAs，其活化量是LMWOAs的4.6～6.2倍，对照的11.1倍，说明TP通过有机配体的络合作用加速了黄褐土K元素的活化进程，黄褐土改种茶树后会造成土壤缺K现象。

图1 TP和LMWOAs对土壤K活化的影响

2.1.2 Ca活化 不同有机酸对黄褐土Ca的活化量大小表现为：酒石酸＞柠檬酸＞乙酸＞草酸＞茶多酚＞对照，且各处理间差异显著（图2）。与对照相比，TP和LMWOAs均能显著促进黄褐土Ca的活化。各有机酸对Ca的活化能力与其土壤溶液的酸度有关，酸度越大，pH越低，活化能力越强。各有机酸浸提溶液的pH与Ca活化量间相关性达极显著水平（R2=-0.898，P＜0.01，表2）。LMWOAs对红壤Ca活化能力大小也表现为柠檬酸＞草酸[16]。虽然酒石酸和柠檬酸浸提液对黄褐土Ca的活化量均显著高于草酸，并不能证明酒石酸和柠檬酸对Ca的活化效果优于草酸，因草酸与Ca2+生成沉淀后不能进入测定系统[17]。TP对黄褐土Ca元素的活化量低于LMWOAs，这可能与TP的浸提液酸度较低，与Ca形成的有机络合物部分沉淀有关。

图2 TP和LMWOAs对土壤Ca和Mg活化的影响

2.1.3 Mg活化 TP和LMWOAs对黄褐土Mg的活化规律与Ca一致（图2）。与对照相比，4类LMWOAs均显著增加了黄褐土Mg的活化量，TP也能显著提高Mg的活化量，但其活化能力显著低于LMWOAs。各LMWOAs对Mg的活化量处理间差异显著，且土壤浸提液中的Mg量与pH呈极显著的负相关（R2=-0.970，P＜0.01，表2）。酒石酸溶液酸度最大，pH最低，浸提能力最强（是对照的7.19倍）；TP溶液酸度最小，pH最高，浸提能力最弱（是对照的3.05倍）。李平和王兴祥[16]也在分析LMWOAs对红壤Mg元素活化的结果中得出柠檬酸对Mg的活化能力大于草酸。说明TP和LMWOAs对黄褐土Mg元素的活化主要依靠浸提液中H+的质子作用完成。

2.1.4 土壤K、Ca、Mg活化量比较 K、Ca、Mg是植物生长必需的大量和中量营养元素，其在土壤中的活化有利于植株对矿质养分的吸收利用。TP和LMWOAs的水溶液浸提土壤使K、Ca、Mg离子含量增加，实际是土壤缓冲TP和LMWOAs作用的一种表现[16-18]。TP和LMWOAs浸提液的H+数目、有机配体数量和K+、Mg2+、Ca2+含量及其与土壤胶体的亲和力等因素将会影响TP和LMWOAs对Ca、Mg和K活化能力的差异。在LMWOAs作用下，土壤元素离子含量表现出Ca＞Mg＞K的特征[19]，虽然交换性矿质元素离子从土壤胶体解吸的先后顺序为K+、Mg2+、Ca2+，但LMWOAs利用有机配体络合活化的K量远远小于其对二价阳离子的活化量[19-20]，因此LMWOAs浸提液中矿质元素活化量大小顺序为Ca＞Mg＞K；TP对Ca、Mg、K均有一定的络合反应能力[21]，但TP与K的络合物不沉淀，且TP对Mg元素的活化主要依靠质子作用，因此TP作用下矿质元素离子活化量表现为Ca＞K＞Mg。

2.2 TP和LMWOAs对土壤Fe、Mn、Cu、Zn活化的影响

2.2.1 Fe和Mn的活化 TP和LMWOAs对黄褐土Fe的活化量大小表现为：草酸＞柠檬酸＞茶多酚＞酒石酸＞对照＞乙酸（图3）。与对照相比，乙酸不能增加Fe的活化量，草酸对Fe的活化能力显著高于其他LMWOAs和TP，这可能是少量的草酸便可将浸提液中Fe的含量提高几个数量级的原因[3,22]。4种LMWOAs中，对土壤Fe的活化能力最大的是草酸，其次是柠檬酸，然后是酒石酸，乙酸对Fe的活化能力最小。而在LMWOAs为5 mmol/L条件下，曾清如等[23]的研究结果表明柠檬酸对土壤Fe的活化能力大于草酸。宋金凤等[10]也在研究低分子有机酸对Fe的释放效应时认为，相较于草酸，柠檬酸对Fe具有更强的配体络合能力。

Mn也是植物的必需营养元素，其化学性质活泼，在土壤氧化还原、沉淀溶解平衡等复杂反应过程中发挥重要作用。由图3可知，TP和LMWOAs对黄褐土Mn的活化量大小表现为柠檬酸＞草酸＞茶多酚＞酒石酸＞乙酸＞对照，且各处理间的Mn活化量差异显著。柠檬酸对黄褐土中Mn的活化能力最强，显著高于TP和其他LMWOAs。LMWOAs对Mn的活化量小于对Fe的活化量（乙酸除外），而TP对Mn的活化量高于对Fe的活化量，这可能是因为Mn与Fe性质相似，酚类物质对Mn不仅具有配体络合作用[24]，也具有氧化还原作用[25]，Mn的还原电位比Fe低，同等条件下Mn更易被还原[26]。刘志光和徐仁扣[27]的研究也发现几种有机化合物对Fe的溶解量小于Mn。

图3 TP和LMWOAs对土壤Fe和Mn活化的影响

2.2.2 Cu和Zn的活化 Cu和Zn元素是植物必需的微量营养，也是土壤环境中的重金属。有机酸可络合土壤中的Cu和Zn，改变Cu和Zn形态的数量比例，促进Cu和Zn的迁移、转化及植物对其的吸收利用。图4表明，TP浸提液的土壤Cu活化量最大，是纯水浸提的39.74倍，显著高于LMWOAs（是对照的1～22倍）。除了乙酸，TP和其他LMWOAs对土壤Cu的活化能力显著高于对照，且处理间的Cu活化量差异显著。4种LMWOAs中，草酸对Cu的活化量最大，显著高于其他LMWOAs。草酸浸提液的pH较大(pH 3.98)，酸度较低，且Cu活化量与pH间几乎没有相关性（R2=0.010，表2），说明草酸对黄褐土Cu的活化主要是通过有机配体的络合作用进行。与对照相比，乙酸对土壤Zn没有明显活化效果，其他LMWOAs和TP显著促进了Zn的活化，且Zn浓度与浸提液pH间的相互关系达到极显著水平（R2=-0.848，P＜0.01，表 2），说明 TP 和LMWOAs对土壤Zn的活化主要是H+的质子作用。TP对Cu的活化表现出同K一样的规律，说明TP通过有机配体的络合作用活化了黄褐土中的Cu元素。而TP对Zn表现出较弱的活化能力，这可能与TP酸度低且与Zn络合生成了沉淀有关[21]。

图4 TP和LMWOAs对土壤Cu和Zn活化的影响

2.2.3 土壤Fe、Mn、Cu、Zn活化量比较 TP和LMWOAs可通过有机配体的络合作用促进土壤Fe、Mn、Cu、Zn的活化，也可通过H+的质子作用促进Fe、Mn、Cu、Zn的溶解和还原[6,8,21,23,28]。各有机酸对黄褐土Fe、Mn、Cu、Zn的活化量总体表现为Fe＞Mn＞Zn和Cu，黄褐土中矿质元素全量大小顺序为Fe＞Mn＞Zn＞Cu（表1），矿质元素的活化量与全量表现出相似的规律，说明黄褐土中水溶性和可交换态的元素离子顺序为Fe＞Mn＞Zn和Cu。4种LMWOAs中，草酸对Fe、Mn、Cu、Zn具有较强的活化能力，且对Fe和Cu的活化能力显著高于其他LMWOAs；柠檬酸对Mn的活化能力显著高于其他LMWOAs；酒石酸对Zn的活化能力显著高于其他LMWOAs；乙酸对Fe、Mn、Cu、Zn的活化能力显著弱于其他LMWOAs。这可能是因为，酒石酸和柠檬酸具有较低的pH（图5），酒石酸与Zn、柠檬酸与Mn的质子作用大于其他LMWOAs；草酸与Fe和Cu的络合作用大于其他LMWOAs；乙酸因pH较高（4.52），H+的质子作用和配体的络合作用均小于其他LMWOAs和TP。在同等条件下，TP的pH最低，但对Cu的活化量远远大于LMWOAs，说明TP对黄褐土中Cu的络合作用显著大于LMWOAs。

图5 TP和LMWOAs对土壤浸提液pH的影响

2.3 测试指标间的相互关系

相关分析结果如表2所示，pH与Ca、Mg、Mn、Zn、Fe元素活化量间呈现出极显著或显著的负相关，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范围为：pH 3.14～5.43，属于酸性介质（如图5），表明H+的质子作用是促进土壤Ca、Mg、Mn、Zn和Fe元素活化的重要因素[3]。浸提液中的Zn、Mn、Fe元素两两之间呈现出极显著的正相关关系，说明TP和LMWOAs同时促进了黄褐土中交换性Zn、Mn和Fe离子的活化；Ca、Mg、Zn元素两两之间也表现出极显著的正相关关系，说明TP和LMWOAs同时促进了黄褐土中交换性Ca、Mg和Zn离子的活化。浸提液中的Mn与Cu、Fe、Mg元素间表现出显著或极显著的正相关，说明TP和LMWOAs在活化Mn的同时促进了Cu、Fe和Mg的活化。

表2 TP和LMWOAs浸提液各测定指标间的相关关系

3 结论

TP和LMWOAs对黄褐土主要矿质元素的活化效果存在明显差异，活化量与浸提液H+数目、有机配体数量、矿质元素离子与土壤胶体亲和力及元素的氧化还原性质等有关。浸提液pH与Ca、Mg、Mn、Zn、Fe元素间的相互关系达到极显著或显著水平，说明H+的质子作用是这些矿质元素能够被活化的主要因素。LMWOAs对黄褐土中Ca、Mg的活化能力均表现为：酒石酸＞柠檬酸＞乙酸＞草酸。草酸对土壤Fe、Mn、Cu、Zn元素具有较好的活化效果，且对Fe和Cu的活化能力显著高于其他LMWOAs；柠檬酸对土壤Mn的活化能力显著高于TP和其他LMWOAs；酒石酸对土壤Zn的活化能力显著高于TP和其他LMWOAs；乙酸对土壤Fe、Mn、Cu、Zn元素的活化能力显著低于TP和其他LMWOAs。TP对黄褐土Ca、Mg、Fe、Mn、Zn元素的活化能力显著低于LMWOAs（乙酸除外），对K和Cu的活化效果显著优于LMWOAs。TP的pH最大，说明TP对K和Cu的活化主要是依靠有机配体的络合作用。黄褐土种植茶树会加速K和Cu的活化和迁移（尤其是K），提高矿质元素的生物有效性，同时可能造成土壤缺K和酸化。