廖新榮，梁嘉偉，梁 善，王榮萍，詹振壽

(1 廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；2 佛山市環(huán)保技術(shù)與裝備研發(fā)專業(yè)中心，廣東 佛山 528000)

不同種類小分子有機酸對磚紅壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響

廖新榮1,2，梁嘉偉1，梁 善1，王榮萍1,2，詹振壽1

(1 廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；2 佛山市環(huán)保技術(shù)與裝備研發(fā)專業(yè)中心，廣東 佛山 528000)

【目的】明確有機酸的作用機制，為提高酸性紅壤累積態(tài)磷素(P)可利用率提供科學(xué)依據(jù)。 【方法】采用室內(nèi)模擬試驗研究了草酸、檸檬酸、蘋果酸為代表的小分子有機酸對磚紅壤磷素形態(tài)的影響。 【結(jié)果】檸檬酸處理抑制了樹脂交換 P(P1)的解吸，而水(對照)、草酸和蘋果酸處理促進了P1的解吸；在培養(yǎng)前期，3種有機酸抑制了NaHCO3提取態(tài)無機P(P2) 的活化，檸檬酸抑制作用最強，草酸抑制作用最弱；3種有機酸處理在整個培養(yǎng)時期均表現(xiàn)為活化NaHCO3提取態(tài)有機P(P3)的作用，其中草酸活化能力最強；3種有機酸促進了NaOH提取態(tài)無機P(P4)的活化，其中草酸活化作用最強；3種有機酸抑制NaOH提取態(tài)有機P(P5)的活化；在整個培養(yǎng)時期，3種有機酸都表現(xiàn)為抑制稀鹽酸提取態(tài)P(P6)、濃鹽酸提取態(tài)無機P(P7)、濃鹽酸提取態(tài)有機P(P8)和殘留態(tài)P(P9)活化的作用。 【結(jié)論】3種有機酸在不同培養(yǎng)時期對土壤磷形態(tài)的作用不同，草酸活化能力最強，其次是蘋果酸，最后是檸檬酸。

小分子有機酸；磚紅壤；磷形態(tài)；磷活化

磚紅壤主要分布于我國雷州半島、海南島、云南南部以及臺灣南部等熱帶地區(qū)。雷州半島磚紅壤的成土母質(zhì)主要是淺海沉積物和玄武巖，由于其成土母質(zhì)和氣候條件的影響，磚紅壤富含針鐵礦和三水鋁石等結(jié)晶度較高的鐵鋁氧化物[1-2]，這類土壤對磷具有較強的吸附能力，磷素在該類土壤中極容易與鐵鋁氧化物結(jié)合形成難溶性磷，從而使磷素的生物有效性降低[3-5]。在低磷脅迫下，有些植物會通過自身的調(diào)節(jié)，從根系分泌大量的低分子量有機酸(Low molecular weight organic acids，LMWOAs)[6-9]。分泌的有機酸主要有檸檬酸、草酸、酒石酸和蘋果酸等，其總含量可高達(dá)23.73 mmol·kg–1[10]。低分子量有機酸可以通過氫質(zhì)子的酸溶作用、有機酸陰離子的絡(luò)合作用等活化磚紅壤難溶性無機磷，使之轉(zhuǎn)化為HPO42–或H2PO4–[11-13]。其活化磷酸鹽能力順序一般為: 檸檬酸＞草酸＞酒石酸＞蘋果酸[14-17]。

許多研究都證實有機酸能夠提高土壤中磷素的活性[18-20]，不同有機酸種類及濃度對土壤磷素影響不同，且不同研究者得出的結(jié)論差異較大。適宜種類及濃度的有機酸更加有利于提高土壤磷素的有效性，但可能具有不同的調(diào)控機制。而不同低分子量有機酸對磚紅壤磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的問題，還缺乏較深入的研究。本研究采用Tiessen等[21]改進的磷素分級方法，研究以草酸、檸檬酸、蘋果酸為代表的小分子有機酸對磚紅壤磷形態(tài)的影響，以期明確有機酸的作用機制，為提高酸性紅壤累積態(tài)磷素可利用率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為玄武巖母質(zhì)發(fā)育的磚紅壤，采自廣東南部的雷州半島(20°53′57″N，109°58′40″E)，0～20 cm表層土壤，土壤樣品經(jīng)室內(nèi)自然風(fēng)干，過2 mm篩，備用。土壤理化性質(zhì)為：pH 4.50，有效磷7.93 mg·kg–1，全磷0.5 g·kg–1，有機質(zhì)26.62 g·kg–1，游離氧化鐵10.58 g·kg–1，非晶質(zhì)氧化鐵2.18 g·kg–1，其中pH、有機質(zhì)、全磷、堿解氮的測定方法參照J(rèn)ackson[22]的方法，有效磷的測定方法采用Olsen-P法[23]，添加的小分子有機酸為草酸、檸檬酸和蘋果酸。

1.2 試驗方法及設(shè)計

稱取10目風(fēng)干土樣若干份，每份20 g裝于50 mL塑料瓶中。將水(對照)或不同種類小分子有機酸溶液(50 mmol·kg–1)加入到土壤中，再將土壤含水量調(diào)節(jié)到適宜(田間持水量的70%)的水平，充分混勻后，于25 ℃條件下間歇通氣培養(yǎng)42 d，用帶孔的塑料薄膜對塑料杯進行表面覆蓋，防止水分過度蒸發(fā)，每天以稱質(zhì)量差減法補充損失的水分，以保證恒定的濕度條件，每處理3次重復(fù)。于0、7、14、21、28、35、42 d 破壞性采集土壤樣品，進行磷的形態(tài)分析。

1.3 磷的形態(tài)分析方法

參考Tiessen等[21]的磷素分級法，將土壤磷素(P)分為9大類進行測定：樹脂交換P(P1)、NaHCO3提取態(tài)無機P(P2)、NaHCO3提取態(tài)有機P(P3)、NaOH提取態(tài)無機P(P4)、NaOH提取態(tài)有機P(P5)、稀鹽酸提取態(tài)P(P6)、濃鹽酸提取態(tài)無機P(P7)、濃鹽酸提取態(tài)有機P(P8)、殘留態(tài)P(P9)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 13.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，通過單因素方差分析的Duncan’s新復(fù)極差法進行顯著性檢驗，作圖采用Oringin 8.5.1軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 小分子有機酸對活性磷含量的影響

樹脂交換P(P1)、NaHCO3提取態(tài)無機P(P2)、NaHCO3提取態(tài)有機P(P3)是活性磷，從圖1A可以看出，3種有機酸處理的P1含量隨培養(yǎng)時間呈現(xiàn)波動，在培養(yǎng)初期(0～7 d)均表現(xiàn)為降低的趨勢。草酸處理培養(yǎng)7～35 d時P1含量逐漸升高，在35 d達(dá)到最大值，后期(42 d)P1質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到52.07 mg·kg–1，高于對照，但差異不顯著(P＞0.05)；檸檬酸處理培養(yǎng)7～14 d時P1含量緩慢回升，在14～21 d時下降，之后逐漸升高，在35 d時達(dá)到最大值，到后期(42 d)P1質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到49.64 mg·kg–1，低于對照，但差異不顯著(P＞0.05)；蘋果酸處理的P1含量變化趨勢與草酸處理的一致。從圖1A還可以看出，檸檬酸處理與培養(yǎng)前(0 d)相比，P1含量在整個培養(yǎng)期基本都低于培養(yǎng)前，草酸和蘋果酸處理與培養(yǎng)前相比，P1含量在整個培養(yǎng)期基本都高于培養(yǎng)前，對照處理的P1含量在整個培養(yǎng)期基本都高于培養(yǎng)前，表明在本試驗條件下檸檬酸抑制了樹脂磷的解吸。

P2被吸附在土壤表面，可以被植物吸收利用。從圖1B可以看出，在0～21 d培養(yǎng)期間，檸檬酸處理與培養(yǎng)前相比，P2含量呈現(xiàn)顯著下降的趨勢，其他處理的P2含量均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在21 d之后，各處理的表現(xiàn)趨勢一致，均在培養(yǎng)28 d時升高到最大值，培養(yǎng)到35 d時降低到最小值。在培養(yǎng)前期有機酸抑制了磷的解吸，其中檸檬酸處理的抑制作用最強，草酸處理的抑制作用能力最弱，在整個培養(yǎng)時期均為草酸處理的P2含量最多，抑制作用最小。

圖1 小分子有機酸對磚紅壤活性磷的影響Fig. 1 Effect of low-molecular-weight organic acid on labile phosphorus in lateritic soil

P3是可以被礦化的有機磷，易被植物吸收利用。從圖1C可以看出，各處理P3含量在培養(yǎng)期(28 d)時達(dá)到最大值，有機酸處理均高于對照，其中草酸處理與對照差異顯著(P＜0.05)。在28～35 d時各處理P3含量降低，在35～42 d時蘋果酸處理P3含量增加，其他有機酸處理P3含量持續(xù)下降。從圖1C還可以看出，草酸處理在整個培養(yǎng)期P3含量均比培養(yǎng)前高，表明草酸活化能力最強。

2.2 小分子有機酸對中等活性磷含量的影響

從圖2A可知，草酸處理的NaOH提取態(tài)無機P(P4)含量在0～21 d降低，在21 d時達(dá)到最小值(292.34 mg·kg–1)，與培養(yǎng)前相比，降低幅度為11.6%，之后又逐漸升高，在培養(yǎng)35 d時質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高到330.03 mg·kg–1；檸檬酸處理在培養(yǎng)初期(0～7 d) P4含量緩慢升高，之后隨著培養(yǎng)時間的延長，P4含量降低，在21 d時降到最低值，與培養(yǎng)前相比，降低幅度為8.2%，之后逐漸升高，在35 d時P4質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值(310.58 mg·kg–1)，在42 d時又降低到294.53 mg·kg–1；蘋果酸處理在培養(yǎng)初期(0～7 d) P4含量緩慢升高，之后隨培養(yǎng)時間的延長，P4含量降低，在21 d時降低到最小值，與培養(yǎng)前相比，降低幅度為9.8%，之后逐漸升高，在42 d時P4質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到321.30 mg·kg–1；而對照處理與培養(yǎng)前相比，P4含量呈現(xiàn)先減少，21 d以后緩慢增加的趨勢。草酸處理與培養(yǎng)前相比，P4含量降低的幅度最大，表明草酸的活化能力最強。

從圖2B可知，隨著培養(yǎng)時間的延長，草酸和蘋果酸處理的NaOH提取態(tài)有機P(P5)含量顯著升高(P＜0.05)，在21 d時質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值，分別為138.28和146.52 mg·kg–1，之后逐漸降低，在培養(yǎng)42 d時分別降低到92.45和101.74 mg·kg–1；而對照和檸檬酸處理的P5含量在0～7 d表現(xiàn)為緩慢降低，之后又逐漸升高，在21 d時達(dá)到最大值，之后逐漸降低，在42 d時降到最低。各有機酸處理的P5含量在整個培養(yǎng)期基本高于培養(yǎng)前，表明3種有機酸抑制了NaOH 提取態(tài)有機P(P5)的活化。有機酸處理與對照相比，有機酸處理的P5含量在14 d時顯著高于對照(p＜0.05)，在其他時間段差異不顯著(P＞0.05)，表明14 d時有機酸抑制NaOH 提取態(tài)有機P活化的作用更大。

圖2 小分子有機酸對磚紅壤中等活性磷的影響Fig. 2 Effect of low-molecular-weight organic acid on moderately labile phosphorus in lateritic soil

2.3 小分子有機酸對穩(wěn)定態(tài)磷含量的影響

圖3 小分子有機酸對磚紅壤穩(wěn)定態(tài)磷的影響Fig. 3 Effect of low-molecular-weight organic acid on stable phosphorus in lateritic soil

從圖3A可以看出，隨著培養(yǎng)時間的延長，草酸處理的稀鹽酸提取態(tài)P(P6)含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在培養(yǎng)末期P6質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至25.74 mg·kg–1；檸檬酸處理在整個培養(yǎng)期P6含量呈現(xiàn)“升高-降低-升高-降低-升高”波動變化的趨勢；蘋果酸處理在培養(yǎng)前期(0～14 d) P6含量呈現(xiàn)增加的趨勢，之后基本呈降低趨勢。在不同培養(yǎng)時間段，各處理間的P6含量差異均不顯著(P＞0.05)。圖3B是濃鹽酸提取態(tài)無機P(P7)含量的變化趨勢圖，各處理在整個培養(yǎng)期間的表現(xiàn)趨勢基本一致，均呈現(xiàn)波動變化的趨勢，各有機酸處理與對照相比，在各個培養(yǎng)時間段(35 d時的檸檬酸除外)P7含量差異不顯著(P＞0.05)。從圖3C可知，在0～7 d時，各處理的濃鹽酸提取態(tài)有機P(P8)含量呈現(xiàn)增加的趨勢，之后逐漸下降，草酸處理的P8含量在21 d降到最低值，之后升高，在培養(yǎng)42 d時升高到35.57 mg·kg–1；檸檬酸和蘋果酸處理的P8含量在28 d時降到最低，之后均表現(xiàn)為先升高后降低。在各個培養(yǎng)時間段各處理的P8含量差異不顯著(P＞0.05)。圖3D是殘留態(tài)磷(P9)含量的變化趨勢圖，培養(yǎng)初期(0～7 d)各處理變化趨勢相同，P9含量降低，之后蘋果酸處理的P9含量表現(xiàn)趨勢與草酸和檸檬酸處理不同。從圖3還可以看出，在不同培養(yǎng)時間段有機酸處理與培養(yǎng)前相比，P6、P8、P9含量在整個培養(yǎng)期基本都高于培養(yǎng)前，而且各有機酸處理與對照相比，P6、P8、P9含量差異均不顯著(P＞0.05)，表明有機酸并未活化穩(wěn)定態(tài)磷。

3 討論與結(jié)論

不同有機酸在各培養(yǎng)時期對土壤各形態(tài)磷的作用不同，原因可能是不同種類的有機酸所含的功能基團和螯合能不同，對磷的活化能力也不同[11,16]。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)初期(0～7 d)，各處理的樹脂磷(P1)均下降，其中檸檬酸處理下降幅度最大，表明有機酸增加了磷的固定，導(dǎo)致樹脂磷含量顯著降低，然而在培養(yǎng)14 d時，各處理的P1含量均有提高，但與培養(yǎng)前相比，各處理P1亦顯著降低，培養(yǎng)21 d時，檸檬酸處理的P1含量下降幅度最大，在35 d時除檸檬酸處理外，其他處理均比培養(yǎng)前顯著升高，表明在這段培養(yǎng)期草酸、蘋果酸促進了磷的解吸，而檸檬酸抑制了磷的解吸或釋放，在42 d時P1含量又表現(xiàn)出下降的趨勢，但草酸處理仍比培養(yǎng)前含量高，表明在后期檸檬酸、蘋果酸均抑制了磷的解吸，而草酸促進了磷的解吸。前人的研究結(jié)果表明，檸檬酸和蘋果酸促進有效態(tài)無機磷的釋放[24]，而在本試驗中檸檬酸抑制了無機磷的解吸，原因可能與土壤條件、試驗條件等因素有關(guān)。從P1含量的變化過程可見，在整個培養(yǎng)時期，檸檬酸處理均表現(xiàn)為抑制作用，草酸和蘋果酸在前期表現(xiàn)為抑制作用，而在后期表現(xiàn)為促進作用，原因可能是在培養(yǎng)后期，二者減弱了土壤對磷的吸附，導(dǎo)致樹脂磷含量比培養(yǎng)前提高。在本試驗中，培養(yǎng)初期(0～7 d)除檸檬酸處理外，草酸和蘋果酸處理的NaHCO3提取態(tài)無機P(P2)含量均呈現(xiàn)增加的趨勢，其中草酸處理增加最多，表明在培養(yǎng)初期草酸和蘋果酸抑制了土壤磷的固定，增加了磷的解吸，而檸檬酸抑制了P2的活化，劉麗等[24]在研究低濃度檸檬酸對P2的活化時也得到類似規(guī)律。7 d后P2含量呈現(xiàn)下降的趨勢，在21 d時各處理的P2含量均比培養(yǎng)前顯著降低，其中檸檬酸處理的降低幅度最大，其次是蘋果酸處理，草酸處理的降低幅度最小，表現(xiàn)為抑制土壤磷活化的作用，之后P2含量逐漸升高，在28 d達(dá)到最大值，草酸作用最大，其次是蘋果酸，最后是檸檬酸，表現(xiàn)為促進土壤磷活化的作用，之后又逐漸降低，在35 d時降到最低，到培養(yǎng)42 d時，各處理P2含量有所上升，但仍表現(xiàn)為抑制的作用，檸檬酸的抑制作用更大。從P2含量的變化過程可見，在整個培養(yǎng)時期，除28 d之外，其他時期有機酸均表現(xiàn)為抑制土壤磷活化的作用。NaHCO3提取態(tài)有機P(P3)的表現(xiàn)趨勢與P2不同，各有機酸處理在整個培養(yǎng)時期基本表現(xiàn)為活化作用，在28 d時活化作用最大，其中草酸活化能力最強，21～35 d時與P2表現(xiàn)規(guī)律一致?？傊?，本研究中，檸檬酸抑制了P1和P2的活化，促進了P3的活化，草酸在不同培養(yǎng)期對P1和P2的作用不同，但在整個培養(yǎng)周期均促進了P3的活化。研究發(fā)現(xiàn)，對于高肥力土壤，相同濃度下有機酸活化土壤磷的能力為檸檬酸＞草酸＞蘋果酸[25]，而在本研究中，檸檬酸的活化能力最弱，草酸最強，原因可能與培養(yǎng)條件、有機酸的濃度等因素有關(guān)。

有機酸對磷的活化是一個持續(xù)的動態(tài)過程。NaOH提取態(tài)無機P(P4)和NaOH提取態(tài)有機P(P5)是鐵鋁結(jié)合態(tài)P，在培養(yǎng)初期(0～7 d)，P4呈現(xiàn)增加的趨勢(草酸處理除外)，隨著培養(yǎng)時間的延長，在7～21 d時，P4含量呈現(xiàn)下降的趨勢，到21 d時P4含量降低到最低，與培養(yǎng)前相比，草酸處理P4含量降低的幅度最大，其次是蘋果酸處理，最后是檸檬酸處理，21 d之后，各有機酸處理的P4含量有所回升，但P4含量仍低于培養(yǎng)前，表現(xiàn)為活化P4的趨勢，其中草酸的活化能力最強，本試驗的結(jié)果表明，有機酸可以活化NaOH提取態(tài)無機P(P4)，與前人的研究結(jié)果一致[24]，有研究認(rèn)為，酸性土壤中溶解性磷增加的原因是鐵氧化物的還原與溶解，以及封閉在氧化物內(nèi)部的磷的釋放[26]，但在本試驗中的原因有待于進一步研究。各有機酸處理的P5含量表現(xiàn)趨勢與P4相反，在21 d時各處理的P5含量增加到最大值，各有機酸處理的P5含量均比培養(yǎng)前高，表現(xiàn)為抑制P5活化的作用。在本試驗中土壤未滅菌，在恒溫恒濕的條件下培養(yǎng)，土壤微生物活性增強，P4轉(zhuǎn)化為易被植物吸收的無機磷或者更穩(wěn)定的磷形態(tài)，導(dǎo)致P4含量下降，有研究結(jié)果亦表明檸檬酸和蘋果酸可以活化鐵、鋁結(jié)合態(tài)磷[24]。本研究結(jié)果表明，培養(yǎng)21 d之后，P6、P7、P8、P9呈現(xiàn)波動變化，但含量高于培養(yǎng)前，有機酸表現(xiàn)為抑制穩(wěn)定態(tài)磷P6、P7、P8、P9活化的作用。本文研究發(fā)現(xiàn)不同小分子有機酸對磚紅壤各種磷素形態(tài)的影響不同，但有關(guān)影響的機制還需要進一步研究。

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【責(zé)任編輯 李曉卉】

Effects of various low-molecular-weight organic acids on phosphorus transformation in lateritic soil

LIAO Xinrong1,2, LIANG Jiawei1, LIANG Shan1, WANG Rongping1,2, ZHAN Zhenshou1
(1 Guangdong Institute of Eco-Environmental Science and Technology/Guangdong Key Laboratory of Agricultural Environment Pollution Integrated Control, Guangzhou 510650, China; 2 Center of Expertise in Environmental and Protection Technology and Equipment Development in Foshan City, Foshan 528000, China)

【Objective】To reveal the action mechanisms of organic acids, and provide a scientific basis for raising the utilization rate of accumulative phosphorus(P) in acidic red soil. 【Method】Laboratory simulation experiments were conducted to study the effects of low-molecular-weight organic acids, represented by oxalic acid, citric acid and malic acid, on P form in lateritic soil. 【Result】During the whole incubation period, citric acid inhibited resin-P(P1) desorption, while water (control), oxalic acid and malic acid enhanced resin-P(P1) desorption. At the earlier stage of incubation, all three organic acids inhibited the activation of NaHCO3-extractable inorganic P(P2), with citric acid having the highest inhibition effect and oxalic acid having the lowest. Three organic acids activated NaHCO3-extractable organic P(P3) during the whole incubation period, and oxalic acid showed the strongest activating effect. Three organic acids enhanced the activation of NaOH-extractable inorganic P(P4) and oxalic acid displayed thestrongest activating effect. Three organic acids inhibited the activation of NaOH-extractable organic P(P5). During the whole incubation period, three organic acids inhibited the activation of dilute HCl-extractable P(P6), dense HClextractable inorganic P(P7), dense HCl-extractable organic P(P8) and residual-P(P9). 【Conclusion】Three organic acids showed different effects on soil P forms at different times of incubation. Oxalic acid showed the strongest activating effects, followed by malic acid and then citric acid.

low-molecular-weight organic acid; latosol; phosphorus form; phosphorus activation

S153.6

A

1001-411X(2017)05-0030-06

廖新榮, 梁嘉偉, 梁善, 等. 不同種類小分子有機酸對磚紅壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2017, 38(5): 30-35.

2016-09-26 優(yōu)先出版時間：2017-07-14

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20170714.0856.012.html

廖新榮(1963—)，男，研究員，E-mail: 2239951171@qq.com； 通信作者： 王榮萍(1976—)，女，副研究員，博士，E-mail: rpwang@soil.gd.cn

國家科技支撐項目(2014BAD14B05)；廣東省中國科學(xué)院全面戰(zhàn)略合作專項(2013B091500016)；廣州市科技計劃(201607010082)；廣東省科技計劃(2015B070701017)；廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團隊(2016LM2149)