不同种类小分子有机酸对砖红壤磷素形态转化的影响

廖新荣，梁嘉伟，梁 善，王荣萍，詹振寿

(1 广东省生态环境技术研究所/广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 510650；2 佛山市环保技术与装备研发专业中心，广东 佛山 528000)

不同种类小分子有机酸对砖红壤磷素形态转化的影响

廖新荣1,2，梁嘉伟1，梁 善1，王荣萍1,2，詹振寿1

(1 广东省生态环境技术研究所/广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 510650；2 佛山市环保技术与装备研发专业中心，广东 佛山 528000)

【目的】明确有机酸的作用机制，为提高酸性红壤累积态磷素(P)可利用率提供科学依据。 【方法】采用室内模拟试验研究了草酸、柠檬酸、苹果酸为代表的小分子有机酸对砖红壤磷素形态的影响。 【结果】柠檬酸处理抑制了树脂交换 P(P1)的解吸，而水(对照)、草酸和苹果酸处理促进了P1的解吸；在培养前期，3种有机酸抑制了NaHCO3提取态无机P(P2) 的活化，柠檬酸抑制作用最强，草酸抑制作用最弱；3种有机酸处理在整个培养时期均表现为活化NaHCO3提取态有机P(P3)的作用，其中草酸活化能力最强；3种有机酸促进了NaOH提取态无机P(P4)的活化，其中草酸活化作用最强；3种有机酸抑制NaOH提取态有机P(P5)的活化；在整个培养时期，3种有机酸都表现为抑制稀盐酸提取态P(P6)、浓盐酸提取态无机P(P7)、浓盐酸提取态有机P(P8)和残留态P(P9)活化的作用。 【结论】3种有机酸在不同培养时期对土壤磷形态的作用不同，草酸活化能力最强，其次是苹果酸，最后是柠檬酸。

小分子有机酸；砖红壤；磷形态；磷活化

砖红壤主要分布于我国雷州半岛、海南岛、云南南部以及台湾南部等热带地区。雷州半岛砖红壤的成土母质主要是浅海沉积物和玄武岩，由于其成土母质和气候条件的影响，砖红壤富含针铁矿和三水铝石等结晶度较高的铁铝氧化物[1-2]，这类土壤对磷具有较强的吸附能力，磷素在该类土壤中极容易与铁铝氧化物结合形成难溶性磷，从而使磷素的生物有效性降低[3-5]。在低磷胁迫下，有些植物会通过自身的调节，从根系分泌大量的低分子量有机酸(Low molecular weight organic acids，LMWOAs)[6-9]。分泌的有机酸主要有柠檬酸、草酸、酒石酸和苹果酸等，其总含量可高达23.73 mmol·kg–1[10]。低分子量有机酸可以通过氢质子的酸溶作用、有机酸阴离子的络合作用等活化砖红壤难溶性无机磷，使之转化为HPO42–或H2PO4–[11-13]。其活化磷酸盐能力顺序一般为: 柠檬酸＞草酸＞酒石酸＞苹果酸[14-17]。

许多研究都证实有机酸能够提高土壤中磷素的活性[18-20]，不同有机酸种类及浓度对土壤磷素影响不同，且不同研究者得出的结论差异较大。适宜种类及浓度的有机酸更加有利于提高土壤磷素的有效性，但可能具有不同的调控机制。而不同低分子量有机酸对砖红壤磷形态转化的问题，还缺乏较深入的研究。本研究采用Tiessen等[21]改进的磷素分级方法，研究以草酸、柠檬酸、苹果酸为代表的小分子有机酸对砖红壤磷形态的影响，以期明确有机酸的作用机制，为提高酸性红壤累积态磷素可利用率提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为玄武岩母质发育的砖红壤，采自广东南部的雷州半岛(20°53′57″N，109°58′40″E)，0～20 cm表层土壤，土壤样品经室内自然风干，过2 mm筛，备用。土壤理化性质为：pH 4.50，有效磷7.93 mg·kg–1，全磷0.5 g·kg–1，有机质26.62 g·kg–1，游离氧化铁10.58 g·kg–1，非晶质氧化铁2.18 g·kg–1，其中pH、有机质、全磷、碱解氮的测定方法参照Jackson[22]的方法，有效磷的测定方法采用Olsen-P法[23]，添加的小分子有机酸为草酸、柠檬酸和苹果酸。

1.2 试验方法及设计

称取10目风干土样若干份，每份20 g装于50 mL塑料瓶中。将水(对照)或不同种类小分子有机酸溶液(50 mmol·kg–1)加入到土壤中，再将土壤含水量调节到适宜(田间持水量的70%)的水平，充分混匀后，于25 ℃条件下间歇通气培养42 d，用带孔的塑料薄膜对塑料杯进行表面覆盖，防止水分过度蒸发，每天以称质量差减法补充损失的水分，以保证恒定的湿度条件，每处理3次重复。于0、7、14、21、28、35、42 d 破坏性采集土壤样品，进行磷的形态分析。

1.3 磷的形态分析方法

参考Tiessen等[21]的磷素分级法，将土壤磷素(P)分为9大类进行测定：树脂交换P(P1)、NaHCO3提取态无机P(P2)、NaHCO3提取态有机P(P3)、NaOH提取态无机P(P4)、NaOH提取态有机P(P5)、稀盐酸提取态P(P6)、浓盐酸提取态无机P(P7)、浓盐酸提取态有机P(P8)、残留态P(P9)。

1.4 数据统计与分析

采用SPSS 13.0软件对数据进行统计分析，通过单因素方差分析的Duncan’s新复极差法进行显著性检验，作图采用Oringin 8.5.1软件进行。

2 结果与分析

2.1 小分子有机酸对活性磷含量的影响

树脂交换P(P1)、NaHCO3提取态无机P(P2)、NaHCO3提取态有机P(P3)是活性磷，从图1A可以看出，3种有机酸处理的P1含量随培养时间呈现波动，在培养初期(0～7 d)均表现为降低的趋势。草酸处理培养7～35 d时P1含量逐渐升高，在35 d达到最大值，后期(42 d)P1质量分数降低到52.07 mg·kg–1，高于对照，但差异不显著(P＞0.05)；柠檬酸处理培养7～14 d时P1含量缓慢回升，在14～21 d时下降，之后逐渐升高，在35 d时达到最大值，到后期(42 d)P1质量分数降低到49.64 mg·kg–1，低于对照，但差异不显著(P＞0.05)；苹果酸处理的P1含量变化趋势与草酸处理的一致。从图1A还可以看出，柠檬酸处理与培养前(0 d)相比，P1含量在整个培养期基本都低于培养前，草酸和苹果酸处理与培养前相比，P1含量在整个培养期基本都高于培养前，对照处理的P1含量在整个培养期基本都高于培养前，表明在本试验条件下柠檬酸抑制了树脂磷的解吸。

P2被吸附在土壤表面，可以被植物吸收利用。从图1B可以看出，在0～21 d培养期间，柠檬酸处理与培养前相比，P2含量呈现显著下降的趋势，其他处理的P2含量均呈现先增加后降低的趋势，在21 d之后，各处理的表现趋势一致，均在培养28 d时升高到最大值，培养到35 d时降低到最小值。在培养前期有机酸抑制了磷的解吸，其中柠檬酸处理的抑制作用最强，草酸处理的抑制作用能力最弱，在整个培养时期均为草酸处理的P2含量最多，抑制作用最小。

图1 小分子有机酸对砖红壤活性磷的影响Fig. 1 Effect of low-molecular-weight organic acid on labile phosphorus in lateritic soil

P3是可以被矿化的有机磷，易被植物吸收利用。从图1C可以看出，各处理P3含量在培养期(28 d)时达到最大值，有机酸处理均高于对照，其中草酸处理与对照差异显著(P＜0.05)。在28～35 d时各处理P3含量降低，在35～42 d时苹果酸处理P3含量增加，其他有机酸处理P3含量持续下降。从图1C还可以看出，草酸处理在整个培养期P3含量均比培养前高，表明草酸活化能力最强。

2.2 小分子有机酸对中等活性磷含量的影响

从图2A可知，草酸处理的NaOH提取态无机P(P4)含量在0～21 d降低，在21 d时达到最小值(292.34 mg·kg–1)，与培养前相比，降低幅度为11.6%，之后又逐渐升高，在培养35 d时质量分数升高到330.03 mg·kg–1；柠檬酸处理在培养初期(0～7 d) P4含量缓慢升高，之后随着培养时间的延长，P4含量降低，在21 d时降到最低值，与培养前相比，降低幅度为8.2%，之后逐渐升高，在35 d时P4质量分数达到最大值(310.58 mg·kg–1)，在42 d时又降低到294.53 mg·kg–1；苹果酸处理在培养初期(0～7 d) P4含量缓慢升高，之后随培养时间的延长，P4含量降低，在21 d时降低到最小值，与培养前相比，降低幅度为9.8%，之后逐渐升高，在42 d时P4质量分数达到321.30 mg·kg–1；而对照处理与培养前相比，P4含量呈现先减少，21 d以后缓慢增加的趋势。草酸处理与培养前相比，P4含量降低的幅度最大，表明草酸的活化能力最强。

从图2B可知，随着培养时间的延长，草酸和苹果酸处理的NaOH提取态有机P(P5)含量显著升高(P＜0.05)，在21 d时质量分数达到最大值，分别为138.28和146.52 mg·kg–1，之后逐渐降低，在培养42 d时分别降低到92.45和101.74 mg·kg–1；而对照和柠檬酸处理的P5含量在0～7 d表现为缓慢降低，之后又逐渐升高，在21 d时达到最大值，之后逐渐降低，在42 d时降到最低。各有机酸处理的P5含量在整个培养期基本高于培养前，表明3种有机酸抑制了NaOH 提取态有机P(P5)的活化。有机酸处理与对照相比，有机酸处理的P5含量在14 d时显著高于对照(p＜0.05)，在其他时间段差异不显著(P＞0.05)，表明14 d时有机酸抑制NaOH 提取态有机P活化的作用更大。

图2 小分子有机酸对砖红壤中等活性磷的影响Fig. 2 Effect of low-molecular-weight organic acid on moderately labile phosphorus in lateritic soil

2.3 小分子有机酸对稳定态磷含量的影响

图3 小分子有机酸对砖红壤稳定态磷的影响Fig. 3 Effect of low-molecular-weight organic acid on stable phosphorus in lateritic soil

从图3A可以看出，随着培养时间的延长，草酸处理的稀盐酸提取态P(P6)含量呈现先升高后降低的趋势，在培养末期P6质量分数降低至25.74 mg·kg–1；柠檬酸处理在整个培养期P6含量呈现“升高-降低-升高-降低-升高”波动变化的趋势；苹果酸处理在培养前期(0～14 d) P6含量呈现增加的趋势，之后基本呈降低趋势。在不同培养时间段，各处理间的P6含量差异均不显著(P＞0.05)。图3B是浓盐酸提取态无机P(P7)含量的变化趋势图，各处理在整个培养期间的表现趋势基本一致，均呈现波动变化的趋势，各有机酸处理与对照相比，在各个培养时间段(35 d时的柠檬酸除外)P7含量差异不显著(P＞0.05)。从图3C可知，在0～7 d时，各处理的浓盐酸提取态有机P(P8)含量呈现增加的趋势，之后逐渐下降，草酸处理的P8含量在21 d降到最低值，之后升高，在培养42 d时升高到35.57 mg·kg–1；柠檬酸和苹果酸处理的P8含量在28 d时降到最低，之后均表现为先升高后降低。在各个培养时间段各处理的P8含量差异不显著(P＞0.05)。图3D是残留态磷(P9)含量的变化趋势图，培养初期(0～7 d)各处理变化趋势相同，P9含量降低，之后苹果酸处理的P9含量表现趋势与草酸和柠檬酸处理不同。从图3还可以看出，在不同培养时间段有机酸处理与培养前相比，P6、P8、P9含量在整个培养期基本都高于培养前，而且各有机酸处理与对照相比，P6、P8、P9含量差异均不显著(P＞0.05)，表明有机酸并未活化稳定态磷。

3 讨论与结论

不同有机酸在各培养时期对土壤各形态磷的作用不同，原因可能是不同种类的有机酸所含的功能基团和螯合能不同，对磷的活化能力也不同[11,16]。本试验研究发现，在培养初期(0～7 d)，各处理的树脂磷(P1)均下降，其中柠檬酸处理下降幅度最大，表明有机酸增加了磷的固定，导致树脂磷含量显著降低，然而在培养14 d时，各处理的P1含量均有提高，但与培养前相比，各处理P1亦显著降低，培养21 d时，柠檬酸处理的P1含量下降幅度最大，在35 d时除柠檬酸处理外，其他处理均比培养前显著升高，表明在这段培养期草酸、苹果酸促进了磷的解吸，而柠檬酸抑制了磷的解吸或释放，在42 d时P1含量又表现出下降的趋势，但草酸处理仍比培养前含量高，表明在后期柠檬酸、苹果酸均抑制了磷的解吸，而草酸促进了磷的解吸。前人的研究结果表明，柠檬酸和苹果酸促进有效态无机磷的释放[24]，而在本试验中柠檬酸抑制了无机磷的解吸，原因可能与土壤条件、试验条件等因素有关。从P1含量的变化过程可见，在整个培养时期，柠檬酸处理均表现为抑制作用，草酸和苹果酸在前期表现为抑制作用，而在后期表现为促进作用，原因可能是在培养后期，二者减弱了土壤对磷的吸附，导致树脂磷含量比培养前提高。在本试验中，培养初期(0～7 d)除柠檬酸处理外，草酸和苹果酸处理的NaHCO3提取态无机P(P2)含量均呈现增加的趋势，其中草酸处理增加最多，表明在培养初期草酸和苹果酸抑制了土壤磷的固定，增加了磷的解吸，而柠檬酸抑制了P2的活化，刘丽等[24]在研究低浓度柠檬酸对P2的活化时也得到类似规律。7 d后P2含量呈现下降的趋势，在21 d时各处理的P2含量均比培养前显著降低，其中柠檬酸处理的降低幅度最大，其次是苹果酸处理，草酸处理的降低幅度最小，表现为抑制土壤磷活化的作用，之后P2含量逐渐升高，在28 d达到最大值，草酸作用最大，其次是苹果酸，最后是柠檬酸，表现为促进土壤磷活化的作用，之后又逐渐降低，在35 d时降到最低，到培养42 d时，各处理P2含量有所上升，但仍表现为抑制的作用，柠檬酸的抑制作用更大。从P2含量的变化过程可见，在整个培养时期，除28 d之外，其他时期有机酸均表现为抑制土壤磷活化的作用。NaHCO3提取态有机P(P3)的表现趋势与P2不同，各有机酸处理在整个培养时期基本表现为活化作用，在28 d时活化作用最大，其中草酸活化能力最强，21～35 d时与P2表现规律一致。总之，本研究中，柠檬酸抑制了P1和P2的活化，促进了P3的活化，草酸在不同培养期对P1和P2的作用不同，但在整个培养周期均促进了P3的活化。研究发现，对于高肥力土壤，相同浓度下有机酸活化土壤磷的能力为柠檬酸＞草酸＞苹果酸[25]，而在本研究中，柠檬酸的活化能力最弱，草酸最强，原因可能与培养条件、有机酸的浓度等因素有关。

有机酸对磷的活化是一个持续的动态过程。NaOH提取态无机P(P4)和NaOH提取态有机P(P5)是铁铝结合态P，在培养初期(0～7 d)，P4呈现增加的趋势(草酸处理除外)，随着培养时间的延长，在7～21 d时，P4含量呈现下降的趋势，到21 d时P4含量降低到最低，与培养前相比，草酸处理P4含量降低的幅度最大，其次是苹果酸处理，最后是柠檬酸处理，21 d之后，各有机酸处理的P4含量有所回升，但P4含量仍低于培养前，表现为活化P4的趋势，其中草酸的活化能力最强，本试验的结果表明，有机酸可以活化NaOH提取态无机P(P4)，与前人的研究结果一致[24]，有研究认为，酸性土壤中溶解性磷增加的原因是铁氧化物的还原与溶解，以及封闭在氧化物内部的磷的释放[26]，但在本试验中的原因有待于进一步研究。各有机酸处理的P5含量表现趋势与P4相反，在21 d时各处理的P5含量增加到最大值，各有机酸处理的P5含量均比培养前高，表现为抑制P5活化的作用。在本试验中土壤未灭菌，在恒温恒湿的条件下培养，土壤微生物活性增强，P4转化为易被植物吸收的无机磷或者更稳定的磷形态，导致P4含量下降，有研究结果亦表明柠檬酸和苹果酸可以活化铁、铝结合态磷[24]。本研究结果表明，培养21 d之后，P6、P7、P8、P9呈现波动变化，但含量高于培养前，有机酸表现为抑制稳定态磷P6、P7、P8、P9活化的作用。本文研究发现不同小分子有机酸对砖红壤各种磷素形态的影响不同，但有关影响的机制还需要进一步研究。

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【责任编辑 李晓卉】

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

廖新荣, 梁嘉伟, 梁善, 等. 不同种类小分子有机酸对砖红壤磷素形态转化的影响[J]. 华南农业大学学报, 2017, 38(5): 30-35.

2016-09-26 优先出版时间：2017-07-14

优先出版网址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20170714.0856.012.html

廖新荣(1963—)，男，研究员，E-mail: 2239951171@qq.com； 通信作者： 王荣萍(1976—)，女，副研究员，博士，E-mail: rpwang@soil.gd.cn

国家科技支撑项目(2014BAD14B05)；广东省中国科学院全面战略合作专项(2013B091500016)；广州市科技计划(201607010082)；广东省科技计划(2015B070701017)；广东省现代农业产业技术体系创新团队(2016LM2149)