绿肥腐解液中有机酸组成对铝磷和铁磷活化能力的影响

顾炽明，李 越，李银水，谢立华，沈欣杰，李小勇，秦 璐，廖 星

（中国农业科学院油料作物研究所/农业农村部油料作物生物学与遗传育种重点实验室，湖北武汉 430062）

磷是植物生长必需的矿质营养元素之一。在农业生产中使用磷肥能显著提高农作物的产量，对世界粮食增产起到重要作用[1]。根据相关报道，由于磷素容易被土壤固定，形成难溶性的磷酸盐，导致其生物有效性降低，作物对磷肥的利用率降低[2]，我国农业生产中磷肥的利用率大约为15%左右[3]。为了满足日益增长的人口对粮食的需求，生产中常通过多施肥来解决土壤缺磷和提高作物单产。但大量施用磷肥，不但增加了生产成本，而且长期施用磷肥，使得PO43-离子与土壤中的Fe、Al 等金属离子结合，形成不能被植物吸收的络合物，这既降低了磷肥的利用率，又容易造成环境污染[4]。

中国农田土壤全磷含量不低，但有效磷含量偏低，农田土壤生物有效态磷素缺乏现象十分普遍[5]。磷在土壤中的大量累积与其生物有效性低是土壤磷素养分的主要特征，已成为限制土壤生产力及威胁水体环境安全的主要因子之一。如何提高磷素的有效性进而促进作物对磷素的吸收利用效率，是我国农业可持续发展面临的重大科学问题[6-8]。近年来我国冬闲田的面积逐年增加，化肥使用导致的环境问题以及耕地质量下降问题日益突出，绿肥在农业生产中的推广和应用受到越来越多的关注[9]。种植符合轮作制度习惯的冬季绿肥，不仅可以缓解南方部分省份“稻-稻-油”三熟制带来的季节紧张，降低冬闲田面积，有效利用冬闲田的光、温、水、土资源，同时生产大量优质有机肥，翻压还田后还可达到改善土壤磷素养分的生物有效性，增强土壤磷素供应能力的目的。

研究表明应用绿肥可以显著提高作物对土壤磷素养分的吸收利用。这主要是因为绿肥腐解过程中会产生大量有机酸阴离子，有机酸阴离子一方面可以促进土壤矿物风化和土壤形成，另一方面降低土壤对磷素的固持，提高土壤养分的溶解度和有效性，对土壤难溶性磷素的活化有很好的促进作用[10-13]。庄正等[14]研究发现有机酸阴离子如草酸阴离子可有效提高红壤中磷素的生物有效性。有机酸对难溶性磷酸盐的影响与其对各种金属的络合能力有关[15]，有机酸阴离子广泛存在于土壤中，对土壤的结构肥效和营养元素的生物可利用性起到了决定性作用[16]。绿肥还田后腐解，植物根系的分泌物或土壤有机质分解和微生物代谢的产物中均含有多种有机酸阴离子。同时，由于绿肥腐解过程中为微生物提供大量的碳源和氮源，使得微生物活性较高，微生物群落结构也较丰富，因此对土壤磷素的生物活化作用也很强烈，进而提高土壤磷素有效性。Egle等[17]研究发现羽扇豆在不同缺磷条件下根系释放的有机酸阴离子主要为苹果酸和琥珀酸阴离子。Zhang等[18]的研究表明肥田萝卜在缺磷条件下苹果酸和琥珀酸阴离子的释放量分别增加了15和60倍。此外，缺磷胁迫还能促进紫云英分泌苹果酸、草酸和琥珀酸等有机酸阴离子，显著增加对难溶性磷的活化效果[19]。然而，目前有关绿肥影响土壤磷素有效性的研究，多集中在上述研究绿肥根系分泌有机酸阴离子对土壤磷素有效性的影响，关于不同绿肥翻压腐解过程中对土壤中难溶态磷 (磷酸铝和磷酸铁) 活化的影响差异及其影响机理还有待进一步研究。本试验选取常见的6种绿肥作物为供试材料，通过室内模拟试验方法，研究绿肥翻压还田后腐解过程释放的有机酸组分差异，同时对不同绿肥腐解液对酸性土壤难溶性磷素(磷酸铝和磷酸铁) 的活化能力进行了定量化分析，并分析了不同绿肥腐解液有机酸组分差异与其磷活化能力高低之间的相关关系，本研究可为绿肥在我国的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为6种绿肥作物，包括双低甘蓝型油菜绿肥 (品种为自主选育品种‘中油肥1号’，简称双低甘，DLR)，双高甘蓝型油菜绿肥 (品种为自主选育品系，简称双高甘，DHR)，芥菜型油菜绿肥(品种为自主选育品系，简称芥油，BJ)，紫云英 (品种为‘余江大叶’，MV)，二月兰 (品种为市售种，OV)，肥田萝卜 (品种为自主选育品系‘RS003’，简称肥萝，R)。所有试验材料均来自中国农业科学院油料作物研究所江西省进贤试验基地稻绿肥轮作试验的绿肥小区，所有绿肥作物的施肥水平和管理措施一致，于3月底在不同绿肥作物盛花期取全株样。供试磷酸铝 (A l P O4，A l-P) 和磷酸铁(FePO4·2H2O，Fe-P) 均为分析纯化学试剂，生产厂家为上海源叶生物科技有限公司。

1.2 试验测定项目与方法

1.2.1 土壤浸提液的制备 土壤浸提液制备所用的土壤取自绿肥作物取样地的冬闲小区0—20 cm土层，土壤类型为砖红壤。取10 g新鲜土壤于烧杯中，加入50 mL纯水，用玻璃棒搅拌5 min 过滤取上清液，现制现用。

1.2.2 绿肥作物腐解液的制备及有机酸组分的检测 将新鲜绿肥植株样品用去离子水洗净，切成1～3 cm的小段，混匀后取100 g装入1 L广口玻璃瓶中。向每个瓶中加1 mL土壤浸提液，然后放置于背阴室外环境中进行腐解。统一腐解45天后，加入1000 mL去离子水，并加入适量百里酚 (0.1 g/L) 抑制微生物活动，震荡5 min后过滤得到100 g/L的腐解液，腐解液经低温 (温度控制在10℃) 干燥仪浓缩至100 mL (浓缩10倍)，放置超低温冰箱保存以供进行Al-P 和Fe-P 活化试验和有机酸检测。

取5 mL上述浓缩腐解液于10 mL离心管中，在10000 r/min离心5 min，除去菌丝体，取稀释适当倍数的上清液1 mL于离心管中，加入0. 05 mL 硫酸 (72%) 酸解 30 min，10000 r/min离心3 min除去硫酸钙，上清液过0. 22 μm滤膜即得含有游离酸的待测液。用安捷伦1260高效液相色谱仪，配制二极管阵列检测器，测定腐解液浓缩液中10种有机酸组分的含量 (草酸、酒石酸、乙酸、丙二酸、苹果酸、乳酸、马来酸、富马酸、柠檬酸、琥珀酸)。色谱条件：Spursil C18 色谱柱 (250 mm × 4.6 mm，5 μm)。流速：0.8 mL/min；上样量：20 μL。流动相：25 mmol/L磷酸二氢钾，调节pH=2.5。检测波长为210 nm[20]。

1.2.3 绿肥腐解液对难溶性磷的活化 难溶性磷的活化试验参考兰忠明等[19]的方法，称取0.0500 g磷酸铝AlPO4、磷酸铁FePO4·2H2O分别放入50 mL塑料离心管中，用纯水淋洗3次AlPO4和FePO4·2H2O，以去除AlPO4和FePO4·2H2O表面附着的易溶态磷。然后加入浓缩腐解液6 mL，连续震荡2 h后过滤，采用钼蓝比色法测定上清液磷浓度 (P1)，以去离子水、不加难溶性磷酸盐的腐解液为对照，同样条件下进行震荡、过滤后采用钼锑抗比色法测定滤液中磷素含量 (CK)。以P1值减去腐解液磷素含量，再减去CK值即为绿肥腐解物质对难溶性磷酸盐的活化量。根据试验中100 g绿肥制得的腐解液对Al-P、Fe-P的活化量换算得出1 t该绿肥腐解产生的腐解液对Al-P和Fe-P的活化量，活化量计量的物质形态是P2O5。

1.3 数据统计与分析

数据统计及作图采用 Microsoft Excel 2016 和R语言 (version 3.4.2) 软件，方差分析采用SPSS Statistics 17，所有数据结果均以4次重复的平均值表示，采用 LSD 法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同绿肥作物腐解液中有机酸组分差异

绿肥腐解后会产生多种有机酸阴离子，不同绿肥作物腐解产生的有机酸组分存在差异。本研究中6种绿肥腐解液中的有机酸组分含量如表1所示。二月兰腐解液中10种有机酸组分总量最高，其次为肥田萝卜、双低甘蓝型油菜和芥菜型油菜，双高甘蓝型油菜和紫云英腐解后腐解液中较低。从有机酸组分种类来看，酒石酸和丙二酸在供试绿肥腐解液中的含量较高，柠檬酸、琥珀酸和苹果酸阴离子的含量居中，马来酸和富马酸的含量偏低。

表1 绿肥腐解液中各有机酸组分含量 (μg/L)Table 1 The contents of organic acids in the decomposed liquids of green manure crops

供试6种绿肥腐解液中各有机酸组分占10种有机酸组分总量的比例差异明显 (表2)，在6种绿肥腐解液中，酒石酸和丙二酸均占有较高的比重，占到10种主要有机酸总量的15%以上，马来酸和富马酸占比最低，不到10种主要有机酸总量的1%。另外，不同绿肥间比较发现芥菜型油菜腐解液中柠檬酸和苹果酸占比较高，甘蓝型双高油菜的草酸和柠檬酸占比较高，甘蓝型双低油菜的乳酸和琥珀酸占比较高；二月兰的苹果酸和乳酸占比较高，草酸较低；肥田萝卜的酒石酸占比较高，柠檬酸、琥珀酸占比居中，乙酸占比较低；紫云英的柠檬酸、苹果酸和琥珀酸的占比较高。

表2 不同绿肥作物腐解液中的有机酸组分占总和比例 (%)Table 2 The proportion of organic acid components in the decomposed liquid of different green manure crops

2.2 绿肥腐解液对难溶性磷的活化效果

绿肥腐解液对难溶性P (Al-P、Fe-P) 的活化量如图1所示。肥田萝卜腐解液对Fe-P的活化能力强于对Al-P，而其他绿肥活化Al-P的能力强于Fe-P。芥菜型油菜、双高甘蓝型油菜和紫云英腐解液对Al-P的活化能力强于双低甘蓝型油菜、肥田萝卜和二月兰。6种绿肥作物中肥田萝卜活化Fe-P的能力最强，二月兰最弱，其他绿肥对Fe-P的活化能力差异不显著。肥田萝卜、芥菜型油菜和紫云英对难溶性磷素的活化总量均高于其他绿肥。供试绿肥作物中肥田萝卜对难溶性磷组分Al-P和Fe-P的活化总量最高，理论上可达到0.6～1.2 kg/t，芥菜型油菜和紫云英次之，约为0.6～1.0 kg/t，二月兰的活化总量最低，约为0.2～0.6 kg/t。

图1 绿肥腐解液对Al-P和Fe-P的活化能力Fig. 1 Activation of Al-P and Fe-P by decomposed liquids of green manure crops

2.3 绿肥腐解液中不同有机酸组分含量与难溶性磷素活化能力的相关性

绿肥作物腐解液中有机酸组分含量与其对难溶性磷活化能力的相关性分析结果(图2)显示，Al-P的活化量与绿肥作物植株腐解液中柠檬酸、苹果酸、草酸含量呈现正相关关系，相关系数在2018和2019年分别达到 0.50、0.86、0.82 和 0.86、0.61、0.81；与绿肥腐解液中丙二酸含量均呈现负相关，与其他有机酸相关性不显著。Fe-P的活化量与绿肥腐解液中酒石酸含量呈正相关关系，相关系数在2018和2019年分别达到0.60和0.79，与其他有机酸组分的相关性不显著。

图2 绿肥腐解液中有机酸组分含量与其对难溶性磷活化能力的相关性分析Fig. 2 Correlation analysis between the organic acid contents in the decomposed liquid of different green manures and its ability to activate insoluble phosphorus

3 讨论

3.1 不同绿肥腐解液中有机酸组分的差异

有机残体腐解释放的相对分子质量 ＜ 500的含羧基化合物，如柠檬酸、草酸、苹果酸、酒石酸等有机酸阴离子，这些有机酸阴离子是土壤中广泛存在的一类非常活泼的物质。植物残体腐烂或植物分泌的草酸和苹果酸等有机酸是土壤磷素活化的关键因素之一[10,16,21]，绿肥翻压还田后的腐解过程中会向土壤中释放有机酸阴离子，主要包括腐殖酸和低分子量有机酸阴离子两部分[22-24]。目前关于有机酸组分种类的相关研究主要集中在不同植物根系分泌物中有机酸组分差异方面，直接对不同绿肥腐解产生有机酸阴离子差异的研究还很少见，且少量有关绿肥作物的应用过程中产生的有机酸对土壤难溶性磷素的活化方面的研究，大多停留在定性描述阶段。非洲酸性低磷土壤上的研究结果表明，磷高效基因型大豆与玉米轮作并翻压，通过大豆残体中的磷吸收再利用以及豆科绿肥根系分泌的有机酸阴离子，尤其是柠檬酸，能够解吸土壤固持的磷，使之成为有效态磷供作物吸收利用，因此显著提高了玉米产量和磷素吸收量[11,25]。一般在缺磷环境中植物根系会分泌有机酸阴离子，且不同植物分泌的有机酸种类不同。羽扇豆在不同缺磷条件下可通过根系释放的苹果酸和琥珀酸活化土壤难溶性磷素[17]；紫云英和萝卜通过根系分泌苹果酸、草酸和琥珀酸等有机酸阴离子，显著增加对难溶性磷的活化效果[18-19]。

微生物在分解植物残体时会分泌有机酸阴离子，不同绿肥腐解产生的有机酸种类和量存在差异的主要原因是不同绿肥碳氮比存在差异，微生物获得的碳源和氮源存在差异，从而影响了微生物分泌有机酸阴离子的过程，包括菌根菌的侵染、微生物丰度和群落结构等[26-29]。另外，不同绿肥腐解产生有机酸的过程中发挥主要功能的微生物群组和功能基因的调控有所差异[30]，导致了绿肥腐解过程中产生的有机组分种类或量的差异[31]。目前针对相关微生物功能基因表达及微生物群落结构变化的研究还较少，需要进一步开展相关研究。

3.2 不同绿肥腐解产生的有机酸差异与其磷活化能力间的关系

我国南方红壤一般偏酸性，且含有大量Al2+、Fe3+，磷肥施入土壤后很快以Al-P、Fe-P的形式被固定，从而导致红壤供磷能力较低[32]。大量研究表明，在酸性土壤中施用有机肥可以提高土壤中有机酸阴离子含量，从而减少土壤对磷素的吸附和固持，同时还能降低土壤对磷素的吸附K值[33-34]，提高土壤磷素水平，促进作物对磷的吸收利用，进而增加作物产量[11-13]，而且这一现象与其腐解过程中产生的有机酸有关[25]。绿肥在翻压后腐解的过程中产生的有机酸通过络合溶解、还原、酸溶等作用，将土壤中难以被植物利用的无效态磷素活化为有效态磷素[35-37]。因此，绿肥腐解过程产生的有机酸种类和量会直接影响土壤磷素含量以及供磷能力。本研究中不同绿肥对难溶性磷素的活化能力存在差异，其中肥田萝卜、芥菜型油菜和紫云英对难溶性磷素Al-P和Fe-P的活化能力较强。两种难溶性磷素活化总量大小依次为肥田萝卜 ＞ 芥菜型油菜、紫云英 ＞ 双高甘蓝型油菜 ＞ 双低甘蓝型油菜 ＞ 二月兰，这与不同绿肥腐解后腐解液中的有机酸组分差异有关。

不同种类有机酸阴离子对土壤中难溶性磷素的活化能力不同，因而不同绿肥翻压还田对土壤中难溶性磷素的活化效果不同。在有机酸阴离子浓度较低的条件下，柠檬酸和草酸对磷矿粉的解磷效果最好，由于绿肥腐解释放到土壤中或植物根际中有机酸浓度较低，所以有机酸对难溶性磷的解磷效果主要受到有机酸阴离子种类的限制[5]。低分子量有机酸阴离子对土壤无机磷的活化，主要是促进了土壤中有效性低的无机磷形态向有效性较高的形态转化，并且这个过程与有机酸的种类密切相关[38]。Bloan等[39]对苹果酸、柠檬酸等7种有机酸阴离子的研究结果表明，活化土壤难溶性磷素的能力依次为柠檬酸 ＞草酸 ＞ 酒石酸 ＞ 苹果酸 ＞ 乙酸、琥珀酸、乳酸。本研究中通过对不同绿肥作物腐解液对难溶性磷素的活化量进行换算后发现，理论上1 t肥田萝卜、紫云英、芥菜型油菜、双高甘蓝型油菜、双低甘蓝型油菜和二月兰绿肥经过1个月的腐解，产生的腐解液活化Al-P和Fe-P可分别产生约为0.9、0.8、0.8、0.7、0.5和0.4 kg生物有效态磷素。6种绿肥作物中肥田萝卜植株腐解液对Al-P、Fe-P的活化总量最大，其次为紫云英和芥菜型油菜绿肥。分析供试绿肥腐解液对难溶性磷活化能力与其腐解液中不同有机酸组分含量的相关性，结果表明绿肥作物腐解液活化磷素能力高低与其腐解产生的柠檬酸、苹果酸、草酸和酒石酸阴离子存在正相关关系，说明绿肥腐解液对难溶性磷素的活化作用主要取决于有机酸组分中的某几种组分，而非这些有机酸组分总和的高低。这一结果与上述研究中的结果一致。

4 结论

与Al-P和Fe-P的活化密切相关的是有机酸中含有较高的柠檬酸、草酸、苹果酸和酒石酸。供试6种绿肥作物的腐解液分泌的10种有机酸的总含量及各有机酸组分的占比差异很大，二月兰虽然有机酸总量高，但是柠檬酸、草酸和酒石酸比例均较低。肥田萝卜腐解液中的酒石酸含量及其占比高于其他绿肥，且柠檬酸和琥珀酸占比较高，对Fe-P的活化能力强。芥菜型油菜和紫云英腐解液中草酸、柠檬酸和琥珀酸占比高于其他绿肥，对Al-P的活化能力强。供试6种绿肥中以肥田萝卜腐解液的活化能力最强，芥菜型油菜和紫云英的活化能力次之。