2019, Vol. 51
2. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008;
3. 南京市产品质量监督检验院，南京 210028
茶树一般生长在热带、亚热带地区，该地区土壤多为可变电荷土壤[1]。在茶园生态系统中，茶树落叶等凋谢物归还到土壤中的量每年每公顷达到3 ~ 5 t[2]。茶多酚在茶叶中含量达到180 ~ 360 g/kg，是茶园土壤中多酚物质的主要来源[3]。
可变电荷土壤表面电荷的数量和性质随着介质pH的变化而改变[4]。这类土壤既可以吸附阳离子也可以吸附阴离子[5-7]，而且对某些离子具有一定程度的专性吸附[8]。可变电荷土壤含大量的游离铁铝氧化物，是该类土壤对低分子量有机酸等有机化合物发生专性吸附的主要原因[9]。可变电荷土壤对低分子量有机酸的专性吸附可以降低其表面正电荷，增加负电荷[10]。
可变电荷土壤通常具有低的阳离子交换量和低的pH，重金属离子在这类土壤中具有高的移动性，导致高的环境风险[11]。含有羧基、羟基等官能团的大分子有机化合物与低分子量有机酸具有类似的表现[12]。研究发现，茶多酚可以与铜在可变电荷土壤表面发生协同吸附，增加土壤对铜离子的吸附量，从而降低这类有毒金属的活性。在自然条件下，土壤中的矿质离子(如：钙、镁等)发生淋溶作用，从而使得土壤表面发生酸化[13]。茶多酚对土壤中钙镁溶解和释放的影响已经有所报道[14-15]，但是对于铜污染的茶园土壤，茶多酚和铜离子共存对可变电荷土壤表面钙镁离子释放的影响尚未有报道。本文通过模拟试验，研究茶多酚、铜离子和体系pH对可变电荷土壤表面钙镁离子释放的影响，探究茶多酚对可变电荷土壤表面钙镁离子的作用机理。
1 材料与方法 1.1 试验材料供试的两种可变电荷土壤分别为：采自广东徐闻(20°20′ N，110°10′ E)的砖红壤和采自湖南长沙(28°11′ N，112°59′ E)的红壤。采集20 ~ 60 cm的底层土壤，风干后过60目筛，备用。土壤基本性质见表 1。土壤基本性质的测定参考土壤农业化学分析方法[16]。有机质(OM)含量测定采用重铬酸钾外加热法；阳离子交换量(CEC)测定采用醋酸铵交换-蒸馏滴定法；游离铁铝氧化物(FeDCB、AlDCB)含量采用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠(DCB)提取，电感耦合等离子体光谱仪(ICP, PerkinElmer Optima 8000，America)测定；交换性钙(CaExc)和交换性镁(MgExc)含量采用乙酸铵提取ICP测定。由表 1可知，砖红壤的游离氧化铁含量远高于红壤，因此具有更多的可变电荷；砖红壤的交换性钙镁含量均远高于红壤。
|
表 1 供试可变电荷土壤的化学性质 Table 1 Chemical properties of variable-charge soils tested |
供试茶多酚(Cas：84650-60-2)的分子式为C17H19 N3O，分子量为281.36。供试硝酸钠、硝酸铜均为分析纯，购自国药集团。
1.2 平衡试验称取过60目筛的土壤样品1.000 g于离心管中(所有试验做重复2次)；向离心管中加入2.5 mol/L硝酸钠溶液10 ml和一定量的茶多酚溶液或者去离子水10 ml，在25.0 ℃的水浴摇床上振荡2 h；加入一定浓度的硝酸铜溶液5.0 ml后，继续振荡6.0 h，其间多次调节pH至目标值；静置过夜后离心，上清液通过0.45 μm滤膜，使用ICP测定钙镁离子的浓度，钙镁离子的释放量按照公式(1)计算。
| $ M = \left( {C \times 25} \right)/w $ | (1) |
式中：C为释放的钙镁离子浓度(mmol/L)；w为土壤的质量(g)，M为钙镁离子的释放量(mmol/kg)。
在茶多酚添加量影响试验中，茶多酚初始添加量分别设置为10、20、30、40、50 g/kg，铜离子浓度固定为2.0 mmol/L，最终体系pH调节为5.0；在铜离子初始浓度的影响试验中，茶多酚初始添加量固定为20 g/kg，铜离子浓度分别设置为0.2、0.4、1.0、1.6、2.0、3.0 mmol/L，最终体系pH调节为5.0；在pH影响试验中，茶多酚初始添加量固定为20 g/kg，铜离子浓度固定为2.0 mmol/L，调节最终体系pH分别为3.5 ~ 6.0。
1.3 可变电荷土壤胶体Zeta电位测定提取可变电荷土壤胶体，步骤包括将风干的土壤经过去除有机质后分散为土壤悬液，然后根据Stoke’s定律分离得到小于2 μm的土壤黏粒[16]。称取25 mg可变电荷土壤胶体于250 ml塑料瓶中，加入1.0 mmol/L硝酸钠溶液200 ml，其中含有或不含2 mg茶多酚；超声30 min，摇匀后均分到6个塑料瓶中，分别调节pH为3.5 ~ 6.0，平衡48 h[17]；使用Zetaplus 90型微电泳仪测定(Brookhaven, Holtsville, NY, USA)胶体的Zeta电位，同时测定悬液pH。
1.4 数据处理采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行处理和绘图。
2 结果与讨论 2.1 茶多酚添加量对钙镁离子释放的影响固定铜初始浓度和体系pH，研究茶多酚的添加量对钙镁离子释放的影响发现，在体系pH为5.0时，随着茶多酚添加量的增加，从可变电荷土壤中释放的钙镁离子量都有所下降(图 1)。茶多酚添加量增加至30 g/kg时，对于钙离子，砖红壤和红壤的释放量分别为3.83 mmol/kg和0.56 mmol/kg，与对照相比，分别下降3.24 mmol/kg和1.19 mmol/kg；对于镁离子，砖红壤和红壤的释放量分别为2.97 mmol/kg和0.30 mmol/kg，与对照相比，分别下降1.58 mmol/kg和0.35 mmol/kg。这可能是由两方面原因共同作用的结果：一方面，茶多酚带有大量的负电荷，吸附到土壤后增加了可变电荷土壤表面负电荷的数量，从而增加土壤表面对钙镁离子的静电吸附量，导致钙镁离子释放量减小。在茶多酚存在的条件下，可变电荷土壤胶体的Zeta电位均有大幅度的下降。由表 2可知，在pH为5.0时，砖红壤和红壤的Zeta电位分别由-3.06、-6.17 mV降至-27.27、-30.28 mV，茶多酚可以通过增加土壤表面的负电荷，降低土壤表面钙镁离子的释放。砖红壤和红壤的等电点分别为4.7和4.3，砖红壤含有更多的游离铁铝氧化物，可以吸附更多的茶多酚，所以砖红壤释放的钙镁的变化率比红壤更大。另一方面，茶多酚增加土壤表面的负电荷，可以增加可变电荷土壤对铜离子的静电吸附，铜离子可以与钙镁离子发生离子交换，与钙镁离子竞争吸附位点，增加钙镁离子的释放。从最终结果来看，在铜离子2.0 mmol/L的条件下，主要是茶多酚通过增加土壤表面负电荷，减小可变电荷土壤表面钙镁离子的释放。
|
图 1 茶多酚添加量对可变电荷土壤释放钙镁离子的影响 Fig. 1 Effects of tea polyphenols on releases of calcium and magnesium in variable-charge soils |
|
|
表 2 茶多酚对砖红壤和红壤胶体表面Zeta电位的影响(mV) Table 2 Effects of tea polyphenols on Zeta potentials of colloids of Oxisol and Ultisol |
固定茶多酚初始浓度和体系pH，研究铜离子初始浓度对钙镁离子释放的影响。如图 2所示，随着铜离子初始浓度的升高，砖红壤和红壤对照处理的钙镁离子释放量都在增加。铜离子初始浓度从0.2 mmol/L升高至3.0 mmol/L，砖红壤对照处理的钙离子释放量由2.16 mmol/kg升高至8.32 mmol/kg，红壤对照处理钙离子的释放量由0.40 mmol/kg升高至2.02 mmol/kg；砖红壤对照处理的镁离子释放量由1.59 mmol/kg升高至5.37 mmol/kg，红壤对照处理镁离子的释放量由0.20 mmol/kg升高至0.81 mmol/kg。无论茶多酚存在与否，土壤对铜离子的吸附量均随着铜离子初始浓度的升高而增加。铜离子可以通过与钙镁离子发生离子交换，形成对吸附位点的竞争，从而增加钙镁离子的释放量。
|
图 2 铜离子初始浓度对可变电荷土壤释放钙(A)、镁(B)离子的影响 Fig. 2 Effects of initial concentration of copper ion on releases of calcium and magnesium in variable-charge soils |
在铜与茶多酚共存时，当铜离子初始浓度低于0.8 mmol/L时，茶多酚可以溶解出砖红壤表面的钙镁离子，从而增加了钙镁离子的释放；当铜离子初始浓度高于0.8 mmol/L时，在相同的铜离子初始浓度下，茶多酚降低了砖红壤和红壤的钙镁释放量。比如，当铜离子初始浓度为2.0 mmol/L时，砖红壤和红壤的钙离子释放量分别由7.39 mmol/kg和1.61 mmol/kg降至5.01 mmol/kg和0.65 mmol/kg，分别下降2.38 mmol/kg和0.96 mmol/kg；镁离子释放量分别由4.84 mmol/kg和0.65 mmol/kg降至3.66 mmol/kg和0.29 mmol/kg，分别下降1.18 mmol/kg和0.36 mmol/kg。一方面，铜离子与茶多酚在土壤表面协同吸附，降低了游离的茶多酚的浓度；另一方面，茶多酚增加了土壤表面负电荷，降低了钙镁离子的释放量。
2.3 体系pH对钙镁离子释放的影响固定茶多酚和铜的初始浓度，研究体系pH对钙镁离子释放的影响。如图 3所示，随着pH的升高，砖红壤和红壤对照处理的钙镁离子释放量都在下降。例如，pH从3.5升高至6.0，砖红壤和红壤对照处理的钙离子释放量分别由9.52 mmol/kg降至4.60 mmol/kg，2.67 mmol/kg降至0.19 mmol/kg，分别下降4.92 mmol/kg和2.48 mmol/kg；而镁离子的释放量分别由6.13 mmol/kg降至3.11 mmol/kg，1.05 mmol/kg降至0.07 mmol/kg，分别下降3.02 mmol/kg和0.98 mmol/kg。可以看出，钙镁离子释放量的减少量均为砖红壤大于红壤。砖红壤中交换性钙镁含量显著高于红壤，意味着库存较高，从土壤中释放钙镁的潜力也更高。同时，砖红壤比红壤含有更多的游离铁铝氧化物，表面具有更多的正电荷，随着pH的升高，羟基更易吸附到砖红壤表面，从而增加表面负电荷(表 2)，使得钙镁离子释放量更少。另外一方面，在低pH条件下，茶多酚一般以分子形式存在；而高pH条件下，以离子形式存在。因此，在低pH条件下，茶多酚可以溶解土壤表面的钙镁离子。同时溶液中的氢离子也是溶解土壤表面钙镁的一个重要组分。
|
图 3 体系pH对砖红壤和红壤的钙(A)、镁(B)离子释放量的影响 Fig. 3 Effects of system pH on releases of calcium and magnesium in variable-charge soils |
茶多酚的存在，能够降低土壤表面钙镁离子的释放量。茶多酚降低了土壤表面的正电荷，增加土壤表面负电荷，从而增加土壤表面对钙镁阳离子的静电吸附量，使得钙镁离子释放量减少(图 3)。如，当pH为5.0时，茶多酚的存在，使得砖红壤的钙离子释放量由7.15 mmol/kg降至4.54 mmol/kg，红壤的钙离子释放量由1.52 mmol/kg降至0.61 mmol/kg；使得砖红壤的镁离子释放量由4.68 mmol/kg降至3.39 mmol/kg，红壤的镁离子释放量0.63 mmol/kg降至0.27 mmol/kg。比较茶多酚对砖红壤和红壤两种可变电荷土壤释放钙镁的影响发现，茶多酚对砖红壤钙镁离子释放影响更为显著。原因主要包括两个方面：一方面，砖红壤比红壤含有更多的游离铁铝氧化物，表面具有更多的正电荷，对茶多酚有更高的吸附量，从而使砖红壤表面负电荷的增加幅度大于红壤；另一方面，砖红壤中交换性钙镁含量显著高于红壤，意味着库存较高，从土壤中释放出钙镁的潜力也更高，这是在相同pH条件下，茶多酚使砖红壤钙镁离子释放量减少更多的主要原因。
3 结论随着茶多酚添加量的增加，可变电荷土壤表面的负电荷增加，土壤表面对钙镁阳离子的静电吸附量增加，从而降低土壤表面钙镁离子的释放量。随着铜离子初始浓度的升高，可变电荷土壤对铜离子的吸附量增加，铜离子通过与钙镁离子发生离子交换，与钙镁离子竞争土壤表面的吸附位点，从而增加钙镁离子的释放。随着pH的升高，可变电荷土壤表面负电荷增加，钙镁离子释放量下降。在相同pH条件下，茶多酚可以增加可变电荷表面负电荷，减少可变电荷土壤钙镁离子的释放量。
| [1] |
Yi Z G, Guo P P, Zheng L L, et al. Distribution of HCHs and DDTs in the soil-plant system in tea gardens in Fujian, a major tea-producing province in China[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2013, 171: 19-24 (  0) |
| [2] |
李庆康, 丁瑞兴, 黄瑞采. 茶树凋落物在茶园土壤系统物质流中的意义[J]. 茶叶, 1988(2): 12-15 ( 0) |
| [3] |
Wickremasinghe K N, Sivasubramaniam S, Nalliah P. Urea hydrolysis in some tea soils[J]. Plant and Soil, 1981, 62(3): 473-477 DOI:10.1007/BF02374145 ( 0) |
| [4] |
徐仁扣, 李九玉, 姜军. 可变电荷土壤中特殊化学现象及其微观机制的研究进展[J]. 土壤学报, 2014, 51(2): 207-215 ( 0) |
| [5] |
Zhang G Y, Zhang X N, Yu T R. Adsorption of sulfate and fluoride by variable charge soils[J]. Journal of Soil Science, 1987, 38(1): 29-38 ( 0) |
| [6] |
王代长, 孙志成, 蒋新, 等. 酸性条件下可变电荷土壤对铜吸附动力学特征[J]. 农业环境科学学报, 2009, 28(2): 275-279 DOI:10.3321/j.issn:1672-2043.2009.02.010 ( 0) |
| [7] |
徐明岗, 季国亮. 恒电荷土壤及可变电荷土壤与离子间相互作用的研究Ⅲ, Cu2+和Zn2+的吸附特征[J]. 土壤学报, 2005, 42(2): 225-231 DOI:10.3321/j.issn:0564-3929.2005.02.008 ( 0) |
| [8] |
李素珍, 徐仁扣. 可变电荷土壤中胶粒双电层的相互作用与阴阳离子同时吸附[J]. 土壤学报, 2009, 46(5): 948-952 DOI:10.3321/j.issn:0564-3929.2009.05.026 ( 0) |
| [9] |
徐仁扣. 低分子量有机酸对可变电荷土壤和矿物表面化学性质的影响[J]. 土壤, 2006, 38(3): 233-241 DOI:10.3321/j.issn:0253-9829.2006.03.001 ( 0) |
| [10] |
徐仁扣, 肖双成, 季国亮. 低分子量有机酸影响可变电荷土壤吸附铜的机制[J]. 中国环境科学, 2005, 25(3): 334-338 DOI:10.3321/j.issn:1000-6923.2005.03.018 ( 0) |
| [11] |
Wang R H, Zhu X F, Qian W, et al. Effect of pectin on adsorption of Cu(Ⅱ) by two variable-charge soils from southern China[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015, 22(24): 19687-19694 DOI:10.1007/s11356-015-5150-y ( 0) |
| [12] |
Wang R H, Zhu X F, Qian W, et al. Adsorption of Cd(Ⅱ) by two variable-charge soils in the presence of pectin[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(13): 12976-12982 DOI:10.1007/s11356-016-6465-z ( 0) |
| [13] |
徐仁扣. 土壤酸化及其调控研究进展[J]. 土壤, 2015, 47(2): 238-244 ( 0) |
| [14] |
何刚, 袁大刚, 燕赵, 等. 茶多酚与低分子有机酸活化土壤矿质元素的差异研究[J]. 土壤学报, 2014, 51(6): 1378-1387 ( 0) |
| [15] |
庞鑫, 王玉花, 王伟东, 等. 修剪物与茶多酚对茶树矿质吸收及根系有机酸分泌的影响[J]. 茶叶科学, 2014, 34(6): 591-600 DOI:10.3969/j.issn.1000-369X.2014.06.013 ( 0) |
| [16] |
鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 1999
( 0) |
| [17] |
Wang R H, Zhu X F, Qian W, et al. Pectin adsorption on amorphous Fe/Al hydroxides and its effect on surface charge properties and Cu(Ⅱ) adsorption[J]. Journal of Soils and Sediments, 2017, 17(10): 2481-2489 DOI:10.1007/s11368-017-1702-8 ( 0) |
2. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
3. Nanjing Institute of Supervision & Testing on Product Quality, Nanjing 210028, China