2020, Vol. 52
铁形态的复杂性赋予其具有吸附-解吸、氧化-还原、沉淀-溶解等多种功能[1]，使其成为联结土壤重要物质循环过程的枢纽，参与漂白、灰化、潜育化等成土过程[2]。植物多酚(PP)与低分子量有机酸(LMWOA)是植物重要的代谢产物，能以根系分泌物等方式进入土壤[3-4]，通过络合作用、质子作用和还原作用等方式影响铁的形态转化[5]。已有研究表明，PP形态和含量可影响土壤酸化及铁形态转化[6]，如低浓度茶多酚可以增加紫色土活性铁含量[7]；不同茶多酚浓度和pH对土壤铁溶解量影响不同[8]，一定浓度和pH的EGCG(表没食子儿茶素没食子酸酯)溶液也可通过改变氧化物形态增加黄壤可溶铁含量[9-10]。不同的PP或LMWOA对土壤铁形态转化会产生不同的效应，如土壤中铁活化量在漂洗水稻土和黄壤上为LMWOA > 茶多酚，在酸性紫色土上则为茶多酚组分 > 苹果酸[5]。根际有机化合物可以单独或联合起作用[11]，如土壤铁溶解量表现为儿茶酚与柠檬酸并用远高于柠檬酸单独处理[12]，芦丁与有机酸联合通过溶解部分无定形铁、促进土壤矿物转变形成伊利石而促进土壤中铁的移动[13]。鉴于此，本研究选用2种PP (EGCG、芦丁)和2种LMWOA(柠檬酸、草酸)单独和联合作用，通过对酸性、中性和石灰性紫色土的浸提试验，测定可溶铁(Fes)、游离铁(Fed)、活性铁(Feo)和络合铁(Fep)含量，探讨PP与LMWOA对土壤铁分布的影响，以期深化PP与LMWOA转化不同酸碱反应土壤铁形态特征的认识。
1 材料与方法 1.1 供试材料供试试剂：EGCG，湖州荣凯植物提取有限公司生产，纯度 > 98%；芦丁，购于国药集团化学试剂有限公司，分析纯；柠檬酸、草酸由成都市科龙化工试剂厂生产，分析纯。
供试土壤：酸性紫色土、中性紫色土和石灰性紫色土3种土壤类型，2017年4月采集于四川省雅安市雨城区老板山(102°59′ E，29°58′ N；海拔627 ~ 685 m)。为了减少土壤中植物多酚与低分子量有机酸对研究的影响，样品采集时选择非茶园植被下，距地表 20 ~ 40 cm土层土壤作为供试土壤，其基本化学性质见表 1。
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表 1 供试土壤的基本化学性质 Table 1 Basic chemical properties of tested soil |
本试验为浸提试验，采用不完全随机区组设计，共设置27个处理，即3种土壤(酸性、中性和石灰性紫色土)各设置9个浸提处理，即①CK，即去离子水；②Te，即EGCG单独作用；③Tr，即芦丁单独作用；④Tc，即柠檬酸单独作用；⑤To，即草酸单独作用；⑥Tec，即EGCG与柠檬酸联合作用；⑦Trc，即芦丁与柠檬酸联合作用；⑧Teo，即EGCG与草酸联合作用；⑨Tro，即芦丁与草酸联合作用。参照刘志光与徐仁扣[12]有关PP与LMWOA的浓度设置以及Terzano等[14]测定的根际土壤溶液LMWOA和黄酮类的实际浓度及其在水中的溶解度，设置芦丁浓度为85 μmol/L，EGCG、柠檬酸和草酸均为1 mmol/L。每个处理均重复3次，同时做空白试验。
在试验过程中，首先准确称取若干份过10目筛的10 g风干土样于250 ml聚乙烯塑料瓶中，然后按土液比1:10加入100 ml浸提液，使用恒温振荡机在25℃、220 r/min条件下振荡24 h，过滤，最后用ICP-AES测定滤液中Fes含量；剩余土样在60℃烘箱中烘烤48 h后用玛瑙研钵研磨[10]，过60目尼龙筛，按照张甘霖与龚子同[15]的方法，用DCB(连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠)法浸提-ICP测定Fed含量，用草酸-草酸铵缓冲液浸提-ICP测定Feo含量，用焦磷酸钠浸提-ICP测定Fep含量。
1.3 数据处理用Excel 2010进行描述性统计与图表制作，利用SPSS 19.0进行方差分析和多重比较。
2 结果与分析 2.1 植物多酚与低分子量有机酸对紫色土可溶铁的影响由图 1可知，酸性紫色土Fes含量范围为6.41 ~ 179.40 mg/kg，各PP和LMWOA处理均比CK有不同程度的提高，具体为EGCG > EGCG+柠檬酸 > EGCG+草酸 > 芦丁+柠檬酸 > 柠檬酸 > 芦丁+草酸 > 草酸 > 芦丁 > CK。方差分析表明，除芦丁处理外，其他各处理均显著促进酸性紫色土Fes的增加。PP和LMWOA与铁元素的络合、还原作用使某些难溶铁向Fes转化，其中可能因为EGCG分子量最大，邻位酚羟基多，发生络合反应的机会多，从而其提取的Fes含量最高[16]。Fes含量表现为EGCG与草酸或柠檬酸联合作用显著高于草酸或柠檬酸单独作用，而显著低于EGCG单独作用，说明两两联合作用后LMWOA对EGCG促进Fes增加的作用具有明显的拮抗效应，而且草酸比柠檬酸的拮抗效应更强。芦丁与柠檬酸或草酸联合作用均表现为较弱的协同效应，芦丁与柠檬酸联合作用Fes含量为78.5 mg/kg，比芦丁和柠檬酸各自单独作用时的Fes总量大8.5 mg/kg。芦丁与草酸联合作用的Fes含量比芦丁和草酸各自单独作用的Fes总量大2.8 mg/kg。
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(图中不同小写字母表示同种土壤不同处理间差异性显著(P < 0.05)，不同大写字母表示同一处理不同土壤之间差异性显著(P < 0.05)；下同) 图 1 PP与LMWOA对3种紫色土Fes的影响 Fig. 1 Effects of PPs and LMWOAs on Fes contents in three purple soils |
中性紫色土Fes含量在18.65 ~ 31.86 mg/kg，各处理Fes含量高低顺序为芦丁+草酸 > CK > EGCG+草酸 > EGCG+柠檬酸 > 草酸 > 芦丁+柠檬酸 > EGCG > 芦丁 > 柠檬酸，仅芦丁+草酸处理的Fes含量略高于CK(P > 0.05)，表明PP与LMWOA主要抑制中性紫色土铁的溶解，其中EGCG、芦丁、柠檬酸单独作用会显著降低中性紫色土Fes含量；PP与LMWOA联合作用总体上可略微减轻其单独作用对铁的沉淀效应，其中芦丁与草酸联合作用效果比EGCG与草酸联合作用效果更强。
石灰性紫色土Fes含量变化范围为2.44 ~ 37.61 mg/kg，不同处理间差异较大，具体表现为芦丁 > EGCG > CK > EGCG+草酸 > 芦丁+草酸 > 芦丁+柠檬酸 > 草酸 > EGCG+柠檬酸 > 柠檬酸，其中柠檬酸或草酸单独作用会使Fes含量显著降低，而芦丁或EGCG单独作用可使Fes含量增加，且芦丁对铁的溶解能力更强。柠檬酸或草酸与芦丁联合作用Fes含量显著下降并低于CK，而且芦丁或EGCG与柠檬酸联合作用比与草酸联合作用使Fes含量降低更为显著，其中PP的邻位酚羟基在络合反应中起重要的作用。
2.2 植物多酚与低分子量有机酸对紫色土游离铁的影响游离铁是硅酸盐矿物蚀变后游离出来的铁。由图 2可见，酸性紫色土各处理Fed含量表现为EGCG+草酸 > EGCG+柠檬酸 > 芦丁+草酸 > EGCG > > 芦丁+柠檬酸 > 芦丁 > 柠檬酸 > CK > 草酸，其中草酸处理显著低于CK，而EGCG+草酸、EGCG+柠檬酸、芦丁+草酸和EGCG处理显著高于CK，表明EGCG能通过还原与络合作用促进酸性紫色土中硅酸盐矿物的铁蚀变游离出来，从而使有EGCG的处理Fed含量均增加；芦丁与LMWOA联合作用也比其单独作用对酸性紫色土中Fed含量增加效果更显著。
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图 2 PP与LMWOA对3种紫色土Fed的影响 Fig. 2 Effects of PPs and LMWOAs on Fed contents in three purple soils |
中性紫色土各处理Fed含量表现为草酸 > 芦丁 > EGCG+柠檬酸 > 柠檬酸 > EGCG+草酸 > 芦丁+草酸 > EGCG > CK > 芦丁+柠檬酸，其中仅芦丁+柠檬酸处理稍小于CK，其他处理均比CK高，草酸和芦丁处理均显著高于CK。芦丁与柠檬酸或草酸联合作用Fed含量均显著低于它们单独作用。EGCG与草酸联合作用Fed含量显著低于草酸单独作用。
石灰性紫色土各处理Fed含量比酸性和中性紫色土低，处理间表现为芦丁+柠檬酸 > EGCG+柠檬酸 > CK > 芦丁 > 柠檬酸 > 草酸 > 芦丁+草酸 > EGCG > EGCG+草酸，虽均与CK无显著差异，但表现出芦丁或EGCG与柠檬酸联合作用增加Fed含量、而与草酸联合作用降低Fed含量的趋势。
2.3 植物多酚与低分子量有机酸对紫色土活性铁的影响从图 3中可以看出，酸性紫色土各处理Feo含量为芦丁+柠檬酸 > 芦丁 > 柠檬酸 > 草酸 > CK > EGCG+草酸 > EGCG > 芦丁+草酸 > EGCG+柠檬酸。EGCG能显著降低酸性紫色土Feo含量，与LMWOA联合作用也有相同效果，且联合作用的Feo含量显著低于柠檬酸或草酸单独作用。芦丁与草酸联合作用的Feo含量也显著低于CK及芦丁或草酸单独作用，而芦丁与柠檬酸联合作用的Feo含量显著高于CK及柠檬酸单独作用。由此表明，EGCG单独或与LMWOA联合作用均有阻止酸性紫色土中的铁向非晶质铁转化的趋势，且在与LMWOA联合作用中占据主导地位；芦丁与柠檬酸联合作用促进酸性紫色土中的铁向Feo的转化，与草酸联合作用却抑制Feo的形成。
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图 3 PP与LMWOA对3种紫色土Feo的影响 Fig. 3 Effects of PPs and LMWOAs on amorphous Feo contents in three purple soils |
中性紫色土各处理Feo含量表现为芦丁 > 芦丁+草酸 > EGCG > EGCG+柠檬酸 > EGCG+草酸 > 芦丁+柠檬酸 > 柠檬酸 > 草酸 > CK，除草酸处理外，其他各处理均显著高于CK；芦丁与柠檬酸联合作用显著低于芦丁单独作用。
石灰性紫色土Feo含量低于酸性和中性紫色土，各处理间具体表现为EGCG+草酸 > CK > EGCG+柠檬酸 > EGCG > 芦丁+草酸 > 草酸 > 柠檬酸 > 芦丁 > 芦丁+柠檬酸，其中仅EGCG与草酸联合作用略微大于CK，其余各处理之间差异不显著。
2.4 植物多酚与低分子量有机酸对紫色土络合铁的影响从图 4可看出，酸性紫色土Fep含量在0.55 ~ 3.33 mg/kg，各处理间表现为柠檬酸 > EGCG+柠檬酸 > EGCG+草酸 > 芦丁+柠檬酸 > 芦丁+草酸 > EGCG > 草酸 > CK > 芦丁。除芦丁处理外，其余处理土壤Fep含量均显著大于CK。柠檬酸与芦丁或EGCG联合作用Fep含量比柠檬酸单独作用低，而草酸与芦丁联合作用在酸性紫色土Fep的形成上具有协同效应，草酸与芦丁联合作用Fep含量比草酸或芦丁单独作用的Fep总量还大0.15 g/kg。
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图 4 PP与LMWOA对3种紫色土Fep的影响 Fig. 4 Effects of PPs and LMWOAs on Fep contents in three purple soils |
中性紫色土各处理Fep含量表现为EGCG+柠檬酸 > EGCG+草酸 > 芦丁+柠檬酸 > 柠檬酸 > 芦丁+草酸 > CK > 草酸 > 芦丁 > EGCG，PP与LMWOA联合作用显著高于PP单独作用，具体表现为EGCG与草酸或柠檬酸联合作用显著高于EGCG单独作用，芦丁与草酸或柠檬酸联合作用也显著高于芦丁单独作用。
石灰性紫色土各处理Fep含量表现为EGCG > EGCG+草酸 > EGCG+柠檬酸 > 芦丁+草酸 > CK > 草酸 > 柠檬酸 > 芦丁+柠檬酸 > 芦丁，其中EGCG、EGCG+草酸处理显著高于CK，EGCG与草酸或柠檬酸联合作用显著高于LMWOA单独作用且也高于CK，说明EGCG与LMWOA的联合作用促进石灰性紫色土Fep的形成，且EGCG占主导地位，LMWOA对EGCG的作用影响不大。
3 讨论在酸性紫色土中，EGCG与单宁酸一样能阻止Feo形成[17-18]，而促使其向Fed和Fes转化，这与张俊思等[10]对EGCG在黄壤铁形态转化中的作用的研究结果一致。EGCG对土壤铁氧化物的溶解主要由于多酚物质对铁离子具有极强的络合作用，能通过络合溶解来促进土壤中的铁转化，并且由于多酚的邻位羟基具有很高的还原性且还原电位较低，离子发生配合反应的同时，也会促使高价铁还原，表现为铁氧化物表面首先吸附多酚物质，然后在表面发生电子转移，促使高价铁还原溶解或形成铁配位化合物，最后解吸到溶液中[17-18]。此外，酸性土壤对多酚的吸附也可增加土壤沉淀态Fep。EGCG与柠檬酸或草酸联合作用显著抑制EGCG对铁的溶解，使Fes显著减少，这主要是因为EGCG与柠檬酸或草酸联合作用使土壤Fep含量较EGCG单独作用显著增加，促使本应向Fes转化的部分铁向Fep转化，表明酚与酸联合作用使其中的络合作用占据了主导地位。芦丁与柠檬酸联合作用对Fes的生成具有协同效应，使Fes含量大于各自单独作用的总和，即两者联合作用主要通过促进Fep向Fes转化；芦丁与草酸联合作用可同时促进土壤铁的溶解和络合，使土壤Fes和Fep含量均大于各自单独作用的总和，表明芦丁与草酸联合作用会促进Feo向Fes转化，与黄酮类可促进根际土壤铁的溶解结果一致[19-20]，上述协同效应可能与芦丁与LMWOA发生氢键缔合形成大而稳定的供氢体，从而增加其质子作用效果有关[21]。
与酸性紫色土中不同，在中性紫色土中，PP和LMWOA均表现为抑制Fes的形成，其中，PP可能是由于其内部的多个邻位酚羟基，可作为多基配体与一个铁中心离子络合，形成环状的螯合物沉淀[22]，并进一步向Feo转化，从而抑制Fes的生成；LMWOA与土壤中的铁离子发生络合反应，促进土壤中的铁向Fep转化[23]，使Fep与Feo含量均显著增加，由此抑制土壤铁的溶解。PP与LMWOA联合作用会减弱PP或LMWOA单独作用对中性紫色土中Fes生成的抑制作用，他们可能是通过促进Fed向Fes转化而实现的。中性紫色土中PP、LMWOA对铁的单独作用及联合作用机制有待进一步研究。
在石灰性紫色土中，PP能够使土壤Fes含量增加，LMWOA则使其降低，LMWOA的作用结果表明：一方面由于介质pH升高，铁离子溶解度很低，质子作用减弱[24]，抑制了表面络合物的形成；另一方面，草酸和柠檬酸易与土壤中大量的钙离子形成沉淀物[25]，使它们的作用难以发挥。PP的作用结果表明土壤pH升高，铁氧化物溶解度降低，但多酚的酚羟基解离程度增加，促进了PP与铁络合反应的进行；同时，PP还原能力增强[8]，产生的二价铁络合物增加，其溶解度增加，PP对土壤铁络合作用和还原作用的增强程度大于质子作用的减弱程度，从而最终表现为PP在高pH条件下Fes含量仍然增加。PP与LMWOA联合作用的Fes含量显著低于PP单独作用，而其Fes和Fep含量高于LMWOA单独作用，这是因为在联合作用时LMWOA会占据部分吸附位点，从而促使本应转化为Fes的部分铁转化为Fep，此情况与在酸性紫色土中相似。
4 结论1) PP与LMWOA各自单独作用能增加酸性紫色土Fes含量，降低中性紫色土Fes含量；对于石灰性紫色土，PP促进其Fes含量增加，而LMWOA降低其Fes含量。
2) 在酸性和石灰性紫色土中，PP与LMWOA联合作用总体表现为LMWOA削弱EGCG对土壤铁的溶解；仅芦丁与LMWOA联合作用在酸性紫色土铁的溶解上表现为协同效应。在中性紫色土中，PP与LMWOA联合作用可减轻其单独作用对铁溶解的抑制作用。
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