孙元宏, 李翠兰, 张晋京
吉林农业大学资源与环境学院, 吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室, 长春 130118
收稿日期: 2018-12-27; 修回日期: 2019-02-16; 录用日期: 2019-02-16
基金项目: 国家重点研发计划项目（No.2017YFD0300608，2017YFD0200205）；国家自然科学基金（No.41471196）
作者简介: 孙元宏(1992-), 女, E-mail:842615166@qq.com
通讯作者（责任作者）: 张晋京, E-mail:zhangjinjing@126.com

摘要: 磷（P）是存在于腐殖物质中的主要元素之一，然而不同来源腐殖物质中P素的生物有效性及其影响因素尚不清楚.本研究以土壤、泥炭、玉米秸秆、牛粪、猪粪和鸡粪为供试材料，利用酶水解方法比较了不同来源胡敏酸（HA）中P素生物有效性的差异，分析了P素生物有效性与HA化学组成之间的关系.结果发现：HA中活性无机P占HA全P的19.9%~46.4%，活性有机P占HA全P的23.3%~53.8%，活性P总量占HA全P的43.3%~84.7%；活性有机P中，类植酸态P的比例（9.13%~25.1%）最高，其次为简单单酯P（7.06%~22.3%）和多核苷酸P（4.12%~7.46%）；不同来源HA相比，活性无机P的含量以土壤HA最高而鸡粪HA最低，活性有机P的含量以秸秆HA最高而牛粪HA最低，活性P总量的顺序为秸秆HA >土壤HA ≈猪粪HA >泥炭HA >牛粪HA >鸡粪HA；Pearson线性相关分析指出，活性无机P与Al含量之间呈显著的负相关，活性有机P与Ca、Mg、Zn、碳水化合物和双烷氧碳含量之间呈显著的正相关，而活性P总量与Fe含量之间呈显著的负相关.上述结果说明，不同来源HA结合态P素的生物有效性不同，其中秸秆HA结合态P素的生物有效性最高，其次为土壤HA、猪粪HA、泥炭HA和牛粪HA，而鸡粪HA结合态P素的生物有效性最低；HA中酶可水解的活性有机P含量与其中金属元素和有机碳官能团的组成有关，HA中与Ca、Mg和Zn结合的P是酶可水解的有机P形态，同时HA中活性有机碳官能团含量较高则活性有机P的含量也较高.
关键词:磷胡敏酸酶水解元素组成核磁共振
Chemical composition and bioavailability of phosphorus associated with humic acids from different sources
SUN Yuanhong, LI Cuilan, ZHANG Jinjing
Key Laboratory of Soil Resource Sustainable Utilization for Commodity Grain Bases of Jilin Province, College of Resource and Environmental Science, Jilin Agricultural University, Changchun 130118
Received 27 December 2018; received in revised from 16 February 2019; accepted 16 February 2019
Abstract: Phosphorus (P) is one of the major elements in humic substances. However, the bioavailability and influencing factors of P associated with humic substances from different sources are still unclear. In this study, humic acids (HA) were isolated from soil, peat, maize straw, and livestock manures (i.e., cattle manure, pig manure, and chicken manure). The differences of the bioavailability of P associated HA were compared by using enzymatic hydrolysis experiments. Moreover, the correlations between P bioavailability and chemical compositions of HA were explored. The labile inorganic P, labile organic P, and total labile P accounted for 19.9%~46.4%, 23.3%~53.8%, and 43.3%~84.7% of total P in HA, respectively. In the labile organic P, phytate-like P displayed the highest proportion (9.13%~25.1%), followed by simple monoester P (7.06%~22.3%) and polynucleotide P (4.12%~7.46%). Among HA from the different sources, the labile inorganic P content was highest in HA from soil and lowest in HA from chicken manure, while the labile organic P content was highest in HA from maize straw and lowest in HA from cattle manure. The total labile P content in HA from different sources was in the order maize straw > soil ≈ pig manure > peat > cattle manure > chicken manure. Pearson correlation analysis shows that the labile inorganic P was negatively correlated with Al content, the labile organic P was positively correlated with Ca, Mg, Zn, carbohydrate C, and di-O-alkyl C, whereas the total labile P was negatively correlated with Fe content in HA. The above results suggest that the bioavailability of P associated with HA from different sources was distinct, in which the bioavailability of P is the highest for HA from maize straw, followed by HA from soil, pig manure, peat and cattle manure, and the lowest is for HA from chicken manure. The Ca-, Mg-, and Zn-bound P in HA are enzyme hydrolysable organic P forms, and the labile organic P is high in HA with high labile organic C functional groups.
Keywords: phosphorushumic acidenzymatic hydrolysiselemental compositionnuclear magnetic resonance
1 引言(Introduction)磷(P)是植物必需的营养元素之一, 其有效供应既是维持和提高作物产量的关键, 也是防止水体富营养化的重要途径, 因此有关环境中P素生物有效性的研究一直是国内外****关注的热点和前沿课题(Haygarth et al., 2018; Menezes-Blackburn et al., 2018).腐殖物质是广泛存在于土壤、水体、沉积物和有机废弃物中的天然高分子有机化合物, 根据其在酸、碱溶液中溶解度的不同又可分为胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HU)3个组分, 其中来自于有机废弃物中的腐殖物质通常也被称为“类腐殖物质”(Senesi et al., 2007).已有的研究表明, P是存在于腐殖物质中的主要元素之一(Stevenson, 1994; Turner et al., 2005; He et al., 2011), 自然生态系统中腐殖物质结合态P的比例可以占到溶解性P库的50%以上(Li et al., 2013), 并且通常比矿物结合态P具有更高的活性(Gerke, 2010); 另一方面, 腐殖物质在环境中的作用与其化学组成密切相关(Qlaetxea et al., 2018), 腐殖物质的化学组成是决定其结合态磷素生物有效性的关键因素(He et al., 2006; 2011).因此, 阐明环境中腐殖物质的化学组成及结合态P的生物有效性, 有助于揭示其在生态系统P素循环中的作用及其机制, 进而为磷素资源的合理利用提供科学依据.
已有的研究证实, 腐殖物质的化学组成及结合态P素的生物有效性与其来源密切相关(He et al., 2006).以往, 一些研究者考察了土壤(He et al., 2006; 2009; 2011)和泥炭(He et al., 2006)来源的腐殖物质的化学组成及结合态P素的生物有效性, 并指出腐殖物质来源对P生物有效性的影响要大于腐殖物质组分及农田管理措施等的影响.近年来, 随着现代农业集约化和规模化程度的不断发展, 畜禽粪便和作物秸秆已成为重要的有机废弃物资源, 其中我国每年产生的畜禽粪便资源量约为20×10⁸ t(黄绍文等, 2017), 而作物秸秆资源量约为7×10⁸ t(曹志宏等, 2018), 这些有机废弃物资源中养分资源的合理利用, 对于维持生态系统平衡、减少化学肥料施用以及促进农业可持续发展具有十分重要的意义; 另一方面, 我国泥炭资源丰富(总储量约47×10⁸ t)(袁露露, 2018), 泥炭本身的有机质和腐殖酸含量较高, 因此被广泛用于农田土壤培肥和污染土壤修复(Parent et al., 2002).然而, 关于这些不同来源有机物料中腐殖物质结合态P素生物有效性的差异及与其化学组成之间的关系, 目前尚不清楚.
就腐殖物质组分而言, HA是最主要的溶解性腐殖物质组分, 对于土壤肥力、生态环境和作物生长都起着积极的促进作用(窦森, 2010; Li et al., 2015; Qlaetxea et al., 2018).元素分析和核磁共振技术, 是从分子水平上鉴定HA化学组成的重要手段(Mahieu et al., 2002; He et al., 2011; Wang et al., 2016); 而酶水解反应是鉴定环境样品中有机P生物有效性的常用方法, 同时基于酶与底物之间的特异性关系还可鉴定出样品中主要的有机P形态(Turner et al., 2005; He et al., 2011; 王涛等, 2011; 张友等, 2017; Zhu et al., 2018).为此, 本研究利用元素分析、核磁共振(¹³C、³¹P)和酶水解技术, 研究不同原材料(畜禽粪便、作物秸秆、泥炭和土壤)及其形成环境过程对胡敏酸化学组成和结合态磷素生物有效性的影响, 揭示其在磷素循环中的作用及其机制, 为磷素资源的合理利用提供科学依据.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 试验材料供试材料包括畜禽粪便(牛粪、猪粪、鸡粪)、作物秸秆(玉米秸秆)、天然有机物料(泥炭)和林地土壤(即暗棕壤), 其中畜禽粪便和作物秸秆样品分别取自长春市的畜禽养殖厂和种植玉米的农田, 泥炭样品由敦化市吉祥泥炭开发有限公司提供, 土壤样品采自吉林市龙潭区.供试有机物料和土壤的基本性质如表 1所示.
表 1(Table 1)

表 1 供试有机物料和土壤的基本性质 Table 1 Basic properties of organic materials and soil used

表 1 供试有机物料和土壤的基本性质 Table 1 Basic properties of organic materials and soil used 供试材料 有机碳/ (g·kg-1) 全氮/ (g·kg-1) 全磷/ (g·kg-1) 全钾/ (g·kg-1) 牛粪 220.7±2.96c 18.5±0.06d 2.60±0.10d 17.0±0.41a 鸡粪 181.2±5.05d 21.8±0.22c 11.7±0.13a 13.0±0.17c 猪粪 365.0±6.24b 23.6±0.26a 6.38±0.03b 11.4±0.19e 秸秆 411.0±9.02a 11.2±0.12e 2.10±0.02e 12.5±0.10d 泥炭 360.0±2.74b 22.5±0.42b 4.85±0.05c 2.75±0.02f 土壤 38.2±0.66e 3.29±0.09f 0.93±0.01f 14.3±0.13b 注：同一列内不同小写字母表示样品间差异显著(n=3, p < 0.05).

供试酶制剂选择Solarbio公司的酸性磷酸酶(Acid phosphatase from potato, 活性0.9 U·mg^-1)、植酸酶(Phytase wheat, 活性5 U·mg^-1)和Sigma公司的核酸酶P1(Nuclease P1 from Penicillium citrinum, 活性200 U·mg^-1), 用0.4 mol·L^-1醋酸钠缓冲液(pH 5.0)分别配制成活性为3、3和60 U·mL^-1的酶储备液, 保存在冰箱中备用.
2.2 胡敏酸的制备及表征HA的提取、分离和纯化参照Li等(2015)的方法进行.主要步骤简述如下：向供试样品中加入0.1 mol·L^-1 NaOH + 0.1 mol·L^-1 Na₄P₂O₇混合溶液, 反复提取至碱提取液颜色很淡时为止.碱提取液经离心后, 用6 mol·L^-1 HCl溶液调节至pH值为1, 沉淀物即为HA.将得到的HA用0.1 mol·L^-1 NaOH和6 mol·L^-1 HCl溶液反复溶解-沉淀3次, 然后渗析至无Cl^-反应, 冷冻干燥后即得到纯化的HA.
HA的C、H、N和S含量用Elementar Vario MICRO型元素分析仪测定, P、Al、Fe、Ca、Mg、Mn和Zn含量用Thermo Scientific iCAP6300型电感耦合等离子体光谱仪(ICP-OES)测定; 固态¹³C交叉极化魔角自旋核磁共振(¹³C CPMAS NMR)和固态³¹P高功率去耦魔角自旋(HPDec MAS)NMR波谱用Bruker AVANCE Ⅲ 400 WB核磁共振波谱仪测定, ¹³C NMR的自旋速率8 kHz, 接触时间2 ms, 采样时间20 ms, 化学位移用外标金刚烷(δ=38.4 ppm)进行标定; ³¹P NMR的自旋速率12 kHz, 接触时间2 ms, 采样时间126 ms, 化学位移用外标85%磷酸(δ=0 ppm)进行标定.
2.3 胡敏酸的酶解试验酶解试验参照He等(2011)的方法, 主要步骤简述如下：将冻干后的HA样品重新溶于0.05 mol·L^-1 NaOH溶液中, 配置成P浓度为10 mg·L^-1的储备液.吸取适量(100 μL)的HA储备液放入塑料离心管内, 添加0.045 mL的相应酶(即酸性磷酸酶、植酸酶、酸性磷酸酶+植酸酶、酸性磷酸酶+植酸酶+核酸酶P1)缓冲液, 并加超纯水至离心管内溶液总体积为0.180 mL, 该溶液中酸性磷酸酶、植酸酶和核酸酶P1的活性分别为0.25、0.25和5 U·mL^-1, 同时设置不添加酶的对照处理.将此混合溶液在37 ℃下培养20 h, 取出后冷却至室温.
上述酶解溶液中正磷酸盐的含量用钼蓝比色修改法(He et al., 2005)测定, 主要步骤简述如下：吸取培养后的待测液25~50 μL, 分别加入去离子水、2%的十二烷基硫酸钠溶液、0.1 mol·L^-1抗坏酸+0.5mol·L^-1三氯乙酸混合溶液、0.01 mol·L^-1钼酸铵溶液和0.1 mol·L^-1柠檬酸钠+0.2 mol·L^-1亚砷酸钠+5%醋酸混合溶液, 使得最终溶液的总体积为1.1 mL.将上述溶液混合均匀, 静止30 min后, 用722E型可见光分光光度计(上海光谱仪器有限公司)于波长700 nm处测量吸光值.此外, 为了消除HA本身颜色对吸光值的影响, 在样品比色的同时以不加抗坏血酸的HA作为空白.
在未添加酶条件下, 溶液中的正磷酸盐定义为活性无机P; 同时添加3种酶条件下, 溶液中增加的正磷酸盐定义为活性有机P; 溶液中全P与活性无机P和活性有机P之差定义为惰性P(He et al., 2011).根据供试酶与底物之间的特异性关系, 可进一步将活性有机P区分为简单单酯P、类植酸态P和多核苷酸P, 其中简单单酯P为单一酸性磷酸酶存在下释放的正磷酸盐, 类植酸态P为酸性磷酸酶+植酸酶存在下与单一酸性磷酸酶存在下释放的正磷酸盐的差值, 而多核苷酸P为酸性磷酸酶+植酸酶+核酸酶P1存在下与酸性磷酸酶+植酸酶存在下释放的正磷酸盐的差值(He et al., 2009).
2.4 统计分析除元素组成和固态¹³C核磁共振分析采用混合样品外, 其余数据均表示为3次重复的平均值±标准差; HA中不同形态P(即活性无机P、活性有机P、简单单酯P、类植酸态P、多核苷酸P和惰性P)的含量均表示为占HA全P的百分数.
统计分析采用SPSS17.0软件, 利用单因素方差分析考察不同来源HA各个P素形态以及同一来源HA不同P素形态之间的差异, 双因素方差分析考察HA来源、酶类型及其交互作用对酶水解后正磷酸盐释放量的影响, 最小显著差(LSD)法进行多重比较, Pearson线性相关分析考察HA中P含量和形态与HA的元素(即C、H、N、S、Al、Fe、Ca、Mg、Mn、Zn)和有机C官能团含量之间的相关关系, 显著性水平为p < 0.05.
3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 胡敏酸的化学组成3.1.1 元素组成由表 2可知, 供试HA中C、H、N、S和P的含量分别为509.3~550.8、49.8~70.0、24.1~61.3、2.91~11.9和0.40~5.15 g·kg^-1.以往应用电感耦合等离子体-原子发射光谱仪(ICP-AES)的研究表明, 泥炭HA和土壤HA中的P含量分别为0.3~3.1 g·kg^-1(He et al., 2006)和0.8~3.7 g·kg^-1(He et al., 2006; Baran?íková et al., 2007;He et al., 2009; 2011), 这与我们的研究结果是一致的.不同来源HA相比, 猪粪HA中C、H、N和S的含量均高于其它来源的HA, 土壤HA中C和H的含量低于其它来源的HA, 而玉米秸秆HA中N和S的含量低于其它来源的HA; 从P的含量来看, 其顺序依次为畜禽粪便HA>土壤HA>泥炭HA>秸秆HA, 而畜禽粪便HA中的P含量则为猪粪HA>鸡粪HA>牛粪HA.相关分析结果表明, HA中P含量与N(r=0.942, p < 0.01)和S(r=0.846, p < 0.05)含量之间呈显著的线性正相关, 而与C和H含量之间则不存在显著的相关性.
表 2(Table 2)

表 2 不同来源胡敏酸(HA)的元素含量 Table 2 Elemental contents of humic acid (HA) from different sources

表 2 不同来源胡敏酸(HA)的元素含量 Table 2 Elemental contents of humic acid (HA) from different sources 不同来源HA C/ (g·kg-1) H/ (g·kg-1) N/ (g·kg-1) S/ (g·kg-1) P/ (g·kg-1) Al/ (g·kg-1) Fe/ (g·kg-1) Ca/ (g·kg-1) Mg/ (g·kg-1) Mn/ (g·kg-1) Zn/ (g·kg-1) 牛粪HA 547.1 56.3 29.0 8.47 2.02 0.35 0.79 0.59 0.08 0.01 0.08 鸡粪HA 539.1 63.9 58.8 9.69 3.91 0.61 1.05 0.46 0.10 0.01 0.07 猪粪HA 550.8 70 61.3 11.90 5.15 0.43 0.55 0.62 0.12 0.01 0.07 秸秆HA 519.8 59.6 24.1 2.91 0.40 0.33 0.34 3.66 0.55 0.01 0.70 泥炭HA 533.3 54.7 32.8 8.70 1.15 0.20 0.78 0.92 0.10 0.02 0.10 土壤HA 509.3 49.8 37.6 4.57 1.41 0.10 0.35 0.52 0.06 < 0.01 0.08

此外, 供试HA中也检测到了一些金属元素(Al、Fe、Ca、Mg、Mn和Zn)的存在, 其中Al(0.10~0.61 g·kg^-1)、Fe(0.34~1.05 g·kg^-1)和Ca(0.46~3.66 g·kg^-1)的含量通常高于Mg(0.06~0.55 g·kg^-1)、Mn(< 0.01~0.02 g·kg^-1)和Zn(0.07~0.70 g·kg^-1)的含量.不同来源HA相比, Al和Fe的含量以鸡粪HA最高, 而Ca、Mg和Zn的含量则以玉米秸秆HA最高.
以往的研究指出, 腐殖物质是通过金属离子的桥接作用与P素相结合的(Petrovic and Kastelan-Macan, 1996; He et al., 2006; Li et al., 2013; Roberto et al., 2016).本研究中, 为了探明HA中P含量与其中的金属元素含量之间是否存在必然的联系, 我们对两者的相关性进行了分析.Pearson线性相关分析结果(表 3)表明, HA中P含量与各金属元素含量之间都不存在显著的相关性, 这说明HA结合态P素的含量可能取决于HA、金属离子和P素三者之间的相互作用关系(而不仅仅是金属离子的含量), 对此还有待做进一步的研究.
表 3(Table 3)

表 3 不同来源胡敏酸中磷含量与金属元素含量之间的相关系数 Table 3 Pearson correlation coefficients between the contents of P and metal elements of humic acids from different sources

表 3 不同来源胡敏酸中磷含量与金属元素含量之间的相关系数 Table 3 Pearson correlation coefficients between the contents of P and metal elements of humic acids from different sources Al Fe Ca Mg Mn Zn P 0.670 0.404 -0.564 -0.452 -0.131 -0.552 注：n=6.

3.1.2 固态³¹P和¹³C NMR波谱从图 1可以看到, 与其它来源的HA相比, 秸秆HA的固态³¹P NMR谱图的信噪比较低, 这与秸秆HA中P素的含量较低(< 0.5 g·kg^-1)(表 2)有关.所有HA的固态³¹P NMR波谱的共振峰出现在-0.9~-1.5 ppm之间, 可归属为植酸Ca或植酸Mg的吸收(He et al., 2007), 说明HA中的Ca或Mg主要是以植酸盐的形态存在.但目前固态³¹P NMR波谱尚难以用于某些金属元素(如Fe)的鉴定(McDowell et al., 2002; Li et al., 2015), 因此这些金属在HA中的存在形态还有待进一步的确认.
图 1(Fig. 1)

图 1 不同来源胡敏酸(HA)的固态31P和13C NMR波谱图 (a.牛粪HA, b.鸡粪HA, c.猪粪HA, d.秸秆HA, e.泥炭HA, f.土壤HA) Fig. 1Solid-state 31P and 13C NMR spectra of humic acid (HA) from different sources (a. cattle manure HA, b. chicken manure HA, c. pig manure HA, d. maize straw HA, e. peat HA, f. soil HA)

不同来源HA的固态¹³C NMR波谱(图 1)的谱形相似, 说明它们具有相似的官能团类型.从¹³C NMR谱图来看, 可以划分为7个主要的化学位移区间, 即烷基C区(0~50 ppm)、甲氧基C区(50~60 ppm)、碳水化合物C区(60~95 ppm)、双烷氧C区(95~110 ppm)、芳基C区(110~145 ppm)、酚基C区(145~160 ppm)和羧基C区(160~190 ppm)(Guan et al., 2018).另一方面, 不同来源HA中有机C官能团的相对比例不同.从半定量分析结果(表 4)可以看到, 烷基C的比例以猪粪HA最高, 甲氧基C、碳水化合物C和双烷氧C的比例以玉米秸秆HA最高, 芳基C的比例以牛粪HA和泥炭HA最高, 酚基C的比例以牛粪HA最高, 而羧基C的比例则以土壤HA最高.上述不同来源HA中有机C官能团比例的差异, 导致猪粪HA的烷基C/烷氧C和脂族C/芳香C比值高于其它来源的HA, 而泥炭HA的疏水C/亲水C比值高于其它来源的HA.一般认为, 烷基C/烷氧C、脂族C/芳香C和疏水C/亲水C比值能够分别表征腐殖物质的烷基化(或腐殖化)、脂族化和疏水化程度的高低, 上述比值越高说明腐殖物质的烷基化(或腐殖化)、脂族化和疏水化程度越高(Li et al., 2015; Guan et al., 2018).因此, 本研究结果说明, 猪粪HA具有较高的烷基化(或腐殖化)和脂族化程度, 而泥炭HA则具有更高的疏水化程度.以往对于几种不同来源HA的¹³C NMR波谱的研究也发现, 猪粪HA的脂族化程度高于泥炭HA(窦森, 2010), 而牛粪HA的烷基化、脂族化和疏水化程度均低于泥炭HA(Li et al., 2015), 这与本研究结果相一致.
表 4(Table 4)

表 4 不同来源胡敏酸(HA)中有机碳官能团的组成 Table 4 Organic carbon functional group compositions in humic acid (HA) from different sources

表 4 不同来源胡敏酸(HA)中有机碳官能团的组成 Table 4 Organic carbon functional group compositions in humic acid (HA) from different sources 有机碳官能团 烷基C 甲氧基C 碳水化合物C 双烷氧C 芳基C 酚基C 羧基C 烷基C/ 烷氧C 脂族C/ 芳香C 疏水C/ 亲水C 牛粪HA 17.8% 15.30% 11.4% 5.99% 24.6% 15.30% 9.75% 0.54 1.27 1.36 鸡粪HA 25.8% 15.90% 10.7% 5.77% 17.9% 11.10% 12.90% 0.80 2.00 1.21 猪粪HA 35.1% 13.80% 10.8% 4.92% 14.7% 8.31% 12.40% 1.19 2.81 1.38 秸秆HA 14.9% 17.90% 16.0% 10.90% 19.5% 13.60% 7.11% 0.33 1.8 0.92 泥炭HA 22.6% 11.60% 12.2% 6.69% 24.6% 12.60% 9.64% 0.74 1.43 1.49 土壤HA 22.2% 9.77% 12.1% 7.58% 23.7% 8.35% 16.20% 0.75 1.61 1.19 注：烷基C/烷氧C=烷基C/(甲氧基C+碳水化合物C+双烷氧C), 脂族C/芳香C=(烷基C+烷氧C)/(芳基C+酚基C), 疏水C/亲水C=(烷基C+芳基C)/(烷氧C+羧基C).

相关分析结果(表 5)表明, HA中P含量与烷基C(r=0.891, p < 0.05)和烷基C/烷氧C比值(r=0.846, p < 0.05)之间存在显著的线性正相关, 但与其它有机C官能团之间则不存在显著的相关性.这说明, HA中的P素可能主要是与惰性的烷基C而不是与活性的烷氧C官能团相结合.
表 5(Table 5)

表 5 不同来源胡敏酸中磷含量与有机碳官能团组成之间的相关系数 Table 5 Pearson correlation coefficients between P content and organic carbon functional group compositions of humic acids from different sources

表 5 不同来源胡敏酸中磷含量与有机碳官能团组成之间的相关系数 Table 5 Pearson correlation coefficients between P content and organic carbon functional group compositions of humic acids from different sources 烷基C 甲氧基C 碳水化合物C 双烷氧C 芳基C 酚基C 羧基C 烷基C/ 烷氧C 脂族C/ 芳香C 疏水C/ 亲水C P 0.891* 0.045 -0.746 -0.788 -0.739 -0.514 0.403 0.846* 0.788 0.373 注：n=6, * p < 0.05.

3.2 胡敏酸结合态磷素的生物有效性本研究(图 2)发现, 不同来源HA中均含有一定数量的活性无机P, 含量范围在19.9%~46.4%(指占HA中全P的百分比, 以下同此)之间, 其中以土壤HA最高, 其次为猪粪HA、泥炭HA、秸秆HA和牛粪HA, 而鸡粪HA最低, 但猪粪HA和泥炭HA之间差异不显著.目前认为, 这部分活性无机P可能主要是以弱的范德华力与HA内核结构相结合的或者以HA-金属-无机P复合物形式存在的正磷酸盐, 在酸性条件下部分水解释放出来, 是腐殖物质中生物有效性最高的P素形态(He et al., 2006; 2009).以往, He等(2006; 2009; 2011)采用酶水解方法的研究发现, 种植玉米和水稻的农田土壤HA中活性无机P的含量分别为18.4%和41.6%, 而国际腐殖物质学会(IHSS)提供的土壤和泥炭HA中活性无机P的含量分别为23%和6%, 由此可见HA中活性无机P的相对含量与其来源密切相关.经酶培养后, HA结合态P发生了水解反应, 其中添加单一的酸性磷酸酶后, 有7.06%~22.3%的HA结合态P被水解, 使得活性无机P增加到了28.6%~53.5%;添加酸性磷酸酶和植酸酶后, 又有9.13%~25.1%的HA结合态P被水解, 活性无机P增加到了37.7%~78.4%;而添加酸性磷酸酶、植酸酶和核酸酶P1后, HA结合态P进一步发生水解的比例(4.12%~7.46%)较低, 活性无机P增加到了43.3%~84.7%, 即添加3种酶时活性无机P的增加幅度要小于添加2种酶时的增加幅度, 这与以往在土壤HA酶解反应中观察到的现象一致, 说明HA中多核苷酸P化合物的比例较低(He et al., 2011).双因素方差分析结果(表 6)表明, HA来源、酶类型及其交互作用对酶水解后活性无机P的产生都有显著的影响.
图 2(Fig. 2)

图 2 不同来源胡敏酸(HA)经酶水解释放的正磷酸盐量 (P-e：未添加酶; P+1e：添加酸性磷酸酶; P+2e：添加酸性磷酸酶和植酸酶; P+3e：添加酸性磷酸酶、植酸酶和核酸酶P1)(注：小写字母表示样品间差异显著, 大写字母表示酶类型间差异显著(n=3, p < 0.05)) Fig. 2Orthophosphate released after enzymatic hydrolysis in humic acids (HA) from different sources (P-e:without enzyme addition; P+1e:with acid phosphatase addition; P+2e:with acid phosphatase and phytase additions; P+3e:with acid phosphatase, phytase and nuclease P1 additions)

表 6(Table 6)

表 6 胡敏酸(HA)来源、酶类型及其交互作用对酶水解后正磷酸盐释放影响的双因素方差分析 Table 6 Results of two-way ANOVA for the effects of humic acid (HA) sources, enzyme types, and their interaction on orthophosphate released after enzymatic hydrolysis

表 6 胡敏酸(HA)来源、酶类型及其交互作用对酶水解后正磷酸盐释放影响的双因素方差分析 Table 6 Results of two-way ANOVA for the effects of humic acid (HA) sources, enzyme types, and their interaction on orthophosphate released after enzymatic hydrolysis 变异来源 平方和 自由度 均方 F值 p值 HA来源(A) 8122.9 5 1624.6 16.9 < 0.001 酶类型(B) 9872.5 3 3290.8 34.2 < 0.001 A×B 1445.2 15 96.3 59.1 < 0.001 误差 78.3 48 1.6

由表 7可见, 经酶水解后, HA结合态P的23.3%~53.8%以活性有机P的形式存在, 其中鸡粪HA和玉米秸秆HA中活性有机P的含量显著高于活性无机P, 而其它来源HA中活性有机P的含量则显著低于活性无机P; 另外, 与活性P(即活性无机P与活性有机P之和)相比, 鸡粪HA中惰性P的含量显著高于活性P的含量, 牛粪HA中惰性P与活性P含量差异不显著, 而其它来源HA中惰性P含量显著低于活性P含量, 这进一步说明HA中不同形态P素的相对含量与其来源密切相关.He等(2011)的研究也表明, 种植玉米和水稻的土壤HA中活性有机P的含量高于活性无机P, 而IHSS提供的土壤和泥炭HA中活性有机P的含量则低于活性无机P.不同来源HA相比, 玉米秸秆HA中活性有机P的含量最高, 其次为猪粪HA, 而其它来源HA中活性有机P含量之间没有显著的差异; 鸡粪HA中惰性P的含量最高, 其次分别为牛粪HA、泥炭HA、猪粪HA、土壤HA和玉米秸秆HA, 但猪粪HA与土壤HA的惰性P含量没有显著的差异.从HA中的惰性P的存在形式来看, 可能主要为与HA紧密结合的无机态P以及不能被供试酶水解的有机态P(He et al., 2009; Zhu et al., 2015).以往的研究发现, 土壤HA中活性P的总量取决于土壤类型, 其中旱田土壤约为40%, 而水田土壤能达到60%以上(He et al., 2011).从本研究结果(表 7)来看, 活性P总量由于HA来源的不同差异也较大, 范围在43.3%~84.7%之间, 其顺序为秸秆HA>土壤HA≈猪粪HA>泥炭HA>牛粪HA>鸡粪HA, 这说明不同来源HA结合态P素的生物有效性存在差异, 其中秸秆HA结合态P素的生物有效性最高, 而鸡粪HA结合态P素的生物有效性最低.通过以下的相关性分析(表 8), 初步认为上述差异主要与不同来源HA中Fe的含量不同有关.
表 7(Table 7)

表 7 不同来源胡敏酸(HA)结合态磷的生物有效性(占全磷的百分比) Table 7 Bioavailability of phosphorus (percentage of total phosphorus) in humic acids (HA) from different sources

表 7 不同来源胡敏酸(HA)结合态磷的生物有效性(占全磷的百分比) Table 7 Bioavailability of phosphorus (percentage of total phosphorus) in humic acids (HA) from different sources 磷形态 结合态磷的生物有效性 牛粪HA 鸡粪HA 猪粪HA 秸秆HA 泥炭HA 土壤HA 活性无机P 26.9%±1.11%dB 19.9%±0.70%eD 39.4%±1.66%bB 30.9%±2.67%cC 39.1%±1.13%bB 46.4%±1.75%aB 活性有机P 23.3%±1.92%cC 23.4%±0.81%cC 30.1%±0.48%bC 53.8%±2.48%aB 24.2%±1.13%cC 25.2%±1.15%cC 简单单酯P 8.49%±1.11%bD 8.66%±0.41%bE 9.67%±0.48%bDE 22.3%±2.85%aD 7.40%±2.22%bE 7.06%±3.15%bE 类植酸态P 10.7%±0.84%bcD 9.13%±1.40%cE 13.0%±3.45%bcD 25.1%±0.81%aD 10.1%±1.54%bcD 13.6%±3.02%bD 多核苷酸P 4.12%±1.51%aE 5.62%±0.70%aF 7.46%±3.80%aE 6.34%±1.41%aF 6.66%±1.28%aE 4.54%±1.31%aE 活性P 50.2%±1.11%dA 43.3%±0.41%eB 69.6%±2.09%bA 84.7%±1.22%aA 63.2%±0.74%cA 71.6%±0.76%bA 惰性P 49.8%±1.11%bA 56.7%±0.41%aA 30.4%±2.09%dC 15.3%±1.22%eE 36.8%±0.74%cB 28.4%±0.76%dC 注：同一行内不同小写字母表示样品间差异显著, 同一列内不同大写字母表示P形态间差异显著(n=3, p < 0.05).

表 8(Table 8)

表 8 不同来源胡敏酸结合态磷的生物有效性与其化学组成之间的相关系数 Table 8 Pearson correlation coefficients between P lability and chemical compositions of humic acids from different sources

表 8 不同来源胡敏酸结合态磷的生物有效性与其化学组成之间的相关系数 Table 8 Pearson correlation coefficients between P lability and chemical compositions of humic acids from different sources 活性无机P 活性有机P 活性P 简单单酯P 类植酸态P 多核苷酸P 惰性P C -0.440 -0.350 -0.559 -0.278 -0.490 0.270 0.557 H -0.371 0.165 -0.106 0.189 0.006 0.657 0.105 N -0.116 -0.398 -0.388 -0.411 -0.481 0.384 0.387 S -0.184 -0.615 -0.604 -0.592 -0.734 0.351 0.603 P -0.185 -0.394 -0.430 -0.390 -0.485 0.345 0.428 Al -0.820* -0.011 -0.533 0.107 -0.175 0.228 0.533 Fe -0.685 -0.615 -0.927** -0.487 -0.746 -0.084 0.927** Ca -0.098 0.970** 0.745 0.973** 0.943** 0.266 -0.704 Mg -0.170 0.984** 0.670 0.994** 0.943** 0.302 -0.670 Zn -0.130 0.973** 0.687 0.981** 0.953** 0.211 -0.687 烷基C 0.223 -0.403 -0.175 -0.471 -0.466 0.545 0.173 甲氧基C -0.792 0.596 -0.035 0.718 0.470 0.132 0.035 碳水化合物C 0.066 0.905* 0.758 0.889* 0.926** 0.116 -0.757 双烷氧C 0.066 0.842* 0.708 0.828* 0.891* -0.031 -0.707 芳基C 0.203 -0.301 -0.110 -0.288 -0.187 -0.647 0.111 酚基C -0.572 0.210 -0.201 0.339 0.155 -0.305 0.202 羧基C 0.389 -0.600 -0.225 -0.671 -0.489 -0.281 0.224 注：n=6, * p < 0.05, ** p < 0.01.

另一方面, 从不同形态活性有机P的含量来看, HA中类植酸态P的比例最高, 其次为简单单酯P, 而多核苷酸P的比例最低, 这说明HA中大部分酶可水解的P是以类植酸态P化合物的形式存在, 而多核苷酸P化合物的比例较低, 这与以往对于农田土壤HA的研究结果是一致的(He et al., 2011).HA中类植酸态P含量较高的原因, 一方面由于植酸是一些腐殖物质的来源材料(如动物粪肥)(He et al., 2016), 同时也是大多数土壤中最为丰富的有机P成分(严玉鹏等, 2012); 另一方面可能是由于腐殖物质结合态P与植酸态P的键合环境相似, 使得腐殖物质结合态P本身能够作为植酸酶的底物(He et al., 2009).不同来源的HA相比, 玉米秸秆HA中简单单酯P和类植酸态P的含量显著高于其它来源的HA, 而所有来源HA中多核苷酸P的含量差异不显著.
3.3 胡敏酸结合态磷素生物有效性与其化学组成之间的关系以往研究表明, 金属离子在环境中P素与腐殖物质结合方面起着重要的作用, 腐殖物质-金属离子-P复合物的形成控制着环境中P素的转化和有效性(苏德纯等, 2000; Roberto et al., 2016), 这在近年来新型肥料的生产中也受到了关注(Urrutia et al., 2014).本研究中, HA结合态P素的生物有效性与其元素组成之间的相关关系如表 8所示.由表 8可知, HA中活性无机P与Al含量之间呈显著的线性负相关.以往通过的田间小区试验(Anderson et al., 2018)和室内培养试验(Huang et al., 2018)的研究都发现, Al可以通过形成Al-有机P络合物来降低P的溶解性, 这可以解释本研究中活性无机P与Al含量之间呈线性负相关的原因.另一方面, HA中活性有机P以及简单单酯P和类植酸态P含量与Ca、Mg和Zn含量之间呈显著的线性正相关, 而多核苷酸P与各元素之间都不存在显著的相关性, 这说明HA中与Ca、Mg和Zn结合的P是酶可水解的有机P形态.以往的研究也发现, Ca结合的有机P对应于中等活性的有机P组分(Linquist et al., 2011).此外, 我们发现HA中活性P总量与Fe含量之间呈显著的线性负相关; 相反, HA中惰性P含量则与Fe含量之间呈显著的线性正相关, 这表明惰性P主要是以Fe结合态P的形式存在, 其原因可能是由于P与Fe的紧密结合导致腐殖物质-Fe-P复合物中的P素难以通过酶解反应释放出来的缘故(Li et al., 2013).由此可见, 腐殖物质结合态P素的生物有效性可能取决于共存的金属离子的类型.然而, 与上述的研究结果不同, Bedrock等(1997)的研究表明, Al和Fe都未参与土壤有机P与HA的结合, 但Al则参与了无机P与HA的结合; He等(2006)对IHSS土壤和泥炭中HA的研究发现, Al和Fe存在几乎不影响HA结合态P的酶水解反应.
另外, 我们发现HA中酶可水解的活性有机P与某些有机C官能团之间也存在着相关关系.从表 8可以看到, HA中活性有机P以及简单单酯P和类植酸态P含量与碳水化合物C和双烷氧C之间也呈显著的线性正相关, 而多核苷酸P与各有机碳官能团之间不存在显著的相关性.上述结果说明, HA中活性有机P与活性有机C组分(即碳水化合物C和双烷氧C)密切相关, 这与Wang等(2016)和Romanyà等(2017)的观点是一致的, 即P素的生物有效性取决于微生物对C素的需求, 活性有机C的存在将有利于P素的活化.一般认为, 碳水化合物作为生命活动的C源和初始能量, 是最活跃的有机组分(Liu et al., 2017).HA中高比例碳水化合物的存在, 可以增强微生物活性, 从而使得活性有机P的比例也随之增加.Kelleher等(2004)的研究也证实, α-D-葡萄糖存在的条件下酸性磷酸酶的活性增强.但值得注意的是, 本研究中碳水化合物含量仅与酸性磷酸酶和植酸酶活性相关, 但与核酸酶P1则不存在相关性.
4 结论(Conclusions)1) 供试HA中均检测到了C、H、N、S、P及金属元素(即Al、Fe、Ca、Mg、Mn和Zn)的存在, 其中C、H、N、S和P的含量以猪粪HA最高, Al和Fe的含量以鸡粪HA最高, 而Ca、Mg和Zn的含量则以玉米秸秆HA最高; 同时, HA中也检测到了烷基C、烷氧C、碳水化合物C、双烷氧C、芳基C、酚基C、羧基C以及植酸(Ca或Mg)盐的存在, 其中猪粪HA的烷基化和脂族化程度较高, 而泥炭HA则具有较高的疏水化程度.Pearson线性相关分析发现, HA中P含量与N、S、烷基C和烷基C/烷氧C比值之间呈显著的正相关.
2) 供试HA中活性P总量占HA全P的43.3%~84.7%, 其中活性无机P占19.9%~46.4%, 活性有机P占23.3%~53.8%;活性有机P中, 类植酸态P的比例最高, 其次为简单单酯P, 而多核苷酸P的比例最低.不同来源HA相比, 活性无机P的含量以土壤HA最高, 活性有机P的含量以秸秆HA最高, 活性P总量的顺序为秸秆HA>土壤HA≈猪粪HA>泥炭HA>牛粪HA>鸡粪HA, 即HA结合态P素的生物有效性以秸秆HA最高而鸡粪HA最低.
3) 供试HA结合态P素的生物有效性与共存金属离子的类型以及有机C官能团的组成有关, 其中活性无机P与Al含量之间呈显著的线性负相关, 活性有机P与Ca、Mg、Zn、碳水化合物C和双烷氧C含量之间呈显著的线性正相关, 活性P总量与Fe含量之间呈显著的线性负相关, 即HA中与Ca、Mg和Zn结合的P是酶可水解的有机P形态, 增加HA中活性有机C官能团含量有利于提高P素的生物有效性.

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