桉树(Eucalyptus)是亚热带地区主要的用材树种。我国桉树人工林种植面积约546万hm^2[1]，广西作为中国桉树良种生产基地，较早采用无性系苗大面积造林，种植面积(256万hm²)约占全国桉树人工林种植面积的47%，且多为纯林。纯林多代连栽会导致桉树林分生产力、多样性降低，病虫害加重，地力衰退等问题的出现^[2]。以往研究人员将此问题归因于桉树对水和肥的竞争。但是，随着学者的深入研究，发现除上述原因外，酚酸类物质的积累是引起桉树连作障碍的主要原因之一^[3]。

目前，学者提出解决桉树纯林连栽问题的主要方法是营造混交林。研究发现桉树会分泌一些化学物质，可能会对周围植物的生长有一定的影响作用^[4]。如桉树可用于控制地中海地区农业地区的有害杂草物种，被认为是一种有价值的化感物质资源^[5]；也有研究表明尾叶桉人工林的化感作用是有选择性的，会对肖蒲桃(Acmena acuminatissima)、黄果厚壳桂(Cryptocarya concinna)和窄叶半枫荷(Pterospermum lanceaefolium)的生长起抑制作用，但对阔荚合欢(Albizia lebbeck)未产生显著影响^[6]。因此，营造桉树混交林，选择其伴生树种值得深入研究，如果伴生树种选择不合适，会使得营造混交林失败。目前，在我国南方地区，广泛选择豆科植物与桉树混交，并进行了大量的混交试验，但有关其混交后化感物质在土壤中的累积机制研究较少^[7-9]。桉属植物中主要的化感物质是酚类化合物和萜类挥发物，其中已发现具有化感活性的酚类物质有香豆酸、水杨酸、香草酸等^[10-11]。因此，本研究通过添加外源酚酸的方法研究香豆酸、香草酸和水杨酸在桉树纯林、桉树与降香黄檀(Dalbergia odorifera)混交林土壤中的吸附和滞留动态特征，探讨3种酚酸物质在桉树纯林与混交林土壤中的变化特点，为进一步开展酚酸类化感物质在桉树人工林土壤中的累积特征提供参考。

试验林位于广西壮族自治区凭祥市热带林业实验中心(21°57′47″~22°19′27″N，106°39′50″~106°59′30″E)，属于典型的南亚热带季风气候，年平均气温21 ℃，年平均降雨量1 500 mm，空气相对湿度80%~84%。

试验地于2010年营造巨尾桉广林9号无性系人工林，株行距为2 m×3 m；2014年全伐后萌芽更新造林，对林分采取了纯林与混交林2种不同培育模式，混交林中采用隔列(垂直于等高线)保留1列桉树萌芽、1列套种降香黄檀。桉树伐桩定萌1株萌条，降香黄檀为1年生容器苗造林，平均苗高、平均地径分别为30.5、0.5 cm。试验地基本信息见表 1。

2019年7月，在桉树纯林与混交林分随机设置3个20 m×20 m样地，每株调查后，在每个样地内上、中、下坡各取1株平均木，在距离平均木0.5 m处呈梅花形5点法采集0~30 cm土层的土壤样品，充分混匀后，过筛后用于测定pH值、有机质、养分和酚酸含量以及外源酚酸处理试验。

采用香草酸、香豆酸和水杨酸分析纯试剂配制标准液，分别称取0.1、0.5、1、5、10、20、30、40 mg以上3种酚酸，混合后加入2 mL甲醇溶液溶解，再用超纯水定容至100 mL，配制的酚酸混合标准液的质量浓度梯度为1、5、10、50、100、200、300、400 μg·mL^-1。

采用美国Waters公司Waters 1515GPC高效液相色谱仪测定以上混合标液，色谱柱为4.00 mm×250 mm 5 micron，检测波长23 nm，柱温为30 ℃，流动相乙腈和0.1%磷酸溶液, 设置自动连续梯度洗脱程序，如表 2所示。

分别称取5 g灭菌土样于灭菌锥形瓶中，加入50 mL质量浓度为100 μg·mL^-1酚酸混合标准液后，置于恒温摇床震荡(25 ℃, 180 r·min^-1)，设置震荡时间取样点为1、4、8、14、24、36、48、60和72 h，每个时间点均有3个重复。在各时间点从各锥形瓶中分别吸取上清液2 mL，高速离心10 min后用0.22 μm有机滤膜过滤，采用高效液相色谱仪测定滤液酚酸含量。

称取4份5 g灭菌土样于灭菌锥形瓶，分别加入50 mL质量浓度100、200、300、400 μg·mL^-1的酚酸混合标准液，恒温摇床(25 ℃, 180 r·min^-1)震荡24 h后取样测定，步骤同1.2.3。等温吸附试验后立即进行等温解吸试验，吸取吸附完成的土样溶液的上清液8 mL，后加入10 mL超纯水，目的是维持土样溶液体积在50 mL，同样恒温震荡24 h后上机测定。

土壤pH值采用电位法测定，有机质含量采用硫酸高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定，硝态氮采用酚二磺酸比色法，铵态氮采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法，速效磷采用盐酸硫酸浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定，交换性钙镁采用乙酸铵交换-原子吸收分光光度法^[12-13]。

采用Excel和Origin软件分析数据和模拟酚酸含量变化的方程。

(1) 酚酸的吸附动力学

式中：C_s为土壤中酚酸的吸附量(μg·g^-1)；C_o和C_e为初始酚酸混合标准液、平衡后溶液中酚酸的质量浓度(μg·mL^-1)；V为吸取溶液的体积(mL)；m为土样的质量(g)；R_s为酚酸吸附速率(μg·g^-1·h^-1)；t为吸附时间(h)。

(2) 吸附动力学方程

式中：C_max为土壤中酚酸的最大吸附量(μg·g^-1)；a、b、k为常数。

(3) 等温吸附方程

式中：K_d为酚酸吸附平衡常数；1/n为拟合方程系数。

(4) 酚酸的解吸附

式中：R_d为酚酸解吸率；C_s^*为解吸平衡后土壤酚酸的吸附量(μg·g^-1)；C_e^*为解吸平衡溶液中酚酸的浓度(μg·mL^-1)。

(5) 吸附自由能变化

式中：ΔG为吸附自由能变化(kJ· mol^-1)；R为常数，R=8.309 J· mol^-1；T为绝对温度，T=273.15 K；K_oc为单位土壤有机质吸附常数；C为土壤有机质含量(g·kg^-1)。

由桉树纯林与混交林土壤对酚酸的吸附动力学曲线(图 1)可知，2种不同林分对酚酸的吸附速率随时间的延长而逐渐减小，一定时间后吸附速率趋于稳定，吸附速率总体呈现为香豆酸>香草酸>水杨酸。3种酚酸在几个小时内完成快速吸附阶段，但耗时略有不同，水杨酸快速吸附持续时间最短(1 h)，香草酸和香豆酸4 h完成快速吸附，4~24 h内各酚酸的吸附速率缓慢减小，24 h后趋于平稳，变化不大。香豆酸的平衡吸附量最大，是其它2种酸的4倍以上。吸附1 h时，桉树纯林对酚酸的吸附速率大于混交林，随时间延长，纯林与混交林对酚酸的吸附速率基本一致。

	注：A为桉树纯林，AJ为桉树和降香黄檀混交林。 Note: A indicates a pure Eucalyptus forest, and AJ indicates a mixed forest of Eucalyptus×Dalbergia odorifera. 图 1 酚酸在不同林分土壤中的吸附动力学曲线 Fig. 1 Adsorption kinetic curve of phenolic acids in different stand soils
图选项

酚酸在不同林分土壤中的吸附过程可采用常用的吸附动力学方程进行模拟分析(表 3)，桉树纯林对酚酸的吸附与Langmuir方程更吻合(r²>0.95)，而桉树与降香黄檀混交林对酚酸的吸附动力学过程与Elvoich方程更吻合，相关系数r²>0.95。

由等温吸附曲线(图 2)可知，随初始浓度的增加，吸附平衡浓度增加，吸附量增加，说明桉树纯林和混交林对酚酸的吸附过程与酚酸初始浓度呈正相关关系。2种林分土壤对不同酚酸的吸附量总体呈现：香豆酸>水杨酸>香草酸，且桉树纯林吸附量高于混交林。

	注：A为桉树纯林，AJ为桉树和降香黄檀混交林。 Note: A indicates a pure Eucalyptus forest, and AJ indicates a mixed forest of Eucalyptus×Dalbergia odorifera. 图 2 酚酸在不同林分土壤中的等温吸附曲线 Fig. 2 Isothermal adsorption curves of phenolic acids in different stand soils
图选项

采用Freundlich方程对桉树纯林与混交林等温吸附数据进行模拟分析，由表 4可知，相关系数r²>0.95且均达到显著水平，因此Freundlich方程能够较好地反映桉树纯林与混交林对酚酸的等温吸附特性。吸附常数K_d值反映土壤对酚酸的吸附能力，2种林分土壤对不同酚酸的吸附能力大小为：香豆酸>水杨酸>香草酸。

3种不同酚酸在桉树纯林与混交林土壤中的等温解吸附特性如表 5所示，桉树纯林中，香豆酸有较强的解吸附能力，解吸率为10.37%~25.97%，随初始浓度增加，解吸率降低；香草酸和水杨酸仅在初始浓度为200 μg·mL^-1时，有一定的解吸率。然而香草酸和水杨酸在桉树与降香黄檀混交林土壤中未产生解吸附行为，香豆酸在初始浓度为100和400 μg·mL^-1时发生解吸附行为，且400 μg·mL^-1解吸率较高。

吸附自由能是反映土壤对酚酸吸附能力的一个重要参数，依据ΔG的大小值可推断其吸附机制，Δ|G|< 40 kJ· mol^-1时，土壤对酚酸产生物理吸附作用，当Δ|G|≥40 kJ· mol^-1时，则为化学吸附作用。由表 6可知，桉树纯林和混交林对香草酸、香豆酸和水杨酸的ΔG均小于40 kJ· mol^-1，说明2种林分土壤对酚酸的吸附都属于物理吸附，物理吸附达到吸附平衡较快，与吸附动力学特征相符。

酚酸类物质是以碳为基础的植物次生代谢物，在土壤-植物相互作用过程中具有重要的化学信号传递的作用^[14]。有研究表明，植物根系在自然状态下，会分泌次生代谢物质^[15]，而且受到土壤微生物活动以及土壤胶体吸附等作用的影响，土壤中具有化感活性的物质浓度低、存在时间较短。所以化感作用的发生前提是化感物质在土壤中的累积，它在土壤中的积累受其吸附与解吸附行为影响。本研究针对香豆酸、香草酸和水杨酸在桉树纯林和桉树与降香黄檀混交林土壤中的吸附与解吸附行为特征研究，发现2种林分土壤对酚酸的吸附过程均表现为先快速吸附、后慢速吸附、最后达到吸附平衡，这是因为在土壤－酚酸互作初期，土壤颗粒表面存在较多的吸附位点，此时土壤对酚酸的吸附能力较大，处于快速吸附阶段，随时间延长，土壤表面吸附位点趋于饱和，吸附能力减弱，进入慢速吸附阶段^[16]。桉树纯林土壤对3种酚酸吸附速率都大于混交林，随时间延长，吸附速率降低，趋于一致；香豆酸快速吸附时间长，吸附量大，这可能与土壤质地、粒径结构等因素有关，酚酸物质的迁移在黏土和壤土中较难，沙土较容易，有研究表明黏粒含量增加，可吸附的比表面积增大，土壤对酚酸的吸附量会相应增加。通过模拟吸附动力学方程，发现桉树纯林土壤对酚酸的吸附与Langmuir方程更吻合，表明其吸附作用主要是单层吸附^[17]；而桉树与降香黄檀混交林对酚酸的吸附动力学过程与Elvoich方程更吻合，表明其吸附过程属于多相非均质吸附过程，主要是容积扩散^[18-19]。

等温吸附与解吸附试验表明, 桉树纯林与混交林土壤对酚酸的吸附过程与酚酸初始浓度呈正相关关系，香豆酸吸附量最大。桉树纯林土壤对3种酸的吸附量高于混交林，可能是因为混交林树种多样性较高，林下植被丰富，枯落物量大^[20]，枯落物的分解会释放多种有机酸，有机酸能够与其他化学物质竞争吸附点位，从而减少该物质的吸附^[21]。且本试验样地混交树种降香黄檀是固氮树种，土壤大部分氮素来源于有机质的转化，因此桉树纯林有机质含量高于混交林，提供了更多的吸附位点，提高酚酸的吸附^[22-23]。桉树纯林吸附酚酸量大于混交林，这可能是导致纯林土壤质量退化的原因之一，酚酸进入土壤后，可与土壤中一些营养离子结合形成复合物，使得土壤中营养离子含量降低，从而导致土壤质量退化。拟合Freundlich方程相关系数大于0.95，说明Fruendlich等温吸附方程可以较好地描述香豆酸、香草酸和水杨酸在桉树纯林与混交林土壤中的吸附过程及吸附规律，香豆酸在2种土壤中有一定的解吸附能力，桉树纯林大于混交林，而香草酸和水杨酸解吸附能力低甚至不发生解吸附行为，说明香豆酸受土壤胶体吸附后形成可逆束缚态，香草酸和水杨酸形成完全束缚态。研究表明可逆束缚态的酚酸物质在环境条件影响下，可从土壤胶体结合位点脱离形成自由态从而具有化感潜能，与试验检测发现香豆酸含量明显高于其它相符。另外，2种林分土壤的吸附自由能ΔG < 40 kJ· mol^-1，表明其吸附过程都属于物理吸附^[24]，因此表现为快速吸附较短，随后吸附速度减慢，并最终达到平衡；且同一种林分土壤酚酸吸附自由能大小依次为香草酸、水杨酸、香豆酸，这与3种酚酸在土壤中吸附量的规律刚好相反，在相同的土壤条件下，物理吸附主导了酚酸的吸附特点。由于土壤有机质、pH值、粒径、金属离子等因素都会影响酚酸类物质的吸附与解吸附行为^[25]，使酚酸在土壤中的积累程度具有不确定性或复杂性。对杨树人工林根际土壤中酚酸变化的研究发现，对羟基苯甲酸和苯甲酸的吸附受土壤有机质含量影响极大^[26]。从桉树纯林、桉树与降香黄檀混交林土壤对3种酚酸的吸附特点及吸附自由能来看，桉树土壤ΔG较大，其吸附过程具有高度自发性，由于桉树人工林土壤有机质含量高，提供更多的吸附位点，这可能是3种酚酸在桉树纯林土壤中的吸附量高于桉树与降香黄檀混交林的一个主要因素。

酚酸类物质在土壤中被吸附和解吸附受多种因素的影响，其吸附机理较为复杂，如吸附方式、土壤理化性质、酶活性、土壤微生物等因素。土壤对酚酸类物质的吸附可通过多种方式进行，如：静电吸附、离子交换吸附、范德华力吸附、有机物之间的疏水结合和氢键结合、配体交换等^[27]，吸附和解吸附能力与吸附方式显著相关。也有研究表明，理化性质、酶活性和细菌丰度与酚酸类物质的相关性均为极显著，其中土壤理化性状与酚酸类物质相关性最高，酶活性相关性最低。酚酸物质可以为土壤微生物提供碳、氮源，因此，土壤中微生物的数量和种类直接影响着土壤酚酸的含量。本试验通过在桉树纯林中引入降香黄檀，土壤理化性质发生变化，使得其对3种酚酸的累积特征有差异，表现为纯林对酚酸的吸附速率和吸附量大于混交林；香豆酸有一定的解吸率，香草酸和水杨酸解吸率较小甚至未发生解吸附行为，香豆酸在高浓度400 μg·mL^-1时，混交林土壤的解吸率显著高于纯林，而低浓度时则相反。桉树纯林与混交林土壤中酚酸类物质的吸附与解吸附行为还可能受多种因素影响，并随着种植年限的变化、混交树种的不同而使土壤中的化学生态关系发生变化，关于酚酸类物质的累积机制还需要进一步探讨。