腐植酸在生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)中的應(yīng)用與開發(fā)建議

郝保平，鄭普山

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，山西太原030006）

腐植酸（Humic Acids，HA）是一類以天然大分子芳香族羥基羧酸為主體的復(fù)雜混合物，廣泛存在于土壤、濕地、水體、生活垃圾、腐爛動植物殘體、動物糞便等有機(jī)物質(zhì)以及低級別煤炭（泥炭、褐煤、風(fēng)化煤）中。國外許多土壤學(xué)家和農(nóng)學(xué)家對HA在農(nóng)業(yè)中的作用進(jìn)行過總結(jié)，一致認(rèn)為，HA是土壤肥力的基礎(chǔ)，植物營養(yǎng)的“儲庫”，植物生長的“活力劑”，食品安全的“保護(hù)神”。我國農(nóng)學(xué)家在多年生物試驗和大田示范基礎(chǔ)上，言簡意賅地總結(jié)出，HA具有改良土壤、增進(jìn)肥效、刺激生長、促進(jìn)抗逆、改善品質(zhì)五大作用[1]。近年來，風(fēng)靡全球的綠色農(nóng)業(yè)革命和關(guān)注食品安全的呼聲再次推動了HA的研究和應(yīng)用，并對HA功能的認(rèn)識提高到構(gòu)筑食品源頭安全的高度[2]。農(nóng)業(yè)中使用HA不僅僅是為了提高作物產(chǎn)量，使人吃飽，而且更為了提高食品營養(yǎng)，減少污染，讓人吃得安全。

本文就腐植酸在農(nóng)業(yè)生態(tài)建設(shè)中的作用及其實際應(yīng)用進(jìn)行一些闡述。

1 腐植酸的作用

1.1 改土肥田作用

在自然條件下，完全是靠植物自生自滅的方式來補(bǔ)充土壤腐殖質(zhì)，轉(zhuǎn)化的比例畢竟是少數(shù)。為增加和保持土壤腐殖質(zhì)，世界各國在增施堆肥和廄肥的同時，都在極力尋求新的更穩(wěn)定的腐殖質(zhì)來源，其中含大量腐植酸的低級別煤（泥炭、褐煤、風(fēng)化煤）是最理想的選擇。

長期以來，我國重用地、輕養(yǎng)地，重化肥、輕有機(jī)肥，使耕地養(yǎng)分失調(diào)，肥力不斷下降，再加上其他生態(tài)破壞因素，土壤四化（退化、硬化、沙化、鹽漬化）的問題日益突出。目前，我國土壤有機(jī)質(zhì)含量平均只有1.8%（北方旱地＜1%），且仍以每年0.1%～0.2%的速度在減少。我國正在大力推進(jìn)的“沃土工程”是土壤生態(tài)建設(shè)的重大戰(zhàn)略措施，其中一項重要內(nèi)容就是提高土壤肥力，改良中低產(chǎn)田，修復(fù)荒漠化土地。增施HA類物質(zhì)及其他有機(jī)肥料，是改良土壤的重要途徑。

1.2 對化肥的增效作用

我國化肥生產(chǎn)發(fā)展非常迅速，1949年只有1.3萬t（折純，下同），2004年增加到4 519.8萬t，而使用量竟達(dá)到4 636.8萬t，居世界第1位。不可否認(rèn)，化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，但過量和不合理施肥造成的資源浪費(fèi)、效率降低以及對環(huán)境的影響也是有目共睹的事實。就化肥利用率來說，氮、磷、鉀肥的當(dāng)季利用率分別只有25%～35%，10%～25%，30%～50%，總利用率為25%～35%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家45%～60%的水平。化肥分解流失，造成土壤和水體硝酸鹽和亞硝酸鹽污染，水體磷積累導(dǎo)致富營養(yǎng)化；大氣中氮氧化物濃度提高，成為太陽紫外線輻射加劇、為害地球生物的一個因素，這些都引起了各國政府和環(huán)境學(xué)界的憂慮和關(guān)注。重新認(rèn)識HA提高化肥肥效和利用率的意義，不僅是經(jīng)濟(jì)效益問題，更是關(guān)系到全球環(huán)境保護(hù)和人類生存安全的大事，也是當(dāng)前實施節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的一個重要環(huán)節(jié)。

1.2.1 對氮肥的增效作用 尿素是氮含量最高、使用最廣泛的氮肥，但利用率也只有30%～35%。尿素的酰胺氮經(jīng)過土壤脲酶作用轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮才能被植物吸收，而硝化菌和反硝化菌又會把 NH3依次轉(zhuǎn)化為 NO3-，N2，NO，N2O 等。Francioso等發(fā)現(xiàn)，高分子量的HA在pH為6時對脲酶活性有一定抑制作用，但所有HA在與重金屬（如Cu2+，Hg2+）結(jié)合后脲酶抑制性才能增強(qiáng)[3]。幾乎所有的試驗都證明，HA具有硝化抑制性。腐植酸與尿素反應(yīng)生成腐植酸尿素絡(luò)合物（UHA），其氮的利用率比對照可提高10個百分點(diǎn)以上[4]。楊云馬等[5]研究表明，腐植酸復(fù)合肥能夠顯著提高土壤微生物的數(shù)量，而微生物的數(shù)量又與土壤中速效氮含量呈極顯著相關(guān)。

1.2.2 對磷肥的增效作用 我國60%的土壤缺磷，但磷肥施入土壤后82%左右被固定，3%被雨水沖刷流失。抑制速效磷肥的固定、提高磷肥利用率，已成為我國乃至世界性的重大研究課題。HA對磷的增效作用早已引起各國農(nóng)業(yè)化學(xué)家的極大興趣。中國農(nóng)大華珞等[6]試驗表明，HA-NH4中的P比磷銨的固定率減少6.6%～44.9%，地上部分的吸P量增加了39.8%～50.8%。王永江等[7]用含HA的氮、磷、鉀復(fù)混肥同無機(jī)專用肥對比得出，前者棉株中含磷量比后者高1倍以上。陸欣等[8]近期的研究發(fā)現(xiàn)，HA不僅使磷肥（過磷酸鈣）有效性提高，而且使土壤中原有的Ca2-P，Ca8-P增加，Ca10-P減少，表明土壤無效P得到活化。

1.2.3 對鉀肥的增效作用 鉀（K）在土壤中同樣會被固定。我國鉀肥利用率約50%，平均被固定約45%，雨水沖刷流失約5%[9]。HA與K+事先結(jié)合后就可有效地減少土壤黏土對K+的固定。江西農(nóng)科院有關(guān)研究認(rèn)為，施用腐植酸鉀HA-K與單施KCl相比，前者水溶性鉀提高了26.2個百分點(diǎn)，表明與HA化學(xué)結(jié)合的K更有利于抵御土壤的固定。HA對含K的硅酸鹽、鉀長石也有明顯的溶蝕作用，可促使其緩慢釋放K，提高土壤中速效K含量。如在紅黏土中添加HA，速效K增加11.1%～33.3%。如果將風(fēng)化煤HA制成HA-NH4，再施入土壤，土壤K的釋放量更多，后效可持續(xù)60 d[9]。

1.2.4 對中、微量元素和稀土元素的增效作用中、微量元素是植物體內(nèi)多種酶的組成成分和生理調(diào)節(jié)元素，對植物生長發(fā)育、抗逆性能和產(chǎn)品品質(zhì)都有重大影響。HA對肥料中的中、微量元素同樣具有增效和保護(hù)作用，對土壤中的那些被固定的“無效”元素也有激活作用。

稀土元素在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用是近年來農(nóng)業(yè)化學(xué)和植物生理學(xué)領(lǐng)域的新課題。南京大學(xué)的一項研究發(fā)現(xiàn)，紅壤中的稀土主要富集在小麥根部，施入低濃度（0.02%～0.03%）的HA后，明顯促進(jìn)了小麥對稀土元素（La，Ce，Pr，Nd）的吸收。

1.3 增強(qiáng)作物抗逆作用

作物在不利環(huán)境因素（旱、澇、病蟲害、鹽堿、養(yǎng)分不足或過剩、溫度濕度過高或過低等）增加到一定程度時，HA就發(fā)揮緩沖作用，這種作用被稱作“腐殖質(zhì)效應(yīng)”。HA的這種抗逆機(jī)理，可能與脯氨酸及各種保護(hù)酶對水和養(yǎng)分的調(diào)滲作用密切相關(guān)。研究表明，不同來源的HA和FA都有一定的抗旱作用。與高效抗蒸騰劑脫落酸（ABA）相比，HA制劑抗水分蒸騰持續(xù)時間長，葉綠素含量明顯提高，具有多種刺激活性，且無毒副作用，價格也便宜得多，故HA抗旱劑更有獨(dú)特的功能和競爭優(yōu)勢。

30多年來，HA在防治小麥赤霉病、棉花黃萎病、花生葉斑病、果樹腐爛病、馬鈴薯晚疫病、黃瓜霜霉病等方面的事例舉不勝舉。如山西農(nóng)業(yè)大學(xué)在黃瓜霜霉病發(fā)病區(qū)內(nèi)噴施0.02%～0.05%的風(fēng)化煤腐植酸鈉（HA-Na）溶液，不僅有效控制了病情，而且提高了黃瓜坐果率，比對照增產(chǎn)28%左右。山西、河北等地用HA-Na制成的“化腐靈”對蘋果樹腐爛病的防治有效率達(dá)97%，愈合率達(dá)46%。河南鞏義用風(fēng)化煤FA鹽噴施或灌根，對棉花黃萎病抑制率達(dá)到100%，防效可達(dá)54%～82%。

1.4 改善作物品質(zhì)作用

改善作物品質(zhì)包括提高營養(yǎng)（如蛋白質(zhì)、氨基酸、單糖、維生素、有益元素等）水平和降低污染物（如重金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、殘留農(nóng)藥等）含量2個方面。一般來說，在等養(yǎng)分情況下進(jìn)行對比，施用HA或FA在增加產(chǎn)量的同時，瓜果和蔬菜含糖量增加3%～30%，酸度一般有所降低，維生素C含量可提高20%～49%；甜菜產(chǎn)糖量增加40%；馬鈴薯淀粉增加18%～25%，抗壞血酸增加69%；桃子的可溶性蛋白增加9.19%，氨基酸增加16.6%；水稻蛋白質(zhì)提高6.6%，淀粉提高10.5%；棉花纖維強(qiáng)度平均提高5.6%；中上等煙草產(chǎn)量提高2%～9%；桑葉蛋白提高6%～21%，蠶體和蠶繭質(zhì)量分別提高20.19%和23.91%等等，統(tǒng)計值幾乎都達(dá)到顯著或極顯著水平。

1.5 刺激植物生長作用

刺激植物生長是腐植酸類物質(zhì)生理活性的主要表現(xiàn)形式，其機(jī)理乃是所有的含氧活性官能團(tuán)的綜合效應(yīng)，特別是其中的酚-醌的氧化-還原體系，既是氧的活化劑，又是氫的載體，直接影響著植物的呼吸強(qiáng)度、細(xì)胞膜透性和滲透壓，以及多種酶的生物活性。HA的生長刺激作用主要表現(xiàn)在：可促進(jìn)根部生長和提高發(fā)芽率，增強(qiáng)呼吸強(qiáng)度和光合作用強(qiáng)度，提高生理代謝能力和酶活性。

1.6 對農(nóng)藥減毒增效作用

我國每年因病、蟲、草、鼠害造成的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失達(dá)800億元，為此付出60多萬t高毒農(nóng)藥及犧牲環(huán)境健康的巨大代價。農(nóng)藥的毒性和殘留對環(huán)境和人類健康的威脅已是不爭的事實，開發(fā)高效、低毒、安全、經(jīng)濟(jì)的綠色環(huán)保農(nóng)藥是當(dāng)前化工和植保界迫切的任務(wù)。

目前，人們已將開發(fā)目標(biāo)瞄準(zhǔn)了腐植酸類物質(zhì)。大量研究資料證實，HA類物質(zhì)對農(nóng)藥有緩釋增效、減緩分解、降低毒性、吸附穩(wěn)定、減少用量等功能，在調(diào)控生物種群、保護(hù)生態(tài)平衡、維護(hù)自然凈化力方面比常規(guī)農(nóng)藥有更多的優(yōu)越性，具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，國內(nèi)外在HA復(fù)合增效農(nóng)藥的開發(fā)方面有較大進(jìn)展。如美國將HA作為農(nóng)藥的穩(wěn)定劑或載體，明顯提高了藥效；我國的生化黃腐酸（BFA）與殺菌劑復(fù)合制成的“新克黃枯”防治棉花枯萎病的效果比對照（單用農(nóng)藥）的發(fā)病株數(shù)減少75%以上；11%HA+10%井岡霉素溶液對水稻紋枯病的防效與20%的井岡霉素的相當(dāng)；HA+殺蟲脒（1∶1）防治螟蟲比單用殺蟲脒的防效提高了20%～30%，水稻產(chǎn)量提高了17.6%。可以預(yù)見，HA-農(nóng)藥制劑的開發(fā)是發(fā)展我國高效低毒綠色農(nóng)藥的希望。

2 腐植酸在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的現(xiàn)狀及其建議

2.1 總體情況

我國腐植酸資源非常豐富，低級別煤的儲量也非常豐富，泥炭124.96億t，褐煤1 264.6億t。風(fēng)化煤總儲量不太明確，僅查明山西有80億t，內(nèi)蒙古有50億t。這些煤炭中的原生HA含量大都在20%～70%之間，簡單加工處理就可以用于農(nóng)業(yè)，深加工產(chǎn)品的效果更好。30年來，幾十個研究單位和大專院校投入腐植酸的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，積累了大量研究資料，取得了一大批研究成果。自從實施科技創(chuàng)新工程以來，HA的研究成果轉(zhuǎn)化有所推進(jìn)。HA類的農(nóng)用產(chǎn)品，包括腐植酸鉀（鈉）、硝基腐植酸、腐植酸尿素、營養(yǎng)基質(zhì)、有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥料、生長調(diào)節(jié)劑、包裹型BB肥、噴施肥、沖施肥、特種長效肥料、抗旱劑、HA液體地膜、飼料添加劑、魚蝦養(yǎng)殖水改良劑、腐植酸-農(nóng)藥復(fù)合制劑等30多個品種，多數(shù)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。但作為一個農(nóng)業(yè)大國和HA資源大國，在總體研究水平和應(yīng)用深度廣度上還都不太適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)的需要，與發(fā)達(dá)國家還有較大差距。2007年，我國各種有機(jī)肥、有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥的產(chǎn)量總和才340萬t，占化肥總產(chǎn)量的3%左右，其中HA類肥料只占很小一部分；HA產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，缺乏品牌和市場競爭力。

2.2 主要新技術(shù)產(chǎn)品

除傳統(tǒng)的腐植酸鉀、腐植酸鈉、腐植酸銨、硝基腐植酸、含腐植酸的有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥料等傳統(tǒng)農(nóng)用產(chǎn)品外，近年來國內(nèi)開發(fā)了一些新的HA品種?，F(xiàn)主要介紹以下3種。

2.2.1 腐植酸尿素 腐植酸尿素（UHA）是腐植酸與尿素的復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)物。國內(nèi)外生產(chǎn)UHA的工藝大致有3種方法：一是溶劑法。曾有人用液氨、甲醇、乙醇或丙酮作溶劑，顯然成本很高。近期，我國和波蘭開發(fā)的技術(shù)都是用水作溶劑，減少了氮損失和形成縮二脲的危險。二是熱融法。即將尿素100℃下熔融后加入HA或硝基腐植酸，混合后得到UHA。還有的在熱融物中加入甲醛，形成難溶的HA-尿素-甲醛縮合物。三是包裹法。即將黏性基質(zhì)（含有一定量的UHA和微量元素）包裹在尿素顆粒上，干燥后形成一層較穩(wěn)定的半透性包裹膜，所得顆粒產(chǎn)品可直接作為緩效尿素使用，也可作為摻混肥的氮肥原料。在大力發(fā)展綠色環(huán)保肥料的今天，作為長效緩釋氮肥的包裹型UHA是很有發(fā)展前途的品種。中科院煤化所與南通市綠色肥料研究所合作開發(fā)的UHA包裹層質(zhì)量比最高達(dá)到30%，其等量施肥的肥效和產(chǎn)量仍然高于普通尿素，其氮利用率提高10個百分點(diǎn)，相應(yīng)尿素卻節(jié)省了30%，而制造成本只略高于尿素的出廠價，專家認(rèn)為，該產(chǎn)品技術(shù)已達(dá)到國際領(lǐng)先水平[10]。

2.2.2 含腐植酸流體肥料 含腐植酸流體肥料（包括葉面肥、沖施肥、滴灌肥等）是用FA或HA的一價鹽為水溶有機(jī)基質(zhì)，同N，P，K及微量元素配制而成的。此類產(chǎn)品不僅能提供速效養(yǎng)分，而且同時發(fā)揮HA類物質(zhì)的生物活性，很受用戶歡迎，成為近年來國際市場上激烈角逐的主要HA品種。我國HA流體肥料發(fā)展也較快，其中2001年在農(nóng)業(yè)部注冊的HA葉面肥就有53個品種，年生產(chǎn)能力總計約5萬t。這類肥料不僅生產(chǎn)附加值較高，而且農(nóng)業(yè)產(chǎn)出與投入比例也很大，具有用量少、見效快、成本低、容易混配農(nóng)藥和其他生長促進(jìn)劑等優(yōu)點(diǎn)，有的產(chǎn)品每公頃只噴施750 mL，投入不到75元，就有1 500元左右的回報，故此類產(chǎn)品在發(fā)展綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)中起著不可忽視的作用。陳小葉[11]研究表明，在大蒜上應(yīng)用腐植酸鉀液肥能夠顯著地提高產(chǎn)量、改善品質(zhì)。當(dāng)前存在的主要問題是，HA溶液在配入無機(jī)物質(zhì)時發(fā)生增稠、絮凝和沉淀析出等現(xiàn)象。許多企業(yè)和研究單位通過對HA氧化降解、提高低分子量FA組分比例和化學(xué)活性，或添加合成螯合劑、膠體穩(wěn)定劑和分散劑等手段，著力解決這一問題，產(chǎn)品性能和應(yīng)用效果不斷提高。

2.2.3 多功能可降解黑色液態(tài)地膜 山東科技大學(xué)化學(xué)和環(huán)境工程學(xué)院采用褐煤、海藻廢液、造紙黑液以及糖蜜、釀酒、淀粉等工業(yè)廢液為原料，經(jīng)化學(xué)改性后在交聯(lián)作用下將HA、木質(zhì)素、纖維素等縮聚成高分子，再與硅肥、微量元素、農(nóng)藥、除草劑及各種添加劑混合，制成一種多功能可降解液態(tài)黑色地膜。該產(chǎn)品解決了HA溶液微孔聚合和反向懸浮聚合技術(shù)難題，不僅廣泛用于常規(guī)種植業(yè)，而且用于干旱、寒冷、丘陵地區(qū)作物早期覆蓋，荒地、沙地、鹽堿地和灘涂整治工程，道路護(hù)坡、固沙造林、渠道防滲、樹木防凍等領(lǐng)域。使用后的地膜被自然降解變成腐植物質(zhì)和肥料，繼續(xù)發(fā)揮改土肥田的功效。該產(chǎn)品已在全國幾個?。ㄊ校┻M(jìn)行了農(nóng)田試驗，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品抑制水分蒸發(fā)率達(dá)30%以上，土壤含鹽量降低50%，作物增產(chǎn)幅度大多在20%以上，而公頃使用成本只有405元，是塑料地膜的1/3左右[12]。該項技術(shù)公布后，在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界引起很大反響，一般認(rèn)為該產(chǎn)品廉價、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)實惠，是具有明顯先進(jìn)性、創(chuàng)新性和實用性的技術(shù)。但也有人擔(dān)心其中的工業(yè)廢液帶來的污染和后患，仍需繼續(xù)深入考察摻有廢液的地膜的毒性及在土壤中的殘留和轉(zhuǎn)化機(jī)制，以及環(huán)境積累和植物吸收利用的規(guī)律，提出確鑿的實驗證據(jù)和有效的無害化措施，為規(guī)模化生產(chǎn)和推廣應(yīng)用鋪平道路。

2.3 建議

為加快腐植酸農(nóng)業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)力度，提出如下幾點(diǎn)建議。

第一，基礎(chǔ)研究的目的，就是要搞清HA本性與應(yīng)用效應(yīng)之間的關(guān)系，即“構(gòu)-效”關(guān)系。以往有些HA研究課題陷入脫離實際、盲目跟風(fēng)和重復(fù)勞動的怪圈，成效甚微。應(yīng)該把主要精力集中在更有實用價值的課題上，并取得突破，切實推動HA農(nóng)業(yè)開發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新的進(jìn)程。

第二，重視科技投入，加快科技成果轉(zhuǎn)化的步伐。HA企業(yè)發(fā)展緩慢，技術(shù)和產(chǎn)品缺乏更新，主要原因還是科技創(chuàng)新意識較差，科技投入不足。山西省與全國相比，差距更大，與HA資源大省的地位很不相稱。

第三，建立和完善管理體系和科學(xué)決策體系。應(yīng)責(zé)成專門職能機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)，把HA資源保護(hù)、開發(fā)利用納入法制軌道。應(yīng)對山西省HA資源礦點(diǎn)、生產(chǎn)企業(yè)和研究單位作全面調(diào)研，提出支持或限制發(fā)展的政策；加強(qiáng)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督力度，為創(chuàng)新性技術(shù)提供發(fā)展平臺，鼓勵高效、優(yōu)質(zhì)、安全的HA產(chǎn)品參與競爭，打造品牌，切實為發(fā)展綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)作出貢獻(xiàn)。

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