簡述腐植酸土壤改良最新研究成果

馮莉杰 劉子靜 孫 彬 馮夢喜

新疆黑色生態(tài)科技股份有限公司 烏魯木齊 831400

腐植酸因含有多種活性基團，在施入土壤后，能通過絡合、螯合、吸附作用與土壤礦物發(fā)生反應，促進土壤團聚體形成、增加土壤的交換容量、調(diào)節(jié)土壤酸堿性、提高土壤微生物活性，從而具有改良土壤、增進肥效的作用[1]。我國農(nóng)學家在多年的生物試驗和大田示范基礎上總結出腐植酸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的改良土壤、提高肥效、調(diào)節(jié)作物生長、增強作物抗逆能力、改善作物品質(zhì)等5 大作用[2]。本文結合多年的研究積累和對有關腐植酸研究的文獻分析，總結了腐植酸在土壤改良中的作用，并針對存在的問題，指出了未來利用腐植酸改良土壤研究中的重點方向，期望對腐植酸的應用研究和產(chǎn)品研發(fā)提供參考借鑒。

1 腐植酸的來源及其結構特點

腐植酸廣泛存在于土壤、江河湖泊、低階煤炭中，是維持土壤結構和肥力的關鍵組成[2]。按照來源可分為天然腐植酸和人工腐植酸。天然腐植酸主要包括礦物源腐植酸、土壤腐植酸、水體腐植酸等。目前，國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)的腐植酸主要為礦物源腐植酸，來源主要為泥炭、褐煤和風化煤。泥炭是植物殘體腐殖化初期階段的產(chǎn)物，也是成煤的第一階段，腐植酸含量在20%～40%之間。褐煤是成煤過程第二階段前期的產(chǎn)物，具有較強的化學活性，腐植酸含量在20%～60%之間。風化煤即露頭煤，俗稱煤遜、引煤等，是接近或暴露于地表的煤長期經(jīng)受陽光、雨雪、冰凍以及風沙等作用而形成的一類變質(zhì)煤，其提取的腐植酸化學活性高于褐煤和泥炭來源的腐植酸，腐植酸含量在20%～80%之間。按照溶劑溶解性和顏色，腐植酸包括黑腐酸、棕腐酸和黃腐酸。其中，黃腐酸指可溶于堿性溶液、酸性溶液、中性水溶液和丙酮、乙醇的腐植酸組分，即礦物源腐植酸原料中有機質(zhì)在堿溶-酸析后留在酸性溶液中的那部分可溶有機酸。棕腐酸指可溶于丙酮、乙醇等極性有機溶劑的組分，該組分一般只能從堿溶-酸析得到的腐植酸膠體中用丙酮/乙醇萃取出來。黑腐酸指只溶于堿性溶液，不溶于水、酸性溶液和丙酮、乙醇的腐植酸組分，即從腐植酸膠體中萃取出棕腐酸后剩下的那部分腐植酸。

腐植酸含有20 多種不同活性的官能團，這些官能團使腐植酸具有親水性、吸附性、酸性、堿性、陽離子交換性等不同功能，能夠在土壤中發(fā)生吸附、離子交換、絡合和氧化還原作用，使得腐植酸及各類腐植酸產(chǎn)品被廣泛應用于土壤改良中。

2 腐植酸對土壤的改良作用

2.1 腐植酸促進土壤團粒結構的形成

土壤團粒結構是由若干土壤單位粘結在一起形成團聚體的一種土壤結構。因為單粒間形成小孔隙、團聚體間形成大孔隙，所以與單粒結構相比較，團粒結構總孔隙度較大，小孔隙能保持水分，大孔隙則保持通氣，團粒結構土壤能保持植物根的良好生長[3]。腐植酸類物質(zhì)是一種具有多種高活性化學官能團的高分子聚合物，腐植酸的醇羥基、羰基、羧基等親水基團，在水中發(fā)生電離并與水分子結合形成氫鍵，從而提高土壤含水率。有研究表明，腐植酸類物質(zhì)在南方的酸性土壤（紅壤、磚紅壤、黃壤）中能與三氧化物（Fe2O3、Al2O3等）絡合形成絮狀凝膠，在北方石灰性土壤中能與鈣、鎂等金屬離子絡合形成絮狀凝膠，這些膠體物質(zhì)本身具有較好的膠結性能，能把分散的土粒膠結起來，形成水穩(wěn)定性較好的團粒結構[4]。張志美等[5]研究表明，液體腐植酸可改善東營市濱海重度鹽堿地土壤團粒結構、減弱毛細現(xiàn)象，使粒徑大于0.25 mm 的水穩(wěn)性大團聚體比例增至20.24%～63.98%，毛細現(xiàn)象降低79.62%～88.95%。土壤中的團粒結構有利于水、氣、肥、熱的調(diào)節(jié)，從而增強了土壤的毛管性能和通氣透水能力，為作物正常生長發(fā)育創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件。

2.2 腐植酸調(diào)節(jié)土壤酸堿度和降低土壤含鹽量

腐植酸是一種弱酸，也是一種大分子有機兩性物質(zhì)。腐植酸的酸性官能團釋放出的氫離子可與土壤中堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應生成水，降低土壤堿度。腐植酸中的醛基、羧基等官能團，一方面能生成腐植酸鹽，形成腐植酸-腐植酸鹽相互轉(zhuǎn)化的緩沖系統(tǒng)；另一方面能夠與土壤中的各種陽離子結合，增加陽離子吸附量。腐植酸的鹽基交換量為2～3 mol/kg，是土壤黏土礦物的10～20倍，使得土壤溶液中的鹽離子（Na+、Cl-、HCO3-、CO32-、Mg2+）能夠與腐植酸發(fā)生交換作用，降低土壤鹽基含量。

中國長江以南廣泛分布著酸性較強的土壤，pH 值在4.0～6.0 左右。根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，土壤普遍呈酸性的主要原因是鹽基離子強淋溶，土壤積累較多的吸收性氫離子和鋁離子，尤其是吸收性鋁離子增多，加劇了水分電離產(chǎn)生氫離子的過程。因此，鋁離子是土壤氫離子的主要來源。在強酸性土壤中，微生物活力降低，土壤中的有效磷易被游離鐵、鋁離子固定而失活，作物難以吸收利用。腐植酸可以與土壤中的游離鋁離子、鐵離子結合為較為穩(wěn)定的絡合物，抑制了氫離子的生成，從而緩解了土壤酸度，并降低了鋁、鐵對作物的毒害及對磷的固定作用[6]。有研究表明，在櫻桃番茄植株移栽120 天時，施用0.20‰～0.30‰堿性腐植酸營養(yǎng)液的盆栽土壤pH ＞5.60，而施用復合肥的土壤pH ＜5.00，可見，堿性腐植酸營養(yǎng)液對酸化土壤有改良作用[7]。

我國有近四億畝鹽堿地，主要分布在東北遼松平原、西北、華北及濱海地區(qū)，包括鹽土和堿土兩大類[8]。鹽土主要是土體內(nèi)含有較多的可溶性鹽類，以氯化鈉、硫酸鈉為主。堿土主要是土體內(nèi)含有較多的碳酸氫鈉、碳酸鈉和交換性鈉，使土壤堿性過高，pH 值一般在9.00 左右。鹽堿土土粒分散度高，土壤結構性很差，通氣性不好，耕性不良，是需要改良的惡性土壤?！胞}隨水來，水隨氣散，氣散鹽存”是鹽堿土的基本發(fā)生規(guī)律。在這類土壤上施用含腐植酸類肥料，可提高土壤的陽離子代換能力，促進土壤團粒結構的形成，從而破壞鹽分上升，減緩表土鹽分的積累，降低表土含鹽量，起到“隔鹽作用”。腐植酸分子上的羧基等酸性基團，可在一定程度上中和土壤堿度，并加速鈉離子的脫除。腐植酸對土壤水有較強的吸持能力，使土壤的保水能力提高，在一定程度上降低了土壤水分的向上運動，從而減少了地面蒸發(fā)失水積鹽過程。另外，腐植酸具有較強的生理活性，對根系的發(fā)展及體內(nèi)的碳、氮和水分代謝，多種酶的活性都有促進作用，從而提高了作物的抗鹽堿能力[9]。于曉東等[10]研究表明，腐植酸土壤調(diào)理劑能夠改良土壤鹽堿障礙，相比常規(guī)施肥處理，pH 值降低0.30～0.43 個單位，堿化度降低4.6%～27.2%，脫鹽率為17.28%～23.53%，Na+含量降低15.4%～42.7%，Cl-含量降低20.7%～37.6%。

2.3 腐植酸調(diào)節(jié)土壤微生物及土壤酶活性

2.3.1 腐植酸調(diào)節(jié)土壤微生物活性

土壤之所以具有生命的特征，主要是因為在土壤中生活著種類繁多、數(shù)量巨大的微生物和土壤動物。據(jù)測定每1 g 土壤中就含有300～500 萬個微生物，每667 m2耕層土壤可含有上千克活的微生物。土壤作為微生物生活的環(huán)境，在適宜的條件下，這些微生物繁殖非常快，他們對施入或殘留于土壤中的有機物質(zhì)分解，腐殖質(zhì)的形成，養(yǎng)分的活化、釋放、保持及土壤結構的形成、理化性狀的改善都有重要作用[11]。

腐植酸對土壤微生物量有一定的調(diào)節(jié)作用。施用腐植酸能顯著提高土壤三大類群微生物（細菌、真菌和放線菌）的數(shù)量。土壤微生物量是指土壤中除了活的植物體（如植物根系等）外，體積小于5×103μm3的生物總量，是土壤有機質(zhì)中最活躍和最易變化的部分。施用腐植酸能顯著提高土壤三大類群微生物的數(shù)量。孫海燕等[12]研究表明，施用腐植酸生物肥增加了土壤細菌和真菌的數(shù)量。郭越宏等[13]在研究腐植酸對李氏禾-紅壤處理系統(tǒng)中鉻賦存形態(tài)、微生物群落及酶活性的影響時發(fā)現(xiàn)，腐植酸能顯著促進細菌、真菌和放線菌生長繁殖，細菌、真菌和放線菌數(shù)量與腐植酸濃度呈正相關。因此，可以表明腐植酸對土壤微生物數(shù)量的促進作用。

腐植酸對土壤微生物的多樣性有一定的調(diào)節(jié)作用。Yi 等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中加入不同質(zhì)量比的腐植酸（0.2%～1.5%）可增加微生物群落的豐度。高通量測序技術也證實了腐植酸可以顯著增加細菌和真菌的多樣性，在玉米抽雄期和生育期，用量為3.75 t/hm2腐植酸處理的細菌OTUs（定義為97%的序列相似性）數(shù)量相比不施肥處理提高7.44%和4.82%[15]。安夢潔等[16]研究腐植酸在調(diào)控鉛、鎘污染棉田的過程中發(fā)現(xiàn)，腐植酸可提高酸桿菌門和芽單胞菌門的相對豐度，進而對土壤微環(huán)境起到一定的優(yōu)化作用。劉佳歡等[17]試驗研究發(fā)現(xiàn)，施用腐植酸肥料可以顯著提高土壤微生物的平均顏色變化率（AWCD），且施用量越多，AWCD越高，土壤微生物密度越大、活性越高。研究還發(fā)現(xiàn)，腐植酸處理的AWCD 較等養(yǎng)分化肥對照，最大可提高39.3%。因此，可以認為施用腐植酸肥料能促進土壤微生物的整體代謝活性，提高微生物多樣性。

2.3.2 腐植酸調(diào)節(jié)土壤酶活性

國內(nèi)外大量試驗表明，施用腐植酸可明顯提高酶的活性。據(jù)測定，施用腐植酸后酶類增加的數(shù)量為：纖維素酶6%～50%、磷酸酶8.4%～46%、蛋白酶14%～43%，其中泥炭腐植酸效果最好。馬斌等[18]對旱作土壤連續(xù)4 年施用褐煤腐植酸，表明腐植酸的施用，可逐年增加土壤微生物碳、氮、磷含量，增強土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性，并發(fā)現(xiàn)土壤酶活性與土壤微生物量有很好的相關性。高裁二郎等[19]報道了土壤中添加硝基腐植酸對酶的影響，發(fā)現(xiàn)培育21 天比對照增加最為突出，過氧化氫酶增加19 倍。范仲卿等[20]研究表明，連續(xù)4 年種植條件下，各年度使用腐植酸質(zhì)量分數(shù)為6%的復合肥土壤酶活性均顯著高于普通復合肥；使用腐植酸質(zhì)量分數(shù)為6%的復合肥與普通復合肥相比，土壤脲酶活性、堿性磷酸酶活性增加幅度逐年增大?？傮w而言，腐植酸與酶相互作用對酶的活性與穩(wěn)定性均有保護作用。

2.4 腐植酸提高土壤養(yǎng)分有效性

2.4.1 腐植酸提高土壤氮的有效性

碳酸氫銨是常用的氮肥，性質(zhì)不穩(wěn)定，在常溫下容易逐漸分解為二氧化碳和氨氣揮發(fā)流失。據(jù)報道，碳酸氫銨在田間釋放氮素被作物吸收的時間僅維持20 多天，而碳酸氫銨與腐植酸復合成腐植酸銨后在田間釋放氮素被作物吸收的時間可延長至60 天以上，氮的流失大大降低[21]。尿素是氮含量最高、使用最廣泛的氮肥，氮素有效利用率也僅有30%～35%[22]。尿素是有機態(tài)氮肥，需要經(jīng)過土壤中的脲酶作用，分解成碳酸銨或碳酸氫銨后，才能被作物吸收利用，但是大部分土壤中的脲酶過分活躍，對尿素的分解速度過快，在30 ℃、2 天就可全部轉(zhuǎn)化為碳酸銨，繼而分解為二氧化碳和氨氣。但是當尿素中添加腐植酸，腐植酸的羧基和酚羥基均能夠與尿素反應形成氫鍵和絡合配位鍵，同時，形成一定量的COO-NH4+離子鍵；腐植酸的羰基和羧基與尿素的-NH2基發(fā)生作用，形成＞C=N 鍵；腐植酸的醌基則以自由基斷片形式與尿素反應，形成離子鍵或共價鍵，生成腐植酸-脲絡合物。以上種種，從而抑制尿素與土壤之間發(fā)生的分解反應，使尿素緩慢釋放。景建元等[23]研究表明，腐植酸的羧基參與了腐植酸與尿素的反應，且反應方式為腐植酸羧基C-OH 化學鍵斷裂，與尿素胺基結合，脫水形成R-CO-NH-CO-NH2，從而有效延緩尿素水解，提高作物產(chǎn)量與氮肥利用效率?？梢?，氮肥中添加腐植酸，在土壤中能降低氮肥分解速率，進而提高氮肥有效性。

2.4.2 腐植酸提高土壤磷的有效性

磷肥在土壤固液界面的行為受固相表面性質(zhì)制約。經(jīng)試驗證明，施入腐植酸后土壤對磷酸根的吸附固定量減少[24～27]。20 世紀50 年代，日本的奧田束發(fā)現(xiàn)腐植酸有活化磷肥的作用，橋本雄司等證明腐植酸及其鹽類都能不同程度地活化土壤中被固定的磷[28]。速效磷肥施入土壤后在短期內(nèi)被固定的原因大致如下：（1）化學沉淀，在酸性土壤（pH=4）中磷酸根與鐵離子、鋁離子等形成不溶性的磷酸鹽；在堿性土壤中則與鈣離子形成磷酸二鈣乃至磷酸八鈣或羥基磷灰石[26]。（2）膠體作用，酸性土壤中通過鐵、鋁水合離子對磷酸根固定，而堿性土壤中通過鈣離子發(fā)生表面吸附[29]。（3）同晶代換，在pH為5.0～6.0時黏土中鐵離子、鋁離子、鈣離子較少，這時磷酸根易取代土壤礦物質(zhì)中較活潑的硅酸根等負離子形成不溶物被固定下來，從而導致磷肥利用率低。在所有的化學肥料中，磷肥的當季有效性最低，一般只有10%～20%，我國60%的土壤由于有效磷被固定而失去活性、自然因素流失的原因而導致缺磷，如何抑制速效磷肥的固定、提高磷肥有效性，已經(jīng)成為我國甚至是世界性的重大課題。陳建超[30]通過試驗證明，通過腐植酸處理的土壤有效磷含量較對照增加了142%，植物吸磷量增加了65%。而腐植酸對磷的增效作用早就引起了廣大農(nóng)業(yè)化學家的關注[31]。研究表明，腐植酸主要通過4 種方式對速效磷起保護作用：（1）腐植酸優(yōu)先與鐵離子、鋁離子等高價離子絡合，使高價金屬離子減少與磷酸根結合的機會；（2）腐植酸的一價鹽與過磷酸鈣發(fā)生復分解反應，形成水溶性磷酸鹽與枸溶性的腐植酸磷酸鈣的復合物；（3）腐植酸與磷酸鹽作用形成可溶的或者緩溶的絡合物，這類絡合物多數(shù)可被植物吸收利用，防止被土壤固定；（4）腐植酸陰離子在土壤黏土上發(fā)生極性吸附，減少磷酸根被吸附的概率。

2.4.3 腐植酸提高土壤鉀的有效性

一般認為鉀肥無效化的主要途徑是淋溶損失和土壤干濕交替引起的晶格固定。我國鉀肥利用率在50%左右，平均被固定約45%，在高溫高濕的南方土壤及砂質(zhì)土壤，鉀的淋失更加嚴重。腐植酸與鉀結合后就可有效地減少土壤粘土對鉀離子的固定。腐植酸對鉀增效作用主要反映在3 個方面：提高植物吸鉀量、減少土壤固鉀量、活化土壤潛在鉀量。龐慶陽等[32]通過田間試驗研究水溶性腐植酸肥料對土壤影響表明，腐植酸處理與對照組相比，整個生長期內(nèi)，腐植酸復合肥在0～20 cm 土層中土壤速效鉀含量增加37.02%；在20～40 cm 土層中土壤速效鉀含量增加57.36%；與等養(yǎng)分復合肥相比，腐植酸復合肥在0～20 cm 土層中土壤速效鉀含量增加4.29%；在20～40 cm 土層中，土壤速效鉀含量增加15.39%。

2.4.4 腐植酸提高土壤中微量元素的有效性

中、微量元素是植物體內(nèi)多種酶的組成成分，他們對作物的生長發(fā)育、體內(nèi)多種酶的活性、作物的抗逆性、作物產(chǎn)量與品質(zhì)都有重要影響，缺乏或過剩都使作物表現(xiàn)出特有病癥。微量元素在植物體內(nèi)移動性差、利用率低、敏感性高，有時豐、缺癥狀可能表現(xiàn)得特別明顯。人工施用中、微量元素化學肥料，就是為了補充植物所需，但使用后也往往大部分被土壤固定。腐植酸對中微量元素同樣具有增效和保護作用，對土壤中那些被固定的無效元素具有激活的作用。何立千[33]研究表明，腐植酸與硫酸鋅混施與單施加硫酸鋅相比，鋅的利用率提高34%，有效鋅轉(zhuǎn)化率提高了1 倍以上。孫志梅等[34]對北方土壤施用腐植酸的研究表明，腐植酸使土壤中的有效鐵含量提高1.17%～3.13%。樊成等[35]在蘋果樹上噴施黃腐酸鈣，鈣泵活性提高了587.37%，高于氨基酸鈣167.55%。邵俊飛等[36]研究表明，優(yōu)化施肥同時增施腐植酸硅鈣肥能夠提高蘋果樹生產(chǎn)力、改善果實品質(zhì)、提高土壤肥力。小林氏研究發(fā)現(xiàn)，在容易發(fā)生缺鐵黃葉病的土壤中，施用硝基腐植酸能增加作物體內(nèi)氮、磷、鉀、硅、鐵、鎂、錳的含量，說明腐植酸不僅能促進大量元素的吸收，也能促進微量元素的吸收，這對維持作物營養(yǎng)平衡，提高肥料利用率都有重要作用[37]。

3 存在問題與展望

3.1 存在的主要問題

3.1.1 腐植酸來源問題

腐植酸不是純物質(zhì)，它的組成隨來源的不同差異很大，想要得到好的腐植酸產(chǎn)品，先決條件是原料的質(zhì)量好并且穩(wěn)定，但由于目前對腐植酸不同組分及其特性分析尚淺，試驗設計和應用技術中的腐植酸來源類型不明，對腐植酸的發(fā)展帶來很大的挑戰(zhàn)。腐植酸有礦物源腐植酸和生物源腐植酸，礦物源腐植酸苯環(huán)結構較多，成分較為固定，但原料為不可再生資源，生物源腐植酸結構以碳鏈較多，因發(fā)酵原料來源廣泛，成分差異大，不易鑒定，存在以假亂真的情況，造成一定的市場混亂，極大地影響了腐植酸產(chǎn)品應用推廣。

3.1.2 腐植酸標準問題

腐植酸在國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)使用數(shù)十年，因腐植酸原料來源的不一致性、官能團的豐富性、功能的多樣性、應用領域的廣泛性，市面上產(chǎn)品也是相當豐富。腐植酸土壤改良標準主要有3 個方面的問題：（1）腐植酸土壤改良產(chǎn)品標準體系不夠完善；（2）現(xiàn)行的相關標準在實踐中也暴露出一些問題，需要及時修訂。（3）在應用標準時，標準與相關產(chǎn)品的匹配度有差距。腐植酸土壤改良有豐富產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在應用標準時，因前2 個問題導致的標準缺失，會使產(chǎn)品生產(chǎn)和出廠時無匹配的標準可依，產(chǎn)品的質(zhì)量難以得到保障。

3.2 展望

現(xiàn)有研究已經(jīng)充分證明腐植酸在促進土壤團粒結構的形成、調(diào)節(jié)土壤酸堿度和降低土壤含鹽量、提高土壤微生物和土壤酶活性、提高土壤養(yǎng)分有效性等方面均具有突出效果，我國存在大量的鹽堿地和酸性土壤、退化土壤。以此，利用腐植酸改良問題土壤有重要意義，但是我國需要改良的土壤實際情況各不相同，如何有針對性地發(fā)揮腐植酸的作用和價值成為研發(fā)重點。因此，國家應積極出臺利好政策、提供資金支持大專院校、科研院所及企事業(yè)單位開展腐植酸在土壤改良中相關研究，通過基礎研究深入發(fā)掘腐植酸改良土壤的機理，持續(xù)提升腐植酸改良土壤的技術與工藝，開發(fā)出更多更精準的產(chǎn)品，完善腐植酸相關標準體系，及時推進腐植酸相關標準的制修訂，使相應產(chǎn)品有相應的標準匹配，以嚴把腐植酸產(chǎn)品質(zhì)量關，使腐植酸在土壤改良中得到更加廣泛的應用。