土壤腐植酸的功效与腐植酸肥施应用研究进展

土壤腐植酸的功效与腐植酸肥施应用研究进展_2014年论文集

张东亮　寇太记　李友军　王俪睿　程相涵

（河南科技大学农学院　洛阳　471003）

摘　要：腐植酸是具有多种功能团的复杂大分子有机酸混合物，被广泛应用于农业生产与土壤环境保护等领域。土壤腐植酸是土壤有机质的主要存在形式，其胶体特性对土壤功能维持与土壤污染治理具有重要作用，也是土壤碳库的重要成分，具有不可替代的固碳功能。通过肥施腐植酸类物质可有效促进作物生长、提高大量营养元素利用效率、增加粮蔬产量与改善品质，并改良土壤理化性状。本文总结了土壤腐植酸功效及腐植酸肥施效果，但腐植酸类复混肥料对提高微量营养元素利用效率、提高粮蔬品质的微量营养元素累积及生物有效性方面的研究仍待进一步开展。

关键词：腐植酸肥料　土壤　土壤碳库　养分利用效率

Research Progress of the Function of Soil Humic Acid and the Application of Humic Acid Fertilizer

Zhang Dongliang, Kou Taiji, Li Youjun, Wang Lirui, Cheng Xianghan

(Agronomy College, Henan University of Science and Technology, Luoyang, 471003)

Abstract: Humic acid is a complex macromolecule organic mixture which consists of variety functional groups, and it is widely used in agricultural production, environmental protection and other fields.Soil humic acid is the major existing form of soil organic matter.Because of its colloid properties, it is vital to maintain soil function and to make soil contaminant nontoxic.As an important component of soil carbon library, humic acid has an irreplaceable function of carbon sequestration.By topdressing or spraying humic acid compound, plant growth is enhanced, utilization efficiency of mineral nutrient is increased, the quality of grain and vegetable is improved, and soil properties are ameliorated.This paper summarizes the effect of soil humic acid and humic acid fertilizer effect, but the research that humic acid compound fertilizer can improve the utilization efficiency of trace nutrition elements, trace nutrients accumulation which can improve the quality of the grain, and biological effectiveness remains to be further developed.

Key words: humic acid fertilizer; soil; soil carbon pool; nutrients use efficiency

腐植酸是一类组成复杂的大分子有机弱酸混合物，是土壤有机质的组成成分[1,2]。腐植酸的主要成分包括黄腐酸、棕腐酸、黑腐酸等，具有吸附、离子交换、螯(络)合、氧化还原等独特的物理、化学和生理特性，广泛应用在工农业、医药、环境等领域。自然界中的泥炭、褐煤和风化煤资源中含有丰富的腐植酸[3]，并被广泛用于腐植酸产品开发。当前侧重于腐植酸在土壤中的功能及腐植酸类产品在农业科学应用研究日渐增加，涉及园艺、土壤、肥料、微肥、饲料、林木、微生物、生态工程等学科[4]。本文综述了腐植酸对土壤结构与环境、土壤养分运移、作物生长的影响，期望为土壤环境改良、粮食作物高产提质提供科学依据与技术支撑。

1　腐植酸是土壤重要构成

1.1　腐植酸是土壤重要组分

土壤有机质是土壤的重要组成，土壤腐殖质是土壤有机质中最主要的形态，占土壤有机质的60%～80%，其含量通常作为衡量土壤肥力的主要指标之一。腐植酸是土壤腐殖质中最活跃的组分，是一类组成复杂的大分子有机弱酸混合物[1，2]，一般占土壤腐殖质的60%以上[5]。腐植酸类物质的基本结构是多种芳香环和烃环，含有羰基、羧基、甲氧基、羟基等官能团，有带正电荷、负电荷、氢键和自由基等特性，在分散体系中具有胶体性质。土壤腐植酸胶体粒子的直径在1～1000 nm范围，作为一种亲水胶体，腐植酸在土壤中起着吸附粘结的重要作用[6]。在土壤形成过程中，腐植酸与各种微生物分泌的多糖醛酸甙、粘粒矿物以及铁、铝的氢氧化物等，通过不同形式与作用力相结合，形成了各种类型的有机无机复合体[5]。同时，在各种表面电荷和其他作用力下，通过团聚作用而形成了不同粒级的微团聚体[7]，影响着土壤的理化特性。土壤中施用腐植酸类产品，如腐植酸肥料、土壤调节剂、土壤修复剂、可降解地膜等，可有效改善土壤结构，改良土壤固液气三相比，提高土壤有机质含量与土壤肥力[8]。土壤中反映肥力特征的许多物理、化学和生物学过程都与有机质和腐植酸有着直接或间接的关系，且腐植酸对外来物质的分散、迁移、沉积和转化等有明显的影响[9]。

1.2　腐植酸是主要土壤碳库

土壤固碳的实质是有机碳、无机碳与土壤颗粒形成的复杂多样的土壤团聚体的过程[10]。腐植酸是土壤有机质与土壤碳的重要成分[1，2]。土壤腐殖质碳是大气CO2的主要来源之一，并作为环境和大气CO2浓度变化敏感的碳聚集体[8]。地球碳循环中，陆地生态系统占主导地位，而土壤腐植酸类物质是陆生系统中储量最大、最为敏感的碳库。如，自然界中风化煤、褐煤和泥炭等资源中就含有丰富的腐植酸[3]。在地球上，腐植酸类物质约占土壤碳库的80%，是环境和大气中CO2浓度变化的碳聚集体，是绿色植被的摇篮、土壤肥力的基础和巨大的碳库[4]。近20年来，全球植被的破坏、湿地和耕地退化的加速而导致土壤腐殖质分解加速，每年进入大气CO2的增加量约59亿吨，20年累计增加超过1000多亿吨CO2。腐植酸是土壤腐殖质中最活跃的组分，一般占土壤有机质的60%以上，它是土壤团粒结构主要组分，是控制土壤环境的重要因子，并影响土壤养分的分布及形态[11]。腐植酸类物质的动态平衡是维持全球碳循环平衡的重要因素，在全球碳循环中，腐植酸类物质具有的固碳功能是无可替代的[8]，且对土壤物质治理具有不可替代的作用。当前的研究发现，通过向农业土壤中补充腐植酸类物质，可直接或间接通过增加植物生长量，让更多的碳保留于土壤中来增加有机质含量，并减少CO2的排放[27]，增加土壤碳库的含量。

1.3　腐植酸对土壤重金属的固定

由于腐植酸具有丰富的活性功能基团，具有吸附、离子交换、螯(络)合、氧化还原等独特的物理、化学和生理特性，可与金属离子发生多种形式结合[12]。作为土壤中重要的络合剂[13]，腐植酸中的-COOH、-OH、-C=O和-NH等官能团能与重金属发生络合、螯合作用，降低土壤中重金属的水溶态和交换态的含量。腐植酸能与+2价、+3价的重金属形成难溶性盐类。由于在土壤中施用腐植酸类肥料能降低重金属离子浓度，增加Cu、Cd、Pb的氧化物结合态、碳酸盐结合态含量，降低Cu、Cd、Pb在土壤中的活性、毒性及生物有效性性[4，14，15]。因此，腐植酸可以用来降低土壤中重金属离子的含量，进而达到降低重金属污染土壤对作物生长和粮食品质的影响[4，14，15]。

腐植酸通过将土壤重金属固定钝化来减轻重金属危害[16]，腐植酸用量越大则解除土壤中重金属的生物毒害能力愈强，越能减少污染危害，促进植物生长[14，17]。先前的研究发现，腐植酸施入土壤能降低土壤中重金属的生物有效性[16]，降低土壤污染对农业的影响[18，19]。腐植酸通过吸附能显著地降低Cd对海藻的毒害作用[15]，但吸附效果与pH和腐植酸浓度相关[20，21]。当腐植酸浓度为5 mg/L时，海藻中Cd的含量明显减少，Cd的毒性降低了2倍。当腐植酸浓度为1 mg/L时，约25%的金属离子可以被腐植酸胶团吸附[6]。施用腐植酸改良污染土壤对蔬菜生长、氮磷钾养分利用的影响受腐植酸用量与土壤污染程度双重作用[22]。寇太记等[22]与马继红等[23]发现，在轻度铅污染土壤上随着腐植酸用量的增加，小白菜植株氮磷钾素积累量和肥料的农学利用效率则不同程度地降低，腐植酸同等剂量施于未污染的种植丹参的土壤中则促进丹参生长。此外，也有研究发现土施腐植酸类物质能降解农药残留[24]。研究结果间的差异表明土壤是否污染、污染程度、植物类型可能均影响腐植酸的施用效果。为明确腐植酸对土壤重金属活性、作物生长及营养元素利用效率的具体影响，更深一步的研究亟待开展。

2　腐植酸的肥施应用

2.1　土壤肥料

腐植酸肥料广泛应用在农业生产中，不仅为作物提供所需大量元素，补充多种微量元素，腐植酸也可直接作为农业肥料施用[25]，并在丹参、烟草、蔬菜、马铃薯、树木等经济作物和粮食作物[23，26～32]开展了广泛应用与研究，涉及园艺、土壤、肥料、微肥、饲料、林木、微生物、生态工程等诸多学科[4]。土壤中施用腐植酸类产品使蔬菜[33]、大豆[34]、玉米[35]等作物产量显著增加、粮食品质得到改善[36～38]。蔬菜与经济类作物上的研究表明，施用腐植酸有机肥可显著提高菜豆产量9.80%～17.29%[39]，促进黄瓜增产4.32%～16.35%[40]，其在菜豆与黄瓜上的最佳施用量均为450～675 kg/hm2[39,40]。且通过增加可溶性糖、粗蛋白质和维生素C含量，减少硝酸盐含量进而有效改善菜豆品质[39]。腐植酸生物有机肥占总氮30%～50%水平时，能有效促进烤烟的生长发育，提高烟叶生物产量和致香物质含量，改善烟叶内在品质和协调性，可符合高端卷烟品牌对原料的需求特征[41]；刘素云等[42]研究也得到相似的结果。葛林美腐植酸有机复合液肥处理的苦瓜产量显著高于不施肥和尿素处理，比不施肥增产19.3%，比尿素处理增产11.8%，每公顷经济效益提高8340元以上[43]。施用腐植酸类肥料可提高白芷产量及质量，其中以1.0 g/L浓度的黄腐酸进行叶面喷施综合效果最好[44]。较低腐植酸即可提高生菜的产量，改善其品质[45]。腐植酸类肥料除外加养分元素外，腐植酸具有降低根系活性氧的积累，增强了过氧化物酶和超氧化物歧化酶活性，并促进了谷胱甘肽合成[46]和降低有机酸含量、增加叶绿素含量[45]等作用。研究发现[13,42,47,50～54]，腐植酸肥施通过影响植物生理代谢、提高根系活力并促进根系生长、促进养分利用率的提高、加植物抗逆性，进而增加产量及品质。另外，研究也发现腐植酸肥施除增加了甘薯对各矿质营养元素的吸收积累量，并增加了土壤中有效K、P、Ca和Mg元素的含量[55]。基于腐植酸自身特性及其与营养元素的复混肥效，研制环保高效的新型肥料[56,57]以延长氮、磷、钾等养分释放时间，促进生产的高效与环境友好。

腐植酸肥料能提高肥料利用率、改良土壤、提高作物的抗逆性及农产品产量、品质，且能减少土壤养分淋失、降低施用化肥对环境的影响。由于腐植酸肥料对土壤有机质、土壤微生物活性、土壤pH、有效养分等的改善作用[58～61]，腐植酸对土壤改良同样有重要影响。

2.2　土壤改良剂

腐植酸是一种亲水有机胶体，具有改良土壤的作用[18]。由于腐植酸可增加土壤团粒结构，提高土壤保水能力等，有效改良土壤的不良性状。在土壤形成过程中，可以和矿物质在各种力的作用下相互结合，形成各种类型的有机无机复合体，这种复合体在土壤团聚体的形成、土壤肥力的发挥、土壤形成过程中物质的迁移和积累等方面发挥重要作用[62]。腐植酸具有一定的保水能力，以其为原料制备的腐植酸保水剂对地下水和自来水的吸水倍率可达100～500倍，是非常适合农林领域的专用保水剂[63～65]。新型腐植酸保水剂具有显著的生态应用价值[66～68]。由于腐植酸类肥料的土施将直接补允土壤有机质，其对土壤微生物的活性、土壤pH、有效养分等的生物地球化学循环有直接或间接的影响，其对土壤的改良作用显而易见[59～61]。作为功能多样的土壤改良剂，腐植酸类土壤改良剂、修复剂被广泛的用于污染土壤改良与不良耕性[18,19,26,27]。研究发现[16,18,19,24～27,69]，腐植酸农业土壤肥施与土壤改良剂等施用于土壤，可降解土壤农药残留、降低土壤中重金属的生物有效性，改良土壤，降低土壤污染对农业的影响。

2.3　叶面喷施与无土栽培应用

由于根外追肥具有施肥量小、吸收利用效率高、见效快等特点而被广泛推广叶面肥的应用，随着根外施肥方式的普及，腐植酸叶面肥和营养液在农业上逐渐推广。腐植酸叶面喷施将使叶面气孔缩小，减少水分蒸腾，增加叶绿素含量[28,29,45,65]，提高作物耐旱能力。较低浓度的腐植酸即可降低生菜有机酸含量，显著提高生菜的产量、生物量、根重、根长和叶绿素含量[45]。然而，腐植酸通常在叶面肥中被作为调节剂使用，但含腐植酸的肥料在农业上正获得越来越广泛的应用。研究发现，将常量、微量元素加入改性泥炭提取的腐植酸溶液施用于蔬菜田，蔬菜产量可增加20%左右，且品质有所提高[36,70]。关敏等[71]发现在腐植酸溶液中复配NPK常量元素和铁、锌等微量元素制成的腐植酸植物营养液有改良土壤、提高氮磷钾肥效、刺激作物生长、增加产量、改善农产品品质等优点。杨玉玲等[72]研究也得到相似的结果。腐植酸类叶面肥和营养液与微量营养元素复混能更为直接有效的促进微量元素的吸收积累，提高粮食作物产量和品质的作用。在当今粮食生产中，微量元素缺乏(如Fe、Zn等)引起的全球性缺素症状已引起各界科研工作者的关注[73,74]。而通过土壤肥施微量元素易受土壤中诸多物理、化学、生物因素影响，肥效不甚理想，国际上多采用根外施肥，这为腐植酸类肥料的应用提供了广泛的空间。故此，开发新型高效腐植酸类复混肥将有益于作物吸收土壤难溶矿质营养元素、提高作物品质。

3　腐植酸肥施应用的前景及展望

腐植酸广泛存在于生态环境中，是土壤碳库的主要组成部分。腐植酸肥料能提高肥料利用率、减少土壤养分淋失、降低施用化肥对环境的影响，还能改良土壤、提高作物的抗逆性及农产品品质。随着土壤生态环境恶化加剧，对生态、环保、高效新型肥料的需求日益增加，腐植酸类肥料所具有的特性使其在农林业生产中被大量使用。当前众多的研究分析了其对土壤、作物、环境等的效用，但不同生长环境、不同作物、不同施用剂量研究结果间存在差异，其作用机理尚待进一步深入研究。

适量腐植酸肥能促进作物生长、提高植物营养元素利用效率，然而关于腐植酸对作物微量营养元素的吸收、利用与积累影响的研究欠缺。尤其当前气候环境变化背景下，粮食中微量元素含量不足引起的全球性微量元素缺乏症，已引起栽培育种及营养领域专家的高度重视，通过生物强化措施提高作物食用部分中微量营养元素(如Fe、Zn等)已成为研究的热点。因此，通过腐植酸类肥料的施用提高植物的微量营养元素的利用效率与含量，促进作物食用部分微量营养元素的累积及生物有效性将是今后研究的热点。

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