腐植酸在土壤與肥料中的應用

王宏韜，馬獻發，張繼舟

（黑龍江省科學院自然與生態研究所，哈爾濱150040）

腐植酸（Humic Acid，HA）是一種天然的有機大分子化合物，在土壤、濕地、煤炭和貝巖等有機礦物中都有分布，外觀呈黑色或棕色，是一種無定型的聚電介質。腐植酸中含有多種含氧官能團，這些官能團與腐植酸的性質和應用有很大關系，其中主要的官能團有羧基、酚羥基、醇羥基、醌基、甲氧基等［1］。腐植酸類物質包括天然的泥炭（又名草炭）、風化煤、褐煤以及通過物理、化學和生物得到的具有腐植酸活性的一類物質。近年來，對腐植酸類物質在改良土壤、肥料應用方面進行了較多研究和應用，其效果明顯。

1 腐植酸在改良土壤上的作用

鹽堿土、風沙土、采礦廢棄地、污染土壤和草原退化是當今全球重要的生態問題。腐植酸類物質具有良好吸水和持水性，吸附螯合能力和緩沖的特性，對土壤脫鹽、酸堿度調節、有機質增加和改善植物的生長環境都取得明顯效果?使其在沙漠及鹽堿等貧瘠土壤改良和污染土壤修復中有特殊的效果，尤其在污染土壤的處理中，不會造成二次污染。又可提高土壤肥力，并促進植物健康生長。

1.1 改善土壤結構

土壤團聚體是土壤結構的基本單位，它是由單個土粒被土壤腐植酸和粘粒等有機無機膠體粘結較大的土粒［2］。良好的土壤結構有益于微生物繁殖、生長，進而有益于土壤有機質的轉化、累積和土壤肥力的提高，可以為植物生長提供必需的生態環境。腐植酸是含有多種含氧活性官能團的高分子有機膠體，具有弱酸性、吸水性、離子交換性、絡合性、緩沖性、氧化還原性以及作用于植物的生理活性等特點，因此，腐植酸在改良土壤結構、培肥地力等方面起著重要作用。張宏偉等［3］研究了以腐植酸共聚物作為土壤結構改良劑改良赤紅壤后對該土壤化學性能的影響，表明改良后的土壤比表面積、電荷量、陽離子交換量隨共聚物在土壤中施入量的增加而增大，土壤的酸性減弱，pH提高。中國科學院新疆生物土壤沙漠研究所用泥炭改良堿化沙壤土土壤微生物總量比對照增加143.67%，表明改良后的土壤結構、性能有益于微生物繁殖、生長，進而有益于土壤有機質的轉化、累積和土壤肥力的提高。

土壤腐殖質是由胡敏酸、富里酸和胡敏素等組成。而施入腐植酸物質中有與土壤腐殖質相當的胡敏酸和富里酸，所以，土壤施用腐植酸類物質，土壤有機質明顯提高，其直接影響著土壤的保肥性、保水性、緩沖性、可耕性、通氣狀況和溫度等［4］。

1.2 活化土壤養分

腐植酸對磷肥增效作用的研究已有30多年的歷史，并已得到肯定的結論。日本橋本雄司曾發現腐植酸鹽類及硝基腐植酸鹽類都不同程度地抑制了土壤對磷的固定［5～8］。腐植酸施入土壤后，可以對難溶性微量元素起到增溶的作用，從而增加土壤中無機養分的含量。眾所周知，腐植酸中的螯（絡）合物作用很強。硝基腐植酸銨可以通過與鐵原子形成的螯合物，促進植物鐵元素的吸收，形成穩定的絡合物，通過鐵和磷酸根同時以有機和無機形式被植物吸收。無機鐵和磷酸根進入植物的子葉和莖中，而有機金屬磷酸鹽進入植物根部，在植物吸收磷養料方面，起著重要作用。經接枝共聚反應改性的腐植酸不僅可以提高磷肥利用率，提高了磷的有效性，還起到磷肥的增效作用，這在一定程度上降低了肥料投入和農業生產成本［9］。

腐植酸對氮磷鉀的吸附和解吸特性受土壤pH值影響，在堿性條件下，腐植酸對氮的吸附和解吸作用較強；在酸性條件下，腐植酸對磷的吸附和解吸作用較強；而腐植酸對鉀的吸附和解吸作用在中性條件下更易發生。介質pH值升高有利于腐植酸樣品對鉀的吸附,且能加快吸附反應的速度。當pH＜4.4，此時以物理吸附為主；當7.12＜pH＜12.95時,化學交換占主導地位［10］。

1.3 調節土壤酸堿度和降低鹽分

腐植酸作為土壤改良劑可以疏松耕層土壤，改善土壤理化狀況，破壞鹽分沿毛管孔隙隨水分上升的條件，減少表土鹽分的積累，降低表土含鹽量。腐植酸是一種很好的離子交換劑，對鈉離子、氯離子有很強的吸附作用，腐植酸具有較高的陽離子交換量，在以水壓鹽過程中加速土壤溶液中鈉離子、氯離子的淋洗速度，也能使表層鹽分逐漸減少［11］。

在堿性土上施用腐植酸，其中的酸可以中和堿性，同時能代換吸附鈉離子，使土壤pH值降低。另外，我們利用腐植酸+硫酸鋁改良堿性水質，用于南方酸性土花木栽培，如杜鵑、山茶等也取得了良好的效果［12］。

近年來，黑龍江省科學院自然資源研究所與白俄羅斯科學院自然資源與生態研究所合作開展了利用草炭和風化煤恢復松嫩平原西部退化草場的研究，建立適合改良和恢復鹽堿土草場的腐植酸的評價指標，研制改良黑龍江省西部鹽堿土地區退化草場的制劑，改良后的草場覆蓋率達到100%，在輕重鹽堿土牧草產量都比對照有不同程度的提高，最大可使牧草增產5倍以上，可建立起食口性好的牧草穩定群落［13］。馬獻發等研究腐植酸（HA）、沸石和蛭石3種改良材料對設施土壤鹽分和生物效應的影響，結果表明.腐植酸能夠顯著降低設施土壤鹽分和提高白菜生物產量［14］。腐植酸由于含有各種官能團，可以有效抑制土壤中水溶性K+、Ca2+、Mg2+等鹽基離子的增加，進而降低土壤的電導率。

1.4 降低土壤污染

重金屬不能被土壤微生物所分解，而易于積累。轉化為毒性更大的化合物，甚至有的通過食物鏈以有害濃度在人體內蓄積，嚴重危害人體健康。土壤重金屬污染物主要有汞、鉛、銅、鉻、砷、鎳、鐵、錳、鋅等，同種金屬由于其在土壤中存在形態不同，其遷移轉化特點和污染性質也不同，因此在研究土壤中重金屬的危害時，不僅要注意它們的總含量，還必須考慮各種形態的含量。腐植酸物質是改良重金屬污染土壤常用的物質，其改良作用主要表現在：（1）參與土壤離子的交換反應，增加土壤陽離子交換量，提高土壤環境容量。（2）穩定土壤結構，提供生物活性物質，為土壤微生物活動提供基質和能源，從而間接影響土壤重金屬的行為。（3）是重金屬離子的螫合劑。腐植酸類物質的比表面積和對重金屬的吸附能力遠遠超過任何其它的礦質膠體，分解形成的腐殖酸可與土壤中重金屬形成絡（螫）合物，降低了植物的吸收。（4）參與重金屬氧化還原過程，降低重金屬的毒害作用。加入腐植酸后，污染土壤中的水溶態和有效態重金屬Cu、Zn、Pb、Ni的含量均明顯下降。腐植酸可以有效修復固體廢棄物拆解地重金屬污染土壤［15～16］。

腐植酸物質可以用來消除土壤的有機物污染，王忠強等［17］探討了利用泥炭保護根系措施清除土壤柴油污染物的可行性，結果表明，泥炭保護根系有利于紫花苜蓿根系形態發育，能促進根系細菌和真菌的繁殖，并顯著提高根區土壤柴油降解率。

隨著土壤污染的加重，消除土壤的污染物，保證食品安全已成為環境治理研究的熱點。植物修復和微生物修復作為重要的土壤修復方法已取得一定的效果，但各存在利弊，如果將兩種方法優勢互補，尋找兩者的結合點一直是土壤污染修復的重要方向。利用腐植酸物質具有的促進植物生長、改變根系形態、增加土壤肥力、穩定土壤結構、能為土壤微生物活動提供碳源和養分等特點，以植物根系作為修復核心，形成一個植物—腐植酸物質—微生物聯合修復系統，實現有機物質、微生物和植物聯合修復和改良石油污染土壤，可以達到改善植物根系小環境修復污染土壤大環境的目的。這是一個值得進一步研究的土壤修復技術。

2 腐植酸在肥料上的應用

2.1 提高化肥利用率

在減少氮肥流失方面，腐植酸的作用是明顯的。據中國科學院南京土壤研究所試驗，在酸性紅壤土中，碳酸氫銨施入土壤后，6d損失11.26%，腐植酸銨只損失0.41%。在對氮肥的增效方面，腐植酸具有硝化抑制劑的作用。據印度燃料中心發現，腐植酸與普通的硝化抑制劑具有同等的效果。

此外，腐植酸對促進作物吸收氮素的能力也有顯著提高。據廣東農業科學院測定：在早稻齊穗期施入腐植酸銨，較施入等量的碳酸銨，植株多吸收氮11.4%；晚稻齊穗期多吸收8.6%。另據北京農業大學測定，施用腐植酸銨的玉米，比施等氮量的硫酸銨多吸收氮8.8%，單株含量較對照多36.6%。

磷肥利用率的原因是酸性鐵、鋁，石灰性土壤中含有大量鈣所致，鐵、鋁、鈣等可使有效磷固定、失效。國內外一些研究指出，由于腐植酸對鐵、鋁、鈣等離子的親和力強，因此在速效磷肥中添加腐植酸后，可以明顯地抑制土壤對磷的固定。

腐植酸可以抑制土壤對鉀的固定，提高鉀肥的利用率。氯化鉀、硫酸鉀施入含粘土礦物較多的土壤中，鉀容易固定到微晶高嶺石等膠粒的晶格里，成為緩效鉀或無效鉀；施入砂性土壤中則容易流失。如果將這些肥料與腐植酸類物質混合施用，可防止鉀離子被固定和被流失，從而有效地提高鉀肥的利用率。

王國旗等系統地研究了腐植酸對NPK養分的增效作用與機理，研究表明，腐植酸能顯著提高沙土的保水保肥能力，減少養分淋失，腐植酸復合肥對土壤有機質具有顯著的超補償效應，其機理在于對土壤微生物種群數量的激發效應增強［18］。

2.2 腐植酸在生產綠色肥料上的應用

目前，肥料發展的主要趨勢是復合化、多元化和無害化，其主要特點表現為成分和功能的多樣性，環境的保護性。同時，對新型環保肥料的規定將推動創新肥料產品向多樣化、無公害、成本最低化快速發展。

通過試驗得出了腐植酸類肥料具有改良土壤、增進肥效、調節作物生長、提高作物抗逆性和改善作物品質等作用的科學論斷，為腐植酸在農業生產中的應用提供了科學依據，為發展農用腐植酸產品生產提供了新的思路，推動了腐植酸復混肥料、腐植酸專用肥料、腐植酸微量元素肥料、旱地育秧床土、腐植酸液體肥料和腐植酸作物調整劑等產品的開發，為我國發展有機—無機結合肥料品種提供了切實可行的途徑。在農用腐植酸產品中，發展較快，品種較多的腐植酸類植物調節劑，新疆的旱地龍、河南的抗旱劑I號、科力素（KLS）、美國引進的紐翠綠腐植酸液肥等的液肥都屬于此類產品［19～21］。有些肥料企業直接采用從褐煤、風化煤或泥炭中提取的腐植酸—礦源腐植酸（MHA）作為生產原料，由于其相對分子質量較高,螯合性和親水性基團較少,故腐植酸（HA）不含二價離子,不耐酸,在硬水（自來水）或偏酸性條件易絮沉,所以,采用礦源腐植酸生產液體肥或多功能肥會受到極大限制［22］。

近期，黑龍江省科學院自然與生態研究所先后研制出了新型腐植酸葉面肥、腐植酸灌溉肥料，產品采用低溫氧化降解技術和飽和復配絡和工藝，以高活性腐植酸（HA），優質濃縮氮、磷、鉀及微量元素經科學配比而成的生態液肥，該液肥抗硬水能力強。試驗表明,腐植酸灌溉肥和常規化肥黃瓜產量分別比對照增加29.72%和22.91%,兩個處理之間差異不明顯;腐植酸灌溉肥明顯提高了黃瓜中Vc、水溶性糖含量,改善黃瓜品質,效果好于常規化肥［23］。

腐植酸在肥料上的應用不僅可以克服大量施用無機肥給土壤、作物及環境帶來的污染，而且有很多優良的影響。在有機-無機復混肥中添加腐植酸鹽配制成的專用肥料是一種多功能肥料，施入土壤中后提高了土壤的保肥供肥能力，從而提高了化肥的利用率。其中腐植酸鹽對化肥的調控作用主要表現為對氮緩釋，對磷活化，對鉀增效。另外，腐植酸類肥料有對作物生長發育的刺激作用，能增強作物的抗逆性，同時對化肥有明顯的增效作用。

綜上所述，通過合理利用腐植酸類物質對農田生態系統的直接作用和間接作用，一方面可以起到低投入、高產出，解決我國當前的糧食安全問題；另一方面又可以達到有效保護生態環境的效果。

3 展望

腐植酸類物質在改善土壤環境和生產肥料中的應用，特別是作為吸附劑來吸附石油和石油產品，以及重金屬污染土壤的修復研究更具有發展前景。因此，腐植酸類物質是改良土壤和生產肥料的寶貴資源。但是，從目前的情況看，還應從以下方面研究：（1）腐植酸改良土壤的作用機理的研究；（2）腐植酸功能性肥料的研發；（3）具有改良土壤和肥料增效的新型再生腐植酸研究與應用；（4）研究建立改土和肥料用腐植酸選用的標準體系；（5）研究建立產學研相結合腐植酸研發體系，加速腐植酸產品的產業化。

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