新時期開展腐植酸肥料“三化效應”研究勢在必行

曾憲成 李 雙

(中國腐植酸工業協會 北京 100120)

農業生產中的不合理耕作與氣候變化的明顯耦合關系，是全球碳排放失控的“元兇”之一[1]。2013年11月5日，聯合國環境規劃署在《2013年排放差距報告》中指出，農業領域產生的直接排放占全球溫室氣體的11%。于此聚焦3點：(1) 腐植酸是土壤的“生命核”，是土壤肥力的主要構效者，是土壤穩碳固碳的重要一環。2013年11月4日，中國社會科學院發布《應對氣候變化報告(2013)》中指出，土地利用變化對地球碳循環具有重要影響。1750-2011年人為排放到大氣的CO2為5450±850億噸，其中，土地利用變化排放CO2為1800±800億噸，約占全部人為源碳排放量的30%，工業碳排放的43%[2]。(2) 土壤是生命之源。土壤關系人類生存安全，土壤一旦出問題就是最大的民生問題。2014年4月17日，環保部和國土資源部發布了《全國土壤污染狀況調查公報》，土壤總超標率為16.1%。2014年12月17日，農業部發布了《全國耕地質量等級情況公報》，七成耕地質量有障礙。(3) 肥料是作物生命之乳，“莊稼一枝花，全靠肥當家”。2013年10月10日，農業部發布了《中國三大糧食作物肥料利用率研究報告》指出，三大糧食作物氮肥、磷肥和鉀肥當季平均利用率分別為33%、24%、42%。2015年3月18日，農業部發布了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，“提質增效化肥”成為必由之路。

面對農業排放、土壤污染、耕地質量下降、化肥零增長等方面的壓力，開展腐植酸肥料“三化效應”(低碳化、生態化、優質化)研究勢在必行。

1 腐植酸肥料低碳化

肥料是農業生產過程中一個重要碳排放源[3]。腐植酸肥料的低碳化對農業減排意義重大。

1.1 腐植酸本身具有低碳化屬性

土壤結構是控制和表征土壤有機碳穩定狀態的一個主要物理穩定性綜合變量，團聚體是其重要組成部分[4]。團聚體的形成及作用會使土壤結構及微生物生存的物理化學環境發生變化，進而影響土壤中有機碳分解轉化和固定[5～8]。其中，大的水穩性團聚體(>0.25 mm)含量與土壤有機碳含量呈顯著正相關性[9]。

腐植酸本身是土壤團粒的構造者。在土壤形成過程中，腐植酸與各種微生物分泌的多糖醛酸甙、粘粒礦物以及鐵、鋁的氫氧化物等，通過不同形式與各種作用力相結合，形成了各種類型的有機無機復合體[10]。同時，在各種表面電荷和作用力下，通過團聚作用而形成不同粒級的團聚體[11]。研究表明，在優化施肥基礎上施加腐植酸鉀，與農民傳統施肥相比，土壤水穩性團聚體＞0.25 mm粒級的百分含量提高16.53%[12]。團聚體的物理保護有利于減少礦化分解，提高土壤有機碳的穩定性，從而實現固碳，減少碳排放。

1.2 腐植酸與肥料生產低碳化

腐植酸肥料生產既節能又減排，低碳化效果顯著。研究表明，每施用1 kg腐植酸，可節能約62500 KJ，折合2 kg標煤，同時相應減少CO2排放5.6 kg[13]。如果按照2014年我國尿素表觀消費量5239萬噸(實物量)，全部使用腐植酸肥料，其中腐植酸含量按照5%計算，即262萬噸腐植酸/年，可節能約1.64×1014 KJ，折合523.9萬噸標煤，相應減少CO2排放29338.4萬噸。

1.3 腐植酸肥料利用率高必然低碳

腐植酸肥料提高肥料利用率效果顯著。大量科學研究和實踐證明，在等養分的情況下，腐植酸肥料比常規肥料利用率平均提高10個百分點以上，相當于肥料利用率凈增30%～40%[14]。2014年我國尿素表觀消費量5239萬噸(實物量)，按照氮肥平均利用率為33%，則實際有效用量為5239×0.33=1729萬噸。若按照加入腐植酸后利用率提高30%計算，即實際利用率33%×130%=42.9%，則實際有效用量5239×0.429=2248萬噸，相當于有效氮肥多施了2248-1729=519萬噸。同樣，腐植酸可通過提高磷肥和鉀肥利用率而減少肥料用量。如此，腐植酸提高肥料利用率，減少肥料用量，必然低碳。

1.4 腐植酸肥料減少溫室氣體排放

施用腐植酸肥料可減少CO2、SO2和NOx等溫室氣體和有毒氣體排放。研究表明，每施用1 kg腐植酸，節能約62500 KJ，折合2 kg標煤，相應少排放5.6 kg CO2[13]、0.09 kg SO2和0.7 kg NO2。按照2014年我國化肥總產量約6933萬噸(折純量)，折實物肥料約13866萬噸計算，假定全部施用腐植酸肥料，其中腐植酸含量按照5%計算(即693.3萬噸腐植酸/年)，可減少CO23863萬噸、SO258萬噸、NO2495萬噸，累積減少4416萬噸氣體排放。

1.5 腐植酸肥料維持土壤碳平衡

利用腐植酸肥料反哺土壤，可以發揮“促匯抑源”雙重作用。一方面，通過“碳補充”方式，實現“碳截留”，增加碳匯能力。工業利用腐植酸反哺土壤，可以促進土壤團聚體數量增加，提高土壤有機碳含量，增強土壤固碳能力。另一方面，通過增綠固碳，減少碳排放。腐植酸肥料可以增強植物的光合作用，從而有利于更多地吸收自然界中的CO2。研究表明，每施用1 kg腐植酸，可增加植物吸收CO2量240 kg，占總CO2減排量的98%。如果2014年全部施用腐植酸肥料，則可增加植物吸收CO2量高達166392萬噸，相當于近十萬株(929837株)成年大樹一年的吸碳量。

2 腐植酸肥料生態化

土壤生態系統的穩定性是評價土壤健康和土壤質量的重要指標[15]。腐植酸肥料可以調節生物系統、土壤系統和環境系統之間的物質循環、能量轉換和信息傳遞，提高土壤質量，改善土壤健康狀況。

2.1 腐植酸本身具有生態化效應

土壤生態系統的功能主要是指它的生產力，即土壤的有效肥力[16]。腐植酸是土壤肥力的基礎，生態化功能具足。在土壤固相組成中，除了礦物質之外，就是土壤有機質。土壤腐殖質是土壤有機質中最主要的存在形式，一般占比高達80%。腐植酸是土壤腐殖質中最活躍的組分，一般占比高達75%以上[10]。在土壤形成過程之中，“有腐植酸”三者之間密不可分。如果說，土壤有機質是土壤肥力的標志，而腐植酸作為土壤有機質的核心物質，始終貫穿于土壤肥力形成之中，說明腐植酸的優寡直接反映著土壤肥力的狀況[14]。

2.2 腐植酸肥料提升土壤質量

目前，評價土壤質量的指標主要側重于評價土壤退化和生產力，具體包括土壤物理、化學和生物學指標3個方面[17]。腐植酸肥料于土壤物理、化學和生物學屬性融合，可以有效提升土壤質量。(1) 腐植酸肥料為土壤物理性質改良提供原動力。腐植酸可有效調節和改良土壤質地[12，18]，降低土壤容重[19～23]，增加土壤孔隙度[23]，保護和改善土壤結構，增加和保持土壤有效水分[19]，調節土壤熱狀況，增加土壤通氣性能，形成有利于植物根系生長發育的良好土壤環境。(2) 腐植酸肥料調控和改善土壤的化學性質。腐植酸具有吸附、螯(絡)合、離子交換、氧化還原等功能[13]，可以調控和改善土壤的膠體性質、酸堿性、氧化還原性以及配位反應等，使土壤有機質含量增加[20，21，23]，速效養分含量提高[20，21，23]，酸堿度調節適中[24～26]，形成適宜植物生長的土壤環境。(3) 腐植酸肥料為土壤微生物注入新的活力。腐植酸可以提高土壤微生物活性，增加土壤微生物數量[22，27]，尤其在提高土壤好氧菌、放線菌、纖維分解菌等3大種群數量方面效果顯著，有利于增強土壤酶的活性[22]，加速有機物的礦化，促進營養元素的釋放[21]，改良植物根系的營養條件。

2.3 腐植酸肥料增強土壤生態功能

腐植酸肥料在增強土壤生態功能方面具有五大綜合特點，可以解決土壤養分失衡、土壤酸化、有害物質積累、生物多樣性衰退等給生態系統本身和環境帶來的巨大壓力和嚴重威脅。(1) 有助于增強肥料持效和緩釋性能，且無殘留、無污染[28～30]。(2) 減少肥料揮發和淋溶[18，31～33]。(3) 優化土壤物理化學結構，提高土壤有機質含量，調節土壤pH值，保持土壤最佳的養分動態平衡，改善土壤保水、保肥、透氣性能，過濾降解土壤中的有毒有害物質[18～26]。(4) 有利于土壤微生物區系的生態繁衍，促進土壤微生態良性循環[34～36]。(5) 促進“土壤—根系—微生物”三者之間有益的相互作用，重構無機有機生物復合體[37]。

2.4 腐植酸肥料防治土壤污染

腐植酸是凈化“土壤血統”的本源性物質，在無機污染物、有機污染物防治與修復等方面大有作為。大量研究表明，腐植酸肥料對土壤中的汞(Hg2+)[38]、鎘(Cd2+)[39～45]、銅(Cu2+)[43，46]、鋅(Zn2+)[40，46]、鉛(Pb2+)[43，45，47，48]、鉻(Cr6+)[49～51]、鎳(Ni2+)[43，52]等重金屬離子，通過離子交換、吸附、絡(螯)合、氧化還原等作用[53，54]。不同來源和種類的腐植酸，可以通過兩個相反的途徑減少土壤重金屬，一是將重金屬固定和鈍化，有效減少土壤中可溶性重金屬含量，防止被農作物吸收；二是將重金屬活化，提高植物可利用態重金屬含量，定向種植特種植物將重金屬吸收，降低土壤重金屬污染[43]。腐植酸肥料可以促進農藥降解，對降低土壤中草甘膦、乙草胺、三唑磷殘留量有顯著的促進作用[55～57]。此外，腐植酸肥料還可降低或避免其他化學試劑的引入，有效避免二次污染。

2.5 腐植酸肥料協調土壤根際環境

腐植酸是“土壤的活力素”[58]，在協調農業生產過程中與土壤根際環境(包括根際的物理、化學和生物環境與作物生長發育、抗逆性和生產力的直接關系)效果顯著[59]。大量研究表明，腐植酸肥料可以改良土壤物理、化學和生物學性質[60]，保持土壤有效養分支出量與補給量之間的平衡運轉[61]，促進主根的生長及側根的形成，提高根的吸收能力[62～64]，增強植物對逆境的抵抗能力[65，66]，提高作物產量[60，65，66]。

3 腐植酸肥料優質化

“肥料優質化”是走高產高效、優質環保、可持續發展之路，促進糧食增產、農民增收和生態環境安全的必然要求。腐植酸肥料與土壤有機質最優良，于化肥提質最和諧，于糧食品質改善最直接，是綠色安全的優質肥料。

3.1 腐植酸本身是優良的有機質

凡是有機質不一定是腐植酸，凡是腐植酸一定是最好的有機質[14]。我們必須深刻認識到，工農業副產的有機質不一定安全。隨著農業生產方式發生的根本性轉變，現代有機肥已經不同于傳統有機肥。如人畜糞便、秸稈、動物殘體等傳統有機物已經失去了“天然本色”，生產傳統有機肥的特質已不復存在[14，67，68]。

天然腐植酸是動植物遺骸，主要是植物遺骸，經過微生物的分解和轉化，以及地球化學的一系列過程造成和積累起來的一類有機物質[69]。至今，天然腐植酸仍無法人為合成，而腐植酸工業化利用則成為必然。我國煤炭腐植酸(諸如褐煤、風化煤、泥煤等)資源豐富，種類齊全，是提取腐植酸的主要來源[14]。研究表明，煤炭腐植酸與土壤腐殖酸具有相似的物理特性、化學組成、分子結構及分子量范圍，具有一致的應用特性[70～72]。因此，煤炭腐植酸和土壤腐殖酸二者“血源”相同，經過標準化控制的腐植酸富存的有機質一定最安全，是土壤腐殖酸的主要補充來源和潛在庫存。

3.2 腐植酸與氮磷鉀三大肥和諧共生

腐植酸是土壤肥料的主要構效者，在化肥行業出現拐點的今天，腐植酸完全可以托起化肥，提氮、解磷、促鉀，與氮磷鉀三大肥和諧共生，形成1+1>2的集合效應[73]。

腐植酸與氮肥：二者有機結合可以減少氮肥損失，抑制硝化，抑制土壤脲酶活性，減緩尿素的分解與揮發，從而提高氮肥利用率[73]。

腐植酸與磷肥：具有活化磷的作用，可以使難溶性磷轉化為枸溶性磷，使水溶性磷轉化為不易固定的可溶性磷，從而大大提高磷肥當季的利用率[73]。

腐植酸與鉀肥：具有活化鉀的功能，腐植酸增加了土壤陽離子代換能力及改善了土壤膠體性質，從而促進了作物對鉀的吸收[73]。

3.3 腐植酸肥料產品多元化

腐植酸與肥料相結合，一方面可復合多種元素，包括大量元素、中量元素、微量元素和特種元素；另一方可進行多元復合，包括一元復合、二元復合或三元復合，實現1＋1＞2的復合效果(表1)，不僅有效解決了目前我國化肥生產存在的品種單一、低濃度品種居多、營養元素種類少、不能滿足植物生長所需的多種元素等問題，還省時省工，降低了生產成本[14]。

3.4 腐植酸肥料開發空間巨大

腐植酸與肥料結合條件優越：(1) 活性基團豐富。腐植酸是一類大分子有機弱酸聚合物，其可能的結構如圖1所示[53]。腐植酸含有多種官能團，如酚羥基、醇羥基、羰基、甲氧基、醌基等，這些活性基團決定了腐植酸的酸性、親水性、離子交換性、絡合能力及較高的吸附能力等[33]，使其具有很強的化學活性和生理活性。(2) 分子量范圍大。腐植酸主要由小分子黃腐酸、中大分子棕腐酸和高分子黑腐酸三個組分構成，分子量從幾百到幾百萬，變化范圍巨大。(3) 研發空間廣闊。根據不同區域、不同土壤、不同作物、不同耕作方式等，充分利用不同來源腐植酸的差異及其組分、結構和功能特點，可以實現專一化、差異化、多元化肥料產品開發[61]。

3.5 腐植酸肥料提高作物品質

腐植酸肥料在改善農產品品質方面擔當著重要角色。一方面，腐植酸肥料可以提高營養物質的含量，如淀粉、蛋白質、氨基酸、可溶性糖、維生素、有益元素等；另一方面，腐植酸肥料可以降低有害物質殘留，如某些重金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、殘留農藥等，改善農產品品質。

研究表明，腐植酸在改善作物品質方面具有很好的效果，可以滿足老百姓對農產品品質越來越高的要求[74]。例如，腐植酸肥料可以提高水稻[75～77]、小麥[78，79]、玉米[80]、甘薯[75，81，82]、馬鈴薯[83，84]等糧食作物的蛋白質、淀粉、可溶性糖、Vc含量等。腐植酸肥料可以提高番茄[85～88]、黃瓜[89，90]、生菜[91～93]等蔬菜作物中可溶性糖、可溶性固形物、Vc等含量，降低亞硝酸鹽含量。腐植酸肥料可以提高草莓[94]、葡萄[95]、蘋果[96]等水果中蛋白質、Vc及可溶性糖的含量，降低總酸度，提高糖酸比，改善口感等。腐植酸肥料提升茶葉中游離氨基酸、咖啡堿、水浸出物含量, 增加可溶性糖含量，下調酚氨比[97～99]；提高烤煙的感官質量，提高烤煙總糖、還原糖、總植物堿、石油醚提取物、蛋白質、鉀等含量[100～102]；促進甘蔗糖分增加[103]等，改善經濟作物品質效果顯著。

表1 腐植酸的復合效應及產品Tab.1 Compound effect of humic acid and its products

圖1 腐植酸可能的分子結構Fig.1 Possible molecular structure of humic acid

聯合國氣候變化報告警告：全球在2100年之前實現零排放，2050年前必須實現減排40%至70%。我國到2020年化肥使用量實現零增長，通過向土壤反哺腐植酸，讓化肥減量，腐植酸肥料增量，確保土壤和糧食安全，著力開展腐植酸肥料“三化效應”研究勢在必行。

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