秸稈源黃腐酸應用效果研究

尹麗華 周恒民 李洪嶺 宋玉杰 張 亮 薛 輝 董 岳

山東泉林集團有限公司 高唐 252800

進入21世紀以來，中國農業在快速發展的同時，也出現了一系列嚴峻的問題。國家經濟發展，促使農村家庭燃料結構變化，農作物秸稈作為燃料使用也越來越少，而推廣秸稈直接還田技術難度大、工程量大且效益較差，效果也不理想，導致秸稈隨意棄置和焚燒，給環境帶來巨大的危害[1]，急需找到兼具科學性、能推廣、易復制的秸稈綜合利用新模式。另外，現階段我國農業處于“石油農業”時代，過量和不合理施用化肥、農藥帶來的農業環境污染、耕地退化、農產品品質下降等問題日益嚴重，急需找到攻克這些問題的方法。通過對大量文獻的閱讀、分析，總結了近年來我國秸稈綜合利用和肥料施用現狀、秸稈源黃腐酸研究的意義、黃腐酸作用原理、秸稈源黃腐酸的性能研究、秸稈源黃腐酸產品應用實證案例等，以期為秸稈源黃腐酸的農業應用提供參考。

1 全國秸稈綜合利用和肥料施用現狀

1.1 秸稈綜合利用現狀

我國是農業大國，據國家發展改革委、農業農村部評估，2015年全國秸稈理論資源量約10.4億噸，可收集資源量約為9億噸[2]。農作物秸稈是一種寶貴的可再生資源，但是長期以來由于受消費觀念和生活方式的影響，我國農村秸稈資源完全處于高消耗、高污染、低產出的狀況，相當多的一部分農作物秸稈被棄置或焚燒，沒有得到合理的開發利用[3]。目前秸稈利用的主要方式是還田，雖然具有一定的正面效果，但長期過度、過量還田易造成病蟲害積累、增加農藥及化肥用量等系列問題[4]。除還田外，秸稈還可作為肥料、飼料、工業原料、燃料和食用菌基料等，但由于產業化水平差，收儲體系缺乏，高值化利用率低，導致農戶秸稈離田積極性不高，科學離田綜合利用成為各地政府的當務之急[2]。

1.2 肥料施用現狀

肥料的施用從很大程度上促進了我國糧食的生產。20世紀90年代，我國的化肥投入開始直線增長，然而糧食產量卻跟不上化肥的增長，據相關統計研究，從1996年到2009年，化肥使用量增長了41.2%，而糧食總產量卻只增長了5.1%[5]。目前，我國已成為世界上最大的化肥生產國和消費國，耕地面積僅占世界耕地總面積7%的中國消費了接近世界1/3的肥料[6]，單位面積用量是世界平均水平的3.7倍[7]。化肥利用率低以及施用的不合理，不僅造成了化肥的浪費，還對環境造成了嚴重污染（土壤污染、水體面源污染以及大氣污染等），更使農產品品質急劇下降[8]。

2 秸稈源黃腐酸研究的意義

目前市場上的黃腐酸大部分是從礦物中提取的礦物源黃腐酸，另外還有一小部分是通過生物發酵的方式制備的生物源黃腐酸。前者原料為不可再生的礦產資源，黃腐酸含量低，且生產過程需要大量酸堿等化工產品，制作成本高，對周圍環境不利[9]；后者采用生物發酵工藝，影響因素過多，產品質量不穩定[10]。

2.1 技術突破解決秸稈高效循環利用[11]

目前通過技術突破，利用工業化的方式處理農作物秸稈，提取黃腐酸，對秸稈綜合利用、開拓秸稈源黃腐酸利用新途徑及農業可持續發展有重要意義。作為“泉林模式”重要組成部分的秸稈源黃腐酸生產技術，創造性地將秸稈木質素通過秸稈置換蒸煮過程，降解磺化為黃腐酸，并采用高溫高壓、負壓濃縮、噴漿造粒等先進技術，將黃腐酸進一步分離提純，剩余副產品——秸稈纖維素用于本色漿紙制品、可降解地膜及纖維素乙醇的生產，真正實現了秸稈資源的高效循環利用。該技術一方面突破了傳統秸稈制漿黑液處理的技術瓶頸，將投入型環保轉化為環境正效益；另一方面用工業化手段，構建農業體系良性循環，實現秸稈高值化利用、工業化還田，開創了從秸稈中直接提取黃腐酸的技術先河，解決了礦物源黃腐酸原料稀缺、制作成本高等難題，實現了秸稈源黃腐酸在農業中的廣泛應用。

2.2 增效化肥農藥，助力生態農業可持續發展

黃腐酸作為一種多維空間結構的高分子有機物，對肥料具有提氮、解磷、促鉀、融合多元的作用，可有效提高肥料利用率。黃腐酸還可通過乳化、增溶、吸附、絡合及本身的抑菌抗病作用，實現增效緩釋農藥，降低農藥的使用量。以2016年全國化肥施用量（折純）5984.1萬噸為例（數據來自2017年中國統計年鑒），按化肥減量20%計算，一旦全部使用秸稈源黃腐酸肥料，可減少化肥施用量（折純）1196.82萬噸。

2.3 有效改良土壤，大幅度提高耕地質量

目前，我國耕地主要存在的問題有：耕地總體質量較差、退化嚴重、污染嚴重、營養流失嚴重等。因此，急需找出提高耕地質量的有效措施[12]。秸稈源黃腐酸開創了一條沃土新途徑，實現秸稈的工業化還田，使土壤越來越肥沃，助力高標準農田建設，從而確保糧食安全、農產品品質提高。黃腐酸分子中氧含量相對較多，碳含量相對較少[13]，其分子結構中含有苯環、稠苯環及多類雜環，且各環之間由橋鍵相連，酚羥基、羧基、甲氧基、酮基、磺酸基等多類官能團存在于環及支鏈中[14]。因此，黃腐酸是腐植酸中陽離子交換能力、螯合能力以及吸附能力最強的組分[15]，可有效改良土壤。

3 黃腐酸作用原理

黃腐酸是一種分子量較小，稀溶液呈黃色或棕黃色的芳香族類混合物，它的諸多特征決定了其在農業領域對作物、肥料、農藥及土壤的正向作用。

3.1 黃腐酸促進作物生長

由于黃腐酸分子中含有生長素類物質，可作為一種天然植物生長調節劑，促進作物根系發育，提高作物對微量元素的吸收、運轉能力，達到刺激作物生長的效果[16]。但黃腐酸結構比較復雜，作為生長調節劑類似物和對抗氧化酶作用的分子機理尚不清楚，還需進一步研究。黃腐酸是一種優良的絡合劑，絡合體內有害物質排出體外；抑制體內有害生物的生長繁衍，維持機體內有益菌群占據主導優勢，增強機體對營養的吸收和轉化，提升品質[17]。黃腐酸可使作物體內脫落酸含量升高，而脫落酸作為生長抑制劑可縮小作物葉片氣孔開張度，減少水分蒸騰，同時促進根系發育，提高根系活力，進而增強作物抗干旱能力；黃腐酸活性成分可能啟動抗寒基因，誘導作物產生抗寒蛋白質，提高作物抗寒能力；另外由于黃腐酸中含有多種苯羧酸類物質，這類物質與一些農藥有效成分相同，所以對作物某些病害可以產生有效的免疫力，提高作物抗病能力[18]。

3.2 黃腐酸提質增效化肥

黃腐酸含有羧基、羥基、酚羥基等官能團，有較強的絡合、螯合和表面吸附能力，能減少銨態氮的損失；增加磷在土壤中移動距離，抑制土壤對水溶性磷的固定，使無效磷轉化為有效磷，促進根系對磷的吸收；吸收存儲鉀離子，提高有效鉀的含量；螯合中微量元素，促進中微量元素的轉移和吸收。

3.3 黃腐酸增效農藥

由于黃腐酸分子結構特殊和活性高等特點，因此黃腐酸擁有表面活性劑的一些特征，如降低表面張力等。黃腐酸與化學農藥配伍后，相互發生離子交換、絡合配位、氫鍵締合、物理化學吸附等作用，形成新的有機復合體系，具有緩解農藥分解、延長作用時間、減少噴施次數、提高藥效等作用，從而減輕環境污染，有利于農業可持續發展[19]。

3.4 黃腐酸改良土壤

黃腐酸作為一種有機膠體物質，可通過改善土壤團粒結構、增強土壤保水保肥性、調節土壤酸堿度等作用實現對耕地土壤的改良修復。在我國西北、東北、華北等地區的鹽堿地中，長期施用黃腐酸后，土壤團聚體、水、肥、氣、熱等狀況均得到明顯改善，并且表土鹽分明顯降低，酸堿度得到改善，土壤交換量增大，為作物創造出一個適宜的生長環境[17]。

4 秸稈源黃腐酸的性能研究

從分子結構看，秸稈源黃腐酸與礦物源黃腐酸相近，其分子量更小，是一類多價酚型芳香族化合物的復雜混合物，其中羧基、酚羥基為主要官能團，其余含量較少[19，20]。

4.1 秸稈源黃腐酸的分子結構特征研究[21]

對秸稈源黃腐酸的分子結構特點進行了充分研究，同時與礦物源黃腐酸、其他生物源黃腐酸進行了對比分析。主要研究手段為利用紅外光譜、核磁共振氫譜和碳譜、熒光光譜等對3種樣品進行定性分析。綜合3種樣品數據，分析得出：秸稈源黃腐酸含有羥基、羧基、酚羥基、甲氧基等活性官能團，與礦物源黃腐酸結構相似，較其他生物源黃腐酸含有更多的活性官能團，有明顯的芳香族特性。

4.2 秸稈源黃腐酸生物活性研究

從分子結構角度分析，秸稈源黃腐酸、礦物源黃腐酸與其他生物源黃腐酸雖外觀及物理性質相近，但分子結構存在著差異性，導致三者在實際應用的生物活性上表現出顯著差異。“泉林集團”委托天津農業科學研究院開展田間試驗進行證實，結果如下：常規施肥條件下，分別增施等量的秸稈源黃腐酸、礦物源黃腐酸、其他生物源黃腐酸，相對比常規施肥產量，畝增產量、增幅分別為55.2 kg、8.84%，50.9 kg、8.16%，48.2 kg、7.72%，增產順序為：秸稈源黃腐酸>礦物源黃腐酸>其他生物源黃腐酸。這也從側面說明工業化生產的秸稈源黃腐酸在促進作物生長，增加營養物質向籽粒轉移等方面活性更強[14]。

5 秸稈源黃腐酸產品應用實證案例[21]

為進一步驗證秸稈源黃腐酸的應用效果，以“泉林集團”為首，聯合中國農業科學院、中國腐植酸工業協會腐植酸質量檢測中心（太原）和山東、福建、河北及新疆農業科學院等多家科研單位開展長期田間定位試驗，對秸稈源黃腐酸肥料（嘉有黃腐酸水溶肥料）的應用效果進行了實證性檢驗。根據試驗的結果，“泉林集團”不斷修正產品與配方，繼而將成熟的經驗進行大面積的推廣，以期取得良好的社會效益、生態效益及經濟效益。

5.1 秸稈源黃腐酸對作物的增產作用

中國農業科學院德州試驗站經田間試驗得出：在相同化肥施用量條件下，增施秸稈源黃腐酸肥料可顯著提高大棚蔬菜黃瓜、西紅柿、辣椒、西葫蘆的產量，增加農民收益。在黃瓜上施用秸稈源黃腐酸肥料：與對照相比，每畝沖施10、20 kg，畝增收362.9～448.7 kg，增幅12.67%～15.67%。在西紅柿上施用秸稈源黃腐酸肥料：與對照相比，每畝沖施10、20 kg，無效花和腐敗果減少，單果重平均增加5.26%～9.67%，每畝增收725～2407 kg，增幅4.83%～10.68%，畝增收益2537.5～8425.9元。在辣椒上施用秸稈源黃腐酸肥料：與常規施肥相比，隔次沖施20 kg/667 m2，單株結椒數量增加1.9個、單椒長度增加0.8 cm、果肉厚度增加0.02 cm，單椒增重5.3 g、畝產量增加824.8 kg、增幅12.8%。在西葫蘆上施用秸稈源黃腐酸肥料：與對照相比，每畝增施50 kg，單株結果數提高0.8個，單株平均產量增加0.49 kg，畝產量增加1182.6 kg，增產幅度為13.0%，畝增收益3547.8元。山東省農業科學院經田間試驗得出：在相同化肥施用量條件下，增施秸稈源黃腐酸肥料對冬小麥、夏玉米具有明顯增產作用。常規施肥條件下每畝增施秸稈源黃腐酸肥料10 kg，冬小麥畝穗數增加2.1萬，增幅為4.4%；穗粒數增加0.9粒，增幅3.5%；畝增產41.7 kg，增幅8.8%。夏玉米穗粒數增加18.1粒，增幅3.8%；千粒重增加0.9 g，增幅0.3%；畝增產40.2 kg，增幅8.1%。可見，秸稈源黃腐酸對作物增產、農民增收作用顯著。

5.2 秸稈源黃腐酸對作物的提質作用

中國農業科學院德州試驗站經田間試驗得出：在相同化肥施用量條件下，增施秸稈源黃腐酸肥料，可改善大棚蔬菜西紅柿、辣椒、西葫蘆的品質。在西紅柿上施用秸稈源黃腐酸肥料：與對照相比，每畝沖施10、20 kg，果形大而整齊、色澤鮮亮。在辣椒上施用秸稈源黃腐酸肥料：與常規施肥相比，隔次沖施20 kg/667 m2，可溶性糖含量增加0.74%、增幅19.4%，Vc含量增加7.9 mg/100 g、增幅8.1%。在西葫蘆上施用秸稈源黃腐酸肥料：與對照相比，每畝增施160 kg，畸形果率降低1.5%。中國腐植酸工業協會腐植酸質量檢測中心（太原）試驗數據表明：作物施用秸稈源黃腐酸肥料后，對人體有益的指標（SOD活性、POD活性、可溶性糖含量、Vc含量、蛋白質含量）均上升，對植株及人體有害的指標（活性氧負離子、丙二醛）均下降。與對照相比，SOD活性在茄子、黃瓜、桑葚果上增長133%、118%、21.5%，POD活性在茄子、黃瓜、桑葚果上增長205%、218%、33.4%，可溶性糖含量在茄子、黃瓜、桑葚果上增長303%、182%、56.7%，總蛋白含量在黃瓜、玉米、桑葚果上增長199%、105%、21.7%，Vc含量在桑葚果上增長25%。活性氧負離子產生速率在蘿卜和玉米上降低75%、54%，丙二醛含量在蘿卜和黃瓜上減少67%、45%。可見，秸稈源黃腐酸改善作物品質效果突出。

5.3 秸稈源黃腐酸對化肥減量增效作用

山東省農業科學院通過兩年的定位試驗得出：秸稈源黃腐酸肥料可減量增效化肥，常規化肥減量20%，依然可保障小麥、玉米穩產增產。常規化肥減量20%，畝增施秸稈源黃腐酸肥料10 kg，小麥畝穗數增加0.4萬，增幅0.8%；穗粒數增加0.8粒，增幅3.1%；畝增產19.4 kg，增幅4.1%。玉米穗粒數增加1.0粒，增幅0.2%；千粒重增加0.2 g，增幅0.1%；畝增產0.5 kg，增幅0.1%。可見，秸稈源黃腐酸可減量增效化肥。

5.4 秸稈源黃腐酸對農藥的增效作用

山東省農業科學院經試驗證明：久效磷使用量300克/公頃時，蚜蟲死亡率為30.04%；添加5 μg/mL秸稈源黃腐酸肥料的久效磷的蚜蟲死亡率為72.71%，增效2.40倍；添加秸稈源黃腐酸肥料濃度為25 μg/mL時，蚜蟲死亡率為96.33%，增效3.21 倍；秸稈源黃腐酸肥料的添加濃度增加到250 μg/mL時，蚜蟲死亡率反而比添加濃度為25 μg/mL時略有降低，為82.40%，增效2.74倍。可見，適宜濃度的秸稈源黃腐酸可增效農藥。

5.5 秸稈源黃腐酸對土壤的改良修復作用

通過福建、河北及新疆3個省級農業科學院在茶葉、葡萄及棉花上的試驗，得出秸稈源黃腐酸肥料可以有效地調節土壤pH，提高土壤中有機質含量，降低鹽漬化土壤的鹽含量。從試驗數據可知，秸稈源黃腐酸肥料能夠有效緩解土壤過酸或過堿的情況（黃腐酸肥料產品適合堿性土壤，黃腐酸鹽類產品適合中性或酸性土壤，以此調酸調堿），同時能夠使土壤中有機質含量提高12.74%，極顯著地降低土壤鹽漬化。可見，秸稈源黃腐酸可改良修復土壤。

6 結論

通過儀器分析秸稈源黃腐酸，并與礦物源黃腐酸和其他生物源黃腐酸對比得知，秸稈源黃腐酸分子中含有芳香族結構，且分子量更小、活性官能團更多，說明其具有更好的生物活性。

經過試驗證實，秸稈源黃腐酸產品在農業實踐應用中具有刺激作物生長、增效化肥農藥、改良修復土壤等作用，可以系統化地解決當前中國農業面臨的諸多難題，再結合系統化的產品開發，形成一系列的應用技術模式，為有效解決我國經濟發展與自然環境之間的矛盾貢獻力量。