淺談腐植酸在土壤改良中的應(yīng)用

佘 歡 吳雨函

（1.四川大學(xué)錦城學(xué)院 四川成都 611731；2.四川黑璞生物科技有限公司 四川攀枝花 617000）

從化學(xué)結(jié)構(gòu)的角度分析，腐植酸是以芳香族為基礎(chǔ)組合形成的高分子混合物，是一種有機(jī)弱酸。從化學(xué)特性的角度分析，其具有良好的生物活性，能夠同其他多種類型的物質(zhì)發(fā)生絡(luò)合、交換等反應(yīng)。天然生成的各種腐植酸主要分布在土壤中，相關(guān)的研究表明，腐植酸是土壤有機(jī)質(zhì)的主要組成部分之一，其在土壤中的平均含量小于1%[1]。在咸水和淡水中也存在大量的腐植酸，但是其平均濃度更低。在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)用的腐植酸是熱值較低的煤炭類腐植酸，廣泛分布于泥炭、褐煤以及風(fēng)化煤之中，這些是工業(yè)生產(chǎn)過程中提取腐植酸的主要來源。現(xiàn)階段相關(guān)部門發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，我國已經(jīng)探明的資源儲量：泥炭的儲量為50 億噸，褐煤的儲量為1 265 億噸，風(fēng)化煤的儲量為1 000 多億噸。

腐植酸這一特殊的高分子混合物中包含了超過20 種官能團(tuán)，因此其能夠?qū)崿F(xiàn)多種類型的化學(xué)反應(yīng)，在實(shí)踐過程中具備多種用途。20世紀(jì)80年代，我國相關(guān)科學(xué)技術(shù)人員開始深入研究腐植酸在農(nóng)業(yè)種植過程中所發(fā)揮的積極作用并取得了一系列豐碩的成果。本文分析總結(jié)了過去一個時間段內(nèi)與腐植酸相關(guān)的研究成果，進(jìn)一步概括綜述了腐植酸在土壤改良過程中所發(fā)揮的積極作用，為腐植酸在農(nóng)業(yè)種植和環(huán)保方面的進(jìn)一步應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。

1 腐植酸保水劑應(yīng)用

1.1 基本應(yīng)用原理

土壤保水劑在實(shí)踐過程中能夠發(fā)揮保水作用的根本原因，是自身特殊的分子結(jié)構(gòu)。土壤保水劑通常是具有獨(dú)特三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠吸收大量的雨水和灌溉水，并在此后的一段時間內(nèi)逐步將水資源釋放出來，進(jìn)而保證植物獲得充足的水資源。相關(guān)的研究結(jié)果表明，保水劑在土壤之中應(yīng)用時主要能夠發(fā)揮四個方面的作用。

（1）自身能在水資源較為豐富的環(huán)境中大量吸水，并在環(huán)境中水資源減少時不斷釋放水資源。

（2）提升土壤的水土保持能力。

（3）提高植物對肥料的利用率。

（4）能夠?qū)Ω鞣N植物的水資源利用產(chǎn)生一定的調(diào)節(jié)作用[2]。

從物理化學(xué)層面對腐植酸進(jìn)行分析，其是一種膠體，微觀結(jié)構(gòu)為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)中包含大量的親水基團(tuán)，能夠有效地與水分子形成氫鍵，并在這一過程中吸收大量的水分。依據(jù)相關(guān)科學(xué)研究，腐植酸的平均吸水率可達(dá)到500%，是土壤顆粒吸水性能的10 倍。腐植酸在大量吸水之后自身結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗z，能夠?qū)崿F(xiàn)對水分子的有效固定，避免了水分子在較短的時間內(nèi)快速流失，有效地降低了水分的蒸發(fā)速率，表現(xiàn)出了較為優(yōu)異的保水效果。腐植酸類保水劑的優(yōu)勢還體現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)的吸水效果，即其在吸水、釋水、干燥之后能夠再次實(shí)現(xiàn)吸水。相關(guān)研究人員對腐植酸的吸水效果進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，其有效吸水倍率為615 倍，綜合保水效果隨著使用次數(shù)的增加而下降，在重復(fù)使用5 次后保水效果降為原來的68%。

1.2 腐植酸混合作用

近年來，隨著對腐植酸及相關(guān)產(chǎn)物的研究不斷深入，相關(guān)研究結(jié)果表明，將該類物質(zhì)引入到保水劑中能夠有效發(fā)揮以下三個方面的作用。

（1）顯著降低保水劑的制造成本。

（2）對保水劑的耐鹽和吸水性能有較好的改善作用。

（3）能夠有效刺激農(nóng)作物的生長[3]。

有研究采用以褐煤為原料制備的腐植酸，通過相關(guān)的工藝制備保水劑，對其成品進(jìn)行相關(guān)測試發(fā)現(xiàn)，保水劑具有良好的吸水效果，且隨著保水劑中腐植酸濃度的增大，保水劑的綜合性能得到了有效的提升。腐植酸的使用還顯著改善了保水劑的耐鹽性能。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)證實(shí)，腐植酸的使用能夠增強(qiáng)植物對光和水分子的利用率。在水分較為充足的環(huán)境中，腐植酸刺激農(nóng)作物生長的作用更為明顯。

2 腐植酸液態(tài)地膜應(yīng)用

地膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著較為廣泛的應(yīng)用，能夠發(fā)揮保溫、防凍、保水等多個方面的作用，對農(nóng)作物的增收有著非常重要的作用。現(xiàn)階段，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用的地膜通常為聚乙烯地膜，其在使用過程中存在回收利用困難、容易造成白色污染等問題。腐植酸技術(shù)的快速發(fā)展為破解地膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所形成的困局創(chuàng)造了全新的途徑。借助褐煤、釀酒廢液、淀粉廢液等原材料，結(jié)合各種類型的木質(zhì)素和微量元素，能制備可降解液態(tài)地膜。相關(guān)的實(shí)踐研究結(jié)果表明，液態(tài)地膜在應(yīng)用過程中能夠顯著提升地面溫度，抑制水分蒸發(fā)。與不使用地膜相比較，液態(tài)地膜的應(yīng)用產(chǎn)生了增產(chǎn)、抗旱以及催熟的效果，并且不會產(chǎn)生環(huán)境污染問題。液態(tài)地膜已經(jīng)成為未來一段時間我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展過程中重點(diǎn)應(yīng)用的技術(shù)之一。

3 腐植酸在鹽堿地中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用范圍

目前我國西北、華北以及東北地區(qū)分布有大量的鹽堿地，根據(jù)鹽堿地的pH值，可以將其劃分為輕度、中度以及重度鹽堿地。鹽堿地由于土壤的含鹽量過高，植物無法有效吸收土壤中的水分，或者是土壤中某一種離子的濃度遠(yuǎn)大于其他離子的濃度，使得植物無法正常吸收其他離子，對植物的正常生長造成了較大的損害。消除鹽堿地中的過量離子是改善鹽堿地的有效方式，得益于腐植酸自身特殊的物質(zhì)構(gòu)成和結(jié)構(gòu)，其是用于鹽堿地改良的優(yōu)良改良劑。

3.2 應(yīng)用原理

腐植酸是一種帶負(fù)電的膠體物質(zhì)，其在與土壤作用的過程中能夠同土壤中的陽離子相結(jié)合，進(jìn)而有效地發(fā)揮隔鹽和吸鹽的作用，降低土壤中各種鹽分的含量。腐植酸是一種弱酸，能夠與土壤中的陽離子發(fā)生反應(yīng)進(jìn)而轉(zhuǎn)化成腐植酸鹽，其能夠發(fā)揮較好的緩沖作用，有效地調(diào)節(jié)土壤的酸堿度。相關(guān)研究結(jié)果顯示，腐植酸對各種類型的礦物質(zhì)的交換能力是土壤的5 倍以上。腐植酸良好的保水效果能夠有效降低鹽堿地的水分蒸發(fā)和流失速率，對于提升農(nóng)作物產(chǎn)量發(fā)揮了非常重要的作用。相關(guān)學(xué)者的專業(yè)研究數(shù)據(jù)表明，腐植酸在鹽堿地中的應(yīng)用能夠有效降低土壤中鈉離子的含量，提升農(nóng)作物的成活率。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，通常將腐植酸和脫硫石膏結(jié)合制作專用的改良劑，其能夠有效調(diào)節(jié)土壤的酸堿度。腐植酸為一種有機(jī)物質(zhì)，其在土壤中的應(yīng)用還能夠強(qiáng)化土壤的有機(jī)活性，提升土壤中各種微生物的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對土壤的有效改良。

4 腐植酸在重金屬污染土壤中的應(yīng)用

4.1 重金屬污染

重金屬污染是人類在社會生產(chǎn)過程中將含有重金屬的各種物質(zhì)輸入到土壤中，日積月累造成了某一地區(qū)土壤中的重金屬含量顯著高于其他地區(qū)，并使土壤質(zhì)量下降，生態(tài)環(huán)境惡化，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來諸多負(fù)面影響的一種現(xiàn)象。重金屬污染形成的主要原因有兩種：一是在工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水未經(jīng)過有效的處理就排放到外部環(huán)境中，在雨水以及河流的匯集作用下，最終使重金屬元素富集到某一區(qū)域的土壤中，造成了土壤的重金屬污染；二是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中過量使用各種類型的農(nóng)資產(chǎn)品，進(jìn)而導(dǎo)致了土壤重金屬超標(biāo)。依據(jù)我國統(tǒng)計部門發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段我國受重金屬污染的土地面積在逐步擴(kuò)大，截至2018年，我國受重金屬污染的土地面積占土地總面積的16.1%，受重金屬污染最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)楦兀湮廴久娣e占比達(dá)到了20%。土壤重金屬污染在形成過程中具有一定的隱蔽性，無法在較短時間內(nèi)直接有效地判斷土壤被污染的狀況。并且，土地一旦遭受重金屬污染就很難恢復(fù)，短時間內(nèi)無法有效地消除土地的重金屬污染，將長期對環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來一定的負(fù)面影響。土壤重金屬污染的不斷加重會對地下水、地表水以及農(nóng)作物等產(chǎn)生一定的影響，在食物鏈的富集作用下將對人體健康造成較大的危害。針對我國土壤的重金屬污染狀況，國務(wù)院相關(guān)部門在2016年制定了相關(guān)的計劃用于改良受重金屬污染的土地，保證土壤的安全合理利用。

4.2 應(yīng)用原理

在生產(chǎn)實(shí)踐過程中已經(jīng)探索出了多種改善重金屬污染的方法，包括物理法、化學(xué)法、工程技術(shù)法以及生物法等。其中，應(yīng)用效果較好的方法為化學(xué)法。這一方法的具體操作過程是向受污染的土地中增加改良劑，以此有效改變土壤的理化性質(zhì)，借助相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)使土壤中的重金屬離子實(shí)現(xiàn)沉淀或降低各種重金屬的影響力。

腐植酸具有多種化學(xué)特性，能夠同多種物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)、絡(luò)合反應(yīng)、離子反應(yīng)等。其作為改良劑的有效組成成分被投入到土壤中時，能夠通過絡(luò)合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對各種離子的有效固定，減少農(nóng)作物對重金屬離子的吸收量，消除重金屬對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和自然環(huán)境帶來的諸多負(fù)面影響。深入分析總結(jié)相關(guān)的研究文獻(xiàn)，腐植酸主要從以下幾種渠道實(shí)現(xiàn)對重金屬污染的消除。

（1）通過離子反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對重金屬離子的還原，將其轉(zhuǎn)化為植物無法直接吸收的螯合物，消除重金屬離子對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的負(fù)面影響。

（2）通過與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)生成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體（生成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的反應(yīng)過程極為復(fù)雜，現(xiàn)階段的研究表明這一反應(yīng)過程蘊(yùn)含了氫鍵的生成、靜電吸附等機(jī)理），實(shí)現(xiàn)對重金屬離子的有效吸附，避免其被植物吸收。

（3）優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)組成，提升土壤中各種微生物的活性，壓縮重金屬離子的活動空間及活動能力。腐植酸作為一種有機(jī)酸，能夠與土壤中的有機(jī)物、微生物和植物形成一定的聯(lián)動效應(yīng)，強(qiáng)化對土壤中重金屬的吸收能力，實(shí)現(xiàn)對受污染土壤的有效修復(fù)。腐植酸應(yīng)用于受污染土地中還能夠顯著提升土壤肥力，并避免在對重金屬污染的治理過程中生成二次污染，具有良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

4.3 應(yīng)用效果

近期的相關(guān)研究也表明，腐植酸對不同重金屬離子的吸收和處理能力存在一定的差異，從不同原材料中提取出的腐植酸對同一種類型的重金屬離子的處理效果也呈現(xiàn)出一定的差異，如從風(fēng)化煤中提取的腐植酸能夠顯著降低土壤中的鉛含量、由泥煤之中所提取的腐殖酸可以吸收土壤中的汞。土壤的酸堿度也會對腐植酸的改良效果產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)土壤呈現(xiàn)一定的酸性時，腐植酸對銅、鋅等重金屬的處理效果明顯提升。綜上所述，在采用腐植酸改良土壤時，應(yīng)綜合考慮各個方面的因素，進(jìn)而采用最適宜的改良方法。

5 腐植酸應(yīng)用建議

5.1 完善行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

針對土壤改良應(yīng)用中不同腐植酸產(chǎn)品效果差異大的問題，需要加強(qiáng)針對鹽堿地改良、重金屬陽離子鈍化、退化土壤結(jié)構(gòu)改良和有機(jī)無機(jī)復(fù)合肥等不同應(yīng)用途徑和范圍的腐植酸產(chǎn)品的研發(fā)，特別是相關(guān)產(chǎn)品的加工技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)，并通過中國腐植酸工業(yè)協(xié)會等行業(yè)組織建立相應(yīng)的應(yīng)用規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 加大資金投入，豐富相關(guān)產(chǎn)品類型

針對煤炭腐植酸基礎(chǔ)產(chǎn)品種類偏少，不同地區(qū)來源和工藝生產(chǎn)的腐植酸基礎(chǔ)產(chǎn)品的有效養(yǎng)分差異大，堿法、酸法和氧化法等生產(chǎn)的腐植酸產(chǎn)品的特點(diǎn)分析等問題，需要加強(qiáng)對煤炭腐植酸的加工工藝、產(chǎn)品的理化特征、對土壤作用和生物作用效果等方面的綜合分析；同時，加強(qiáng)研究腐植酸在土壤、水體和大氣等不同界面的存在形式，腐植酸與氮磷鉀和重金屬元素的化學(xué)結(jié)合形態(tài)，腐植酸微生物降解的機(jī)理和調(diào)控途徑，關(guān)注腐植酸產(chǎn)品的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。建議國家設(shè)立相關(guān)科研專項和基金，鼓勵協(xié)會及企業(yè)積極出資開展腐植酸相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。