農(nóng)田土壤中腐植酸的補(bǔ)給

Michael Susic 著

楊明慧2 孫志梅3* 譯

1 澳大利亞昆士蘭州格拉斯豪山普爾路17b號(hào)Biogon Pty有限公司 澳大利亞 4518

2 北京農(nóng)學(xué)院植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 北京 102206

3 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 保定 071000

腐植酸是一種來源于植物的棕黑色聚合酸，廣泛存在于地球表面。腐殖質(zhì)一詞最初是指土壤中所有植物來源的有機(jī)化合物的統(tǒng)稱，腐植酸則是指土壤、植物、藻類、真菌、沉積物以及陸地和海洋水域中存在的棕黑色、聚合、堿溶性的酸。

腐植酸對(duì)土壤肥力有貢獻(xiàn)，這一事實(shí)自古以來就得到了認(rèn)可。盡管腐植酸很容易與土壤結(jié)合，對(duì)微生物的代謝分解有很強(qiáng)的抵抗力，可以在土壤中較長(zhǎng)時(shí)間存留，但它們會(huì)因風(fēng)蝕、水蝕以及水的淋失而導(dǎo)致在土壤中的含量下降。因此，補(bǔ)給土壤中的腐植酸以保持或提高土壤肥力很重要。自1786年（第一次從德國的泥炭沼澤中提取出腐植酸）對(duì)腐植酸的研究取得一定進(jìn)展后，腐植酸的重要性變得越來越明顯。它們不僅對(duì)土壤肥力發(fā)揮著重要作用，而且也是油頁巖、泥炭、瀝青、石油和煤等的前體物質(zhì)，通過與金屬和有機(jī)物的絡(luò)合作用影響農(nóng)業(yè)環(huán)境，從而影響著重金屬、農(nóng)藥和除草劑的毒性。

在過去150年左右的時(shí)間里，天然形成的有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)通常在它們被發(fā)現(xiàn)后的幾十年內(nèi)就被闡明了，而腐植酸的情況則截然不同。甚至在20世紀(jì)80年代中期，關(guān)于腐植酸主要是脂肪族還是芳香族這類基本問題仍然存在爭(zhēng)論。自19世紀(jì)末，特別是20世紀(jì)20年代以來，人們已經(jīng)明確腐植酸是由土壤中植物木質(zhì)素經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化而形成的。

1797年，人們從植物中提取到了腐植酸，但直到1987年才有類似的報(bào)道，當(dāng)時(shí)是無意中提取的。1989年和1991年，我們首次報(bào)道了腐植酸存在于衰老的植物和藻類物質(zhì)中，這意味著腐植酸在微生物對(duì)植物木質(zhì)素進(jìn)行任何可能的轉(zhuǎn)化之前就進(jìn)入了土壤。此后，也有了相關(guān)報(bào)道。最近，人們從不同生育階段的玉米植株中分離出腐植酸，并認(rèn)識(shí)到了腐植酸來源于植物組織。為了更好地認(rèn)識(shí)腐植酸的結(jié)構(gòu)和組成，人們對(duì)腐植酸進(jìn)行了不斷的分離純化和分析，過去簡(jiǎn)單的模型也正在被更復(fù)雜的模型所替代。在我們以前的工作中，植物中腐植酸的分析只作為環(huán)境中腐植酸分析和賦存的一個(gè)次要問題來研究，但本研究給出了一個(gè)更加全面和準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

過去使用的分析技術(shù)主要有元素分析法、紫外-可見分光光度法、紅外光譜法和核磁共振技術(shù)。與對(duì)其他有機(jī)分子的分析相比，這些技術(shù)對(duì)腐植酸的分析仍非常不精確。近年來，更先進(jìn)的熒光光譜技術(shù)得到了普遍應(yīng)用，該技術(shù)用于分析腐植酸的結(jié)構(gòu)成分，是一種特別強(qiáng)大和方便的技術(shù)方法。因激發(fā)光譜和發(fā)射光譜均出現(xiàn)在一個(gè)非常寬的范圍內(nèi)，具有高度的特征光譜（理想的3-D熒光），而且更重要的是，激發(fā)光譜和發(fā)射光譜重疊，這一現(xiàn)象似乎不會(huì)出現(xiàn)在其他有機(jī)化合物中。這就是該技術(shù)應(yīng)用于本研究的分析基礎(chǔ)。

與土壤中腐植酸的結(jié)構(gòu)不同，大多數(shù)市售的腐植酸產(chǎn)品都是可溶性的腐植酸鉀。這些可溶性鹽很容易通過降雨和灌溉從土壤中淋失，因此對(duì)土壤中腐植酸含量的長(zhǎng)期影響很小。本研究對(duì)不同來源的腐植酸和土壤腐植酸的熒光光譜進(jìn)行了對(duì)比分析，以確定這些不同來源的外源腐植酸是否有助于土壤腐植酸的補(bǔ)給。

1 結(jié)果

1.1 腐植酸的產(chǎn)率

本研究中所用的甘蔗覆蓋物得到的純化腐植酸是5.12 g（一種有光澤的黑色無定形物質(zhì)，典型的腐植酸），相當(dāng)于所用原料干物重的1.65%（w/w），這是最小的提取劑量。因其余的腐植酸與植物物質(zhì)，如蛋白質(zhì)等緊密結(jié)合在一起，進(jìn)一步提取腐植酸似乎不太可能。

來源于土壤的腐植酸（一種市售產(chǎn)品，美國密蘇里州圣路易斯市Sigma-Aldrich公司）和海藻中提取的腐植酸均未被量化。然而，我們觀察到，市售海藻提取物除了腐植酸外，幾乎無其他物質(zhì)。

1.2 腐植酸的鑒定與比較

用熒光光譜法對(duì)提取的腐植酸進(jìn)行鑒定和比較，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 從土壤、海藻提取的腐植酸和市售腐植酸（來源于風(fēng)化褐煤）的熒光光譜Fig.1 Fluorescence spectra of humic acids extracted from soil, kelp, and a commercial humic acid (sourced from Leonardite coal)

圖2 從土壤、甘蔗覆蓋物和風(fēng)化褐煤（新西蘭）中提取的腐植酸的熒光光譜Fig.2 Fluorescence spectra of humic acids extracted from soil, sugar cane mulch, and Leonardite coal (NZ)

2 討論

腐植酸很容易用傳統(tǒng)的堿溶方法從多種原料中提取出來。以前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從不同土壤類型和不同植被（如草或樹木）的土壤中提取的腐植酸的熒光光譜幾乎相同，這表明所有的土壤腐植酸都非常相似。

圖1顯示，從風(fēng)化褐煤、海藻和土壤中提取（堿溶）的純化腐植酸的熒光光譜幾乎完全相同。這個(gè)結(jié)果意味著：（1）人們通常認(rèn)為，風(fēng)化褐煤腐植酸與從土壤中提取的腐植酸是不同的，該研究結(jié)果顯示這是不正確的。（2）從海藻中提取的腐植酸（主要是腐植酸鉀的形式）與土壤腐植酸非常相似。作為一個(gè)附帶的問題，已知海藻提取物可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)的原因可能是由于激素而不是其中的腐植酸含量。（3）風(fēng)化褐煤/海藻腐植酸與土壤腐植酸的熒光光譜略有不同，這意味著這些樣品中腐植酸組成略有差異。這可以用原始植物或藻類物質(zhì)中木糖和果糖（或許還有核糖和阿拉伯糖）通過糠醛途徑生成腐植酸的差異來解釋。

圖2表明，腐植酸可以溶于有機(jī)溶劑，這早在1957年就有報(bào)道，但此后很少被關(guān)注。本研究發(fā)現(xiàn)腐植酸在有機(jī)溶劑中只會(huì)緩慢溶解，而且必須與這種溶劑接觸數(shù)小時(shí)，甚至數(shù)天。這種不同尋常的特性，是由于腐植酸分子緩慢地從高度水溶性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨扔袡C(jī)溶解性結(jié)構(gòu)造成的。這一發(fā)現(xiàn)有助于更好地研究確定腐植酸的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，因?yàn)槭褂矛F(xiàn)代儀器技術(shù)（例如液態(tài)紅外、核磁共振、質(zhì)譜和正相高效液相色譜）在有機(jī)溶劑中比在水溶液中可以獲得更多的信息。這些新的認(rèn)識(shí)有利于人們更好地理解腐植酸在農(nóng)業(yè)中的作用和用途。

圖2還顯示，醇溶腐植酸組分與堿溶腐植酸組分有很大的不同。與堿溶腐植酸相比，不同的腐植酸成分在乙醇中的溶解度更高。事實(shí)上，乙醇可溶部分更接近于黃腐酸的熒光光譜。

來源于甘蔗覆蓋物的腐植酸與醇溶土壤腐植酸幾乎相同，這就意味著甘蔗覆蓋物中含有許多（但不是全部）與土壤腐植酸相似的成分。相反，從圖1可看出，海藻中含有與土壤腐植酸幾乎完全相同的腐植酸成分。

3 試驗(yàn)

3.1 化學(xué)品和材料

分析級(jí)化學(xué)藥品從澳大利亞Ajax Chemical公司（氫氧化鈉、氫氧化鉀）和美國Sigma-Aldrich公司（硫酸、乙醇和正丁醇）購買。工業(yè)級(jí)腐植酸從美國Sigma-Aldrich公司購買，并利用1989年我們發(fā)表的題為“High-performance liquid chromatographic determination of humic acid in environmental samples at the nanogram level using fluorescence detection”一文中的方法提純。甘蔗覆蓋物購于當(dāng)?shù)匾患肄r(nóng)業(yè)供應(yīng)商，海藻提取物（鉀鹽）購于中國WNK集團(tuán)。風(fēng)化褐煤從新西蘭通過個(gè)人關(guān)系獲得。

3.2 從衰老植物和藻類中提取腐植酸

用1 L 0.1 M的氫氧化鉀或氫氧化鈉提取甘蔗覆蓋物（310 g），放置2天，偶爾搖動(dòng)。這個(gè)過程重復(fù)2次，直到不能提取更多的腐植酸，然后將這些溶液混合在一起（并不是所有的腐植酸都可以用堿提取，因?yàn)橛行┧坪跖c蛋白質(zhì)或其他有機(jī)物結(jié)合在一起）。溶液用40號(hào)濾紙過濾，并將濾液混在一起。然后將濾液以2000 rpm的速度離心，收集上清液。離心對(duì)去除濾液中的細(xì)小顆粒至關(guān)重要，因?yàn)樵谒峄螅菜釙?huì)被強(qiáng)烈地結(jié)合到這些細(xì)小顆粒上。將所得濾液用10%的硫酸酸化至pH=1，得到棕黑色沉淀物。沉淀物用40號(hào)濾紙過濾，在常溫下風(fēng)干，然后在110 ℃下進(jìn)一步烘干。

如3.1中文獻(xiàn)所述，從當(dāng)?shù)赝寥篮惋L(fēng)化褐煤中提取腐植酸。通過上述提取甘蔗覆蓋物的相同方法從市售海藻提取物中提取腐植酸。腐植酸在乙醇和正丁醇等醇中緩慢溶解，在這樣的溶劑中放置至少12 h后，將溶液倒出，用于進(jìn)一步研究。采用Perkin Elmer（USA）LS 45石英試管熒光儀進(jìn)行熒光測(cè)量，激發(fā)波長(zhǎng)340 nm，發(fā)射波長(zhǎng)400～600 nm。

4 結(jié)論

對(duì)不同來源的腐植酸的分析表明，它們與土壤中的腐植酸非常相似，這與當(dāng)今的研究是一致的。這意味著這些腐植酸可以用來補(bǔ)給土壤中的腐植酸。土壤中的腐植酸會(huì)因風(fēng)蝕、水蝕和水淋失而消耗，因此必須及時(shí)補(bǔ)給土壤腐植酸，以提高貧瘠土壤的肥力。因腐植酸是在衰老的植物中開始形成的，所以收獲作物的殘?bào)w歸還到土壤中很重要。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐往往忽視這一點(diǎn)，因作物一茬接一茬地迅速種植，前一茬作物的殘?bào)w往往被丟棄或焚燒。生產(chǎn)中只有在對(duì)病害防控至關(guān)重要的情況下才應(yīng)進(jìn)行焚燒處理。

要提高土壤（特別是貧瘠土壤）中的腐植酸不僅必須返還植物殘?bào)w，還可能需要添加富含腐植酸的材料。富含腐植酸的物質(zhì)包括堆肥、植物殘?bào)w覆蓋物、泥炭和褐煤。市售可溶性腐植酸鉀產(chǎn)品的長(zhǎng)期效益很小，而且價(jià)格相對(duì)較高，因此這不是一個(gè)很好的補(bǔ)給土壤腐植酸含量的方法。當(dāng)前，已有很好的工藝和設(shè)備可以為農(nóng)場(chǎng)提供堆肥和覆蓋技術(shù)，且這種工藝在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中應(yīng)該變得更加普遍。在一些發(fā)展中國家，巨大的褐煤資源作為豐富的腐植酸來源，正被用于農(nóng)業(yè)。但在發(fā)達(dá)國家，電力生產(chǎn)占據(jù)主導(dǎo)地位。盡管褐煤含有豐富的腐植酸，但運(yùn)輸成本可能很高，這使得農(nóng)作物回收利用、堆肥或植物殘?bào)w覆蓋成為更具吸引力的替代方案。

致謝和參考文獻(xiàn)（略）