腐植酸在现代农业绿色发展中的应用前景

杨雪贞 康锁倩 孙志梅

河北农业大学资源与环境科学学院 保定 071001

在现代农业生产中，由于过度追求作物产出而过量增加农业投入，不仅增加了生产成本，降低了经济效益，而且对环境造成了严重污染，甚至导致农产品食用安全度下降，严重影响人们的身体健康和生活质量，制约了现代农业的可持续发展。

腐植酸是动植物遗骸，主要是植物遗骸，经过微生物分解和转化以及地球化学的一系列过程形成的，是一类在来源上和行为上有共同性的天然有机物质的总称，是一种富含有醌基、羧基、酚羟基等活性官能团的大分子有机化合物的复杂混合物。大量研究表明，施用腐植酸类物质具有改良土壤理化性质、刺激作物生长发育、提高作物抗逆性和产量、改善作物品质等作用[1～4]。因此，腐植酸资源在农业领域的科学开发利用必将在实现高产、优质、高效现代化农业中发挥重要作用。

本文对现代农业发展中存在的主要问题，如肥料、农药、地膜、农业水资源的现状及环境效应等进行了分析，旨在明确实现农业绿色发展中的主要制约因素，并解析了腐植酸类物质在助推现代农业实现绿色发展中的可行性及应用前景。

1 现代农业发展中存在的主要问题

1.1 肥料施用、利用现状及环境效应

1.1.1 化肥施用、利用现状及环境效应

（1）化肥施用、利用现状。

我国农业生产对化肥的依赖程度很高，从1980年起，我国化肥施用量以年均4%的速度增长，单位面积施肥量是世界平均水平的3 倍多，我国用占全球9%的土地消耗了占世界总量32%的化肥[5]。目前，每年的化肥施用量（折纯）达4300 万吨，居世界第一[6]。1980—2018 年的化肥施用量如图1所示，可以看出，2015 年之前的化肥施用量基本呈现逐年上升的趋势，2015 年以后随着国家两减政策的出台和实施，全国化肥施用总量得到了有效控制。冯永军等[7]研究表明，越冬栽培的芹菜施肥量已超过芹菜理论需求量的50%～70%。张彦才等[8]研究表明，河北大棚番茄的施氮量是推荐量的3.5 倍，最高达15.2 倍；施磷量是推荐量的10.3 倍，最高达39.9 倍；施钾量是推荐量的1.2 倍，最高达7.0 倍。长期大量施用化肥不仅浪费资源，增加农业生产成本，还造成了一系列的环境污染问题，如温室气体CH4和N2O 的排放、地下水硝酸盐含量超标、水体富营养化以及土壤理化性状恶化等，严重影响了人们正常的生产和生活。

图1 1980—2018 年化肥施用量变化图（数据来源于《中国统计年鉴2019》[9]）Fig.1 Variation of fertilizer application amount from 1980 to 2018 (data from China Statistical Yearbook 2019[9])

（2）化肥施用的环境效应。

农业生产中施用的氮肥如尿素、碳酸氢铵等进入土壤后，若不能及时被作物吸收利用，特别是在施肥量大的情况下，部分氮将以氨气的形式挥发损失到大气中，部分氮则将通过硝化作用和反硝化作用以氮氧化物和N2的形式挥发进入大气，造成大气的污染；或随水发生淋溶损失和径流损失，使水体质量变坏[10]。研究表明，我国农田氨挥发损失的氮量可占到氮肥施用总量的10%以上，农业源氨排放量占氨总排放量的90%左右，其中种植和牲畜养殖业排放大约各占一半[11]。

化肥施用量增加对土壤产生的不良影响，主要表现在土壤重金属含量的增加及硝酸盐含量的积累，改变了土壤的理化性状，降低了土壤肥力和再生产能力，最终导致追施化肥的恶性循环[12]。据调查，由于长年重用地轻养地，华北平原土壤有机质的含量已降到1%左右，全氮含量不到0.1%；东北三江平原土壤有机质的含量从10%～11.5%下降到3%～5%[13]。由于肥料投入量大和管理不当等原因，土壤出现不同程度的次生盐渍化，严重影响了作物的产量和品质。中国盐渍土总面积约3600 万公顷，占全国可利用土地面积的4.88%。耕地中盐渍化面积达到920.9 万公顷，占全国耕地面积6.62%[14]。有研究显示，大棚菜地土壤全盐含量平均值为3.38±0.22 g/kg，有69.84%超过安全水平，其中51.59%为轻度盐土，10.32%为中度盐土，5.56%为重度盐土，甚至局部地区存在次生盐渍化和重金属双重污染的威胁[15]。

化肥的不合理施用还会使过量的营养元素随地表径流进入水体，使水中的营养物质增加，导致水生生物大量繁殖、水中溶解氧降低、水质恶化，甚至引起鱼类大量死亡。从全国情况来看，化肥氮素的平均损失率约为45%，溶入水体中的氮素约有60%来自化肥[16]。对京、津、唐地区69 个观测点的地下水调查表明，半数以上观测点地下水硝态氮含量超标，高者达67.7 mg/kg。北京市郊菜田因施用氮肥过多，地下水硝态氮含量已达61.6 ～124.0 mg/kg[17]。

过量施用化肥，不但造成养分资源的损失，而且还对植物的新陈代谢产生不利影响。氮肥过量施用可能造成植物体内硝酸盐的过量累积，其结果虽然一般不会使植物直接受害，但动物和人食用含有硝酸盐的食物后，会在体内转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐与胺类结合会形成强致癌物质，其生物毒性比硝酸盐大5 ～10 倍[18]。

1.1.2 有机肥施用、利用现状及环境效应

（1）有机肥施用、利用现状。

20 世纪中期以来，随着化肥工业的迅速发展，有“卫生肥”之称的化肥在农业生产中被大量施用，而费工费时又费力的“脏、乱、臭”的有机肥施用量逐渐减少，导致土壤肥力和农产品品质下降，施肥效益递减。随着市场经济的发展和人们对绿色食品需求的不断提高，对农产品品质也有了更高的要求。因此，有机肥的施用引起了人们的广泛关注[19]。可以作为有机肥原料的种类很多，如畜禽粪尿、作物残体、绿肥、饼粕、草木灰、污泥、生活垃圾、污水等。郭全忠[20]研究发现，安康市大棚蔬菜有机肥的施用量在6 ～28 t/hm2，平均为20 t/hm2。张学军等[21]报道，甘肃兰州安宁区设施蔬菜年有机肥施用量高达14.08 t/hm2，宁夏设施蔬菜一般年有机肥施用量达7.5 t/hm2。有机肥的大量施用，一定程度上提高了土壤有机质含量，起到了培肥地力的作用，但不科学施用同样也会带来较大的环境污染风险。

（2）有机肥施用的环境效应。

现如今，无论是以农业废弃物为原料，还是工业废弃物、生活垃圾等为原料生产的有机肥，如果没有得到科学堆制和发酵腐熟，都可能会对农业生产和人类赖以生存的环境产生一定的负面影响。如畜禽粪便、作物秸秆等有机废弃物由于可能含有较多的病菌、虫卵、草籽等，未经严格处理会加重农作物病、虫、草害；以城市污泥、生活垃圾等为原料的有机肥，以规模养殖场的畜禽粪便为原料制成的厩肥等，可能含有较高的重金属和盐分，长期大量施用以此为原料的有机肥则会造成土壤重金属污染、盐分累积和作物重金属含量超标等问题；由于药物具有生物效应，动物用药以后，药物以原形或代谢物的形式随粪尿等排出，以此为基础生产的有机肥便会存在药物的毒副作用。施用未腐熟的有机肥如作物秸秆、新鲜绿肥等，还会促进农田CH4、N2O 等温室气体的排放[22，23]。樊羿等[24]研究表明，一个年产10.8 万头猪的养猪场，每小时可向大气排放15 亿个菌体、159 kg 氨、14.5 kg 硫化氢、25.9 kg 饲料粉尘，并与水、尘埃相结合悬浮在空气中，形成气溶胶而随风飘散，大气污染半径可达4.5 ～5.0 km。在太湖流域氮素对水体面源污染的贡献率中，人与畜禽的排泄物和生物废弃物贡献率占到了82.39%，由农田径流和淋失的贡献率虽然仅占到了7.46%，但其中约80%来自有机肥的矿化[25]。郝慧娟等[26]对抽检的54 个商品有机肥中Pb、Cd、Cr、As、Hg、Cu、Zn、Ni含量的分析发现，Cu、Zn 含量超标的样品数较多，其次是As、Hg 、Cd 和Cr。不同原料生产的有机肥中重金属含量最高的原材料是工业污泥，其次是畜禽粪便、饼粕、作物秸秆。长期施用含有重金属的粪肥，由于累积效应，也必然会给农田生态环境健康带来安全隐患。

1.2 农药施用、利用现状及环境效应

（1）农药施用、利用现状。

为防治植物病虫害，全球每年农药喷施量高达560 多万吨。我国每年的农药使用面积2.8 亿公顷以上，施用量达50 ～60 万吨，但其中约80%的农药直接进入了环境[27]。据统计，中国在2006 年的农药总产量为129.6 万吨（100%有效成分），其中杀虫剂、杀菌剂和除草剂产量各为50.5、11.2和38.7 万吨，分别占总消费量的39.0%、8.6%和30.0%[28]。根据联合国粮食与农业组织（FAO）的统计，2014 年我国农药用量达到峰值，使用量达180.7 万吨，约占世界总用量的1/2，使用强度约为美国2012 年水平的3.4 倍[29]。

（2）农药施用的环境效应。

当前种植业使用的农药面积广、数量多，因此成为大气中农药污染的主要来源。进入大气的农药或被大气飘尘吸附，或以气体、气溶胶的形式悬浮在空气中，随着气流的运动使大气污染的范围不断扩大。进入土壤的农药被粘土矿物或有机质吸附，其中有机质吸附的农药约占土壤总吸附量的70%～90%，成为导致土壤酸化、有机质含量下降、土壤微生物种群失衡等土壤质量恶化的重要因素[30，31]。研究显示，目前我国地表水中农药残留状况表现为单一农药残留浓度较低，但残留农药品种多、检出频率高，部分水体中复合存在的残留农药已对水生生态系统产生危害。农药在地下水中的残留状况也不容乐观，河北省卢龙县100 个地下水样品中涕灭威及其代谢物涕灭威砜、甲拌磷和特丁硫磷的检出率分别达到12%、11%和4%[32]。浙江省青田县近1 万个蔬菜样品中乐斯本、毒死蜱、敌敌畏等有机磷农药的超标率达到了7.8%[33]。

1.3 地膜施用、利用现状及环境效应

（1）地膜施用、利用现状。

目前，我国地膜产量和覆盖面积均居世界首位，地膜已经成为继化肥和农药后的第三大农业生产资料。但地膜属高分子化合物，残留在土壤中的地膜很难降解。研究表明，地膜在土壤中完全分解，大约需要一两百年时间，残留地膜对土壤结构、耕地质量和生态环境都会造成很大危害，影响农业的可持续发展。欧阳春华等[34]研究表明，2011—2014 年，新疆博乐市平均地膜残留量为343.35 kg/hm2，最高残留量达496.95 kg/hm2，残留率达81.65%。张恒等[35]研究表明，1997—2015 年间黄淮海地区地膜使用量总体呈增长态势，从1997 年的43.17 万吨增长到2015 年的83.37 万吨，年增长量为负值的年份仅有3 年（2008 年、2014 年和2015 年），如果按照目前地膜回收率60%计算，黄淮海地区地膜残留量从1997 年的17.27 万吨上升到2015 年的33.35 万吨，地膜年残留量增长接近一倍，而且地膜残留量会年复一年的不断累积。

塑料在给人类生活带来便利的同时，也给环境带来严重污染，当前海洋微塑料问题十分突出。有统计显示，海洋中塑料碎片有75%～90%来自陆地，只有10%～25%直接来自海洋[36]。2017 年，在包括美国、欧洲和非洲等国家和地区的126 个饮用水样品中检出了不同材质的微塑料（纤维）[37]。海洋微塑料不仅危害海洋生物的生命安全，还通过食物链直接威胁到人类的健康。

（2）地膜施用的环境效应。

地膜回收率低导致大量废旧薄膜长期存在于农田土壤中难以降解，容易造成“白色污染”，是农田土壤中微塑料的一个重要来源[38]。研究表明，微塑料具有不同的形状，例如纤维状、碎片状和球状颗粒等，尺寸较小，疏水性强，性质相对稳定，可长期存在于环境中。作为海洋微塑料的主要来源，土壤中的微塑料污染问题越来越受到关注，已被列为环境与生态领域的第二大科学问题[39]。Arkatkar等[40]研究表明，聚丙烯塑料在土壤培养1 年后，重量损失仅为0.4%。可见，塑料在土壤中的降解效率低，残留时间长。Gaylor 等[41]以蚯蚓为研究对象，发现微塑料中的化学物质可以进入土壤并在土壤生物中富集，同时土壤生物可以将积聚的化学物质转化，进一步对土壤环境造成污染。微塑料本身也可能含有聚合物单体、塑化剂、阻燃剂等有毒物质，随径流或淋溶进入水体后将这些污染物逐渐释放出来，吸附各种化学物质后可形成复合污染物，这类污染物重量大，可通过重力作用沉降到底泥中，对水体产生持久性的污染[42]。此外，土壤中较多的残留地膜还会影响种子的发芽率和出苗率，直接影响农业生产水平。

1.4 农业水资源现状及环境效应

（1）农业水资源现状。

水资源是指可以利用或有可能会被利用的水源，可以用的水源必须具有足够的数量和较高的质量，并且必须是可以得到定期更新补充、可持续利用的[43]。中国水资源总量约2.8 万亿立方米，居世界第六位，但人均占有量少，在世界排第122 位，属于缺水国家[44]。当前，我国的农业生产以家庭为单位，农民为了追求自己的利益最大化，生产中缺乏节水意识，不仅造成了水资源的浪费，也降低了水资源的利用效率。而且，我国地域辽阔，水资源空间分布不均衡，间接导致了区域利用数量上的差异。随着农业科技的不断进步，农药化肥等工业用品使用量呈现上升趋势，农业水资源的水质污染也随着农药化肥施用量的增加日益严重。金巍等[45]研究表明，2015 年中国30 个省份农业用水量均存在不同程度的增减，北京、上海、浙江、河北等17 个省份的农业用水量出现不同幅度的下降趋势，北京降幅最大，达61.19%；其他省份农业用水量则出现不同幅度的上升趋势，其中黑龙江增幅最大，达68.39%。可见，中国农业用水量总体呈上升趋势，且地区间差异显著增强。2013 年，水利部对我国主要河流、湖泊与水库水质进行了评价，结果显示我国主要农业水资源水质的整体质量不容乐观[46]。提高农业用水效率成为建设中国节水型社会和保障粮食安全的关键[47]。

（2）农业水资源的环境效应。

农业水资源的不合理利用造成了很多问题，典型的就是地下水漏斗区的出现。以河北省为例，河北省是我国资源型缺水省份之一，人均水资源量仅为全国的1/7。作为一个农业大省，很长一段时间内，部分粮食主产区都依赖过度抽取地下水支撑粮食生产，全省80%以上农田是井灌区。多年超采地下水，让河北省付出了巨大的生态代价，华北平原出现了世界上最大的地下水漏斗区，其中河北省又是全国最大的地下水漏斗区，并且地下水水质在不断恶化[48]。除此之外，还存在污水灌溉问题，2006 年环保部门公布的数据显示，污水灌溉污染的耕地面积达到216.7 万公顷。通过对河北省石家庄污灌区小麦、玉米籽粒进行重金属含量分析，发现污灌区农作物均出现一定程度的重金属积累，并有不同程度的超标，其中小麦Cr的最高超标率达42.4%，玉米Pb 的最高超标率为33.3%[49]。

2 腐植酸在现代农业绿色发展中的应用前景

2.1 在提高化肥利用率、缓解肥料污染方面的应用前景

众所周知，腐植酸是非均一性的、没有固定的化学构型，是在随成煤植物分布和地质变迁而改变着的以芳香核为基础的有机聚集体，是一类褐色或黑色的无定形高分子胶态聚合物，是土壤有机质的主要组成成分。但在当前土壤有机质含量普遍较低的情况下，外源腐植酸类物质的施用可以为微生物提供有效碳源，也能够增加微生物细胞膜透性，促进其有效利用土壤中的营养物质，增强微生物细胞内部的生理活动和生化反应，从而刺激土壤微生物的生长增殖和代谢。而微生物数量和活性的增加，则可以间接起到培肥地力，促进土壤团粒结构的形成和植物生长的作用[50，51]。

腐植酸能明显提高化肥利用率、作物抗逆能力，促进作物的正常生长。大量研究表明，利用腐植酸与化肥减量配施能够起到改良土壤，增加作物产量与品质的作用，而且能使化肥施用量减少10%～30%[52]。赵满兴等[53]研究发现，化肥减量配施腐植酸肥能够显著增加土壤中有机质的质量分数，而且相对于常规施用化肥而言，化肥减量配施腐植酸肥或生物有机肥显著增加了红枣的Vc、蛋白质、黄酮、还原糖和总可溶性糖含量。中国农业科学院研究了腐植酸尿素对氮肥的增效减量效应，结果表明，在等肥料量施用条件下，当腐植酸尿素施用量较普通尿素减少20%时，小麦的籽粒产量仍显著高于普通尿素处理，玉米的籽粒产量与普通尿素处理相当；在等氮量条件下，与普通尿素相比，施用腐植酸尿素后小麦和玉米籽粒产量分别提高9.71%～16.76%和6.32%～17.32%[54]。

2.2 在提高农药药效、缓解农药污染方面的应用前景

腐植酸可以提高农药利用率。一方面，腐植酸可提高农药的溶解能力和植物细胞膜透性，从而加速药剂在植物体内的传导，提高药效；另一方面，腐植酸可通过自身具有类似激素的作用或者通过官能团激活农药活性基团，进一步激活植物体内多种酶，促进植物体对药剂的吸收、传导等来增效农药。近些年，越来越多的绿色农药增效剂应用到农业生产中，如植物油、生物碱、萜烯、茶皂素、腐植酸等。腐植酸类物质在结构单元组成上包含大量的活性基团，如羧基、羰基、醇羟基、醌基、酚羟基等，这些活性基团使得腐植酸-农药复配体系在杀菌、杀虫等过程中发挥了重要的作用[55～57]。研究发现，腐植酸类物质可作为甲基托布津、多菌灵、杀虫脒等农药的增效剂[58]。金平等[59]用1%氢氧化钠提取泥炭的腐植酸，将其与克露复配喷施黄瓜叶片，从生理机制上证明了腐植酸对克露的增效作用。魏世平等[60]研究表明，腐植酸对低浓度百菌清存在显著的缓释增效作用。而且，腐植酸不仅可以增加部分农药的缓释性，还可以加速部分农药的速效性，降低农药毒性与残留量。有研究表明，腐植酸可延长农药甲胺磷、久效磷、嘧磺隆、草甘膦的药效5 ～15 天[61]，不同程度地降低草甘膦、乙草胺、三唑磷3 种药剂的残留量[62]。何秀院等[63]通过田间试验发现，腐植酸铵与除草剂草甘膦配伍，可提高除草剂药效10%～15%，药效进程提前2 ～5 天。

2.3 在替代不可降解地膜方面的应用前景

近些年，腐植酸地膜已经应用到了农业生产中，腐植酸可降解黑色液态地膜不仅有塑料地膜的吸热、增温保墒、保苗作用，还有较强的黏附能力，可将土粒联结成理想的团聚体。腐植酸液态地膜主要以腐植酸和植物秸秆等有机生物质为主要原料，对造纸黑液、海藻废液、糖蜜废液、酿酒废液或淀粉废液进行改性，腐植酸、木质素、纤维素和多糖在交联剂的作用下形成高分子，与各种添加剂、硅肥、微量元素、农药和除草剂混合制取[64]。田原宇等[65]的研究发现，应用腐植酸降解黑色液态地膜后，可提高地温1 ～4 ℃，蒸发抑制率达30%以上，土壤含水量提高20%以上，土壤容重降低6%～10%，作物生育期提前3 ～10 天，作物增产20%以上。乔英云等[66]的研究结果表明，与不用地膜相比，喷施腐植酸液态地膜后可使作物抗旱、增温、早熟、增产，而且在2 ～3 个月内可降解为腐植酸类物质，不会产生任何污染。但腐植酸地膜当前还存在一定的局限性，其开发利用技术还有待进一步研究探索。

2.4 在提高水资源利用效率、应对干旱气候方面的应用前景

土壤保水剂的应用是解决我国农业干旱缺水的主要途径之一。土壤保水剂号称植物“微型水库”，是一种独具三维网状结构的有机高分子聚合物。在土壤中能将雨水或灌溉水迅速吸收并缓慢释放，以保证根际水分充足。腐植酸是一种吸水与蓄水极强的胶体物质，粘土颗粒吸水率一般为50%～60%，而腐植酸类物质吸水率可达350%～600%，是粘土颗粒吸水率的7 ～10 倍[67]。此外，腐植酸通过刺激作物根系生长增加作物根长、根量和根系活力等，间接促进作物对土壤深层水分的吸收利用，从而增强作物的抗旱能力。邹德乙等[68]研究发现，施腐植酸水稻育秧剂后，水稻根长比等养分量的常规育秧剂增加1.47%～6.63%，根鲜重增加12.36%～47.19%，根干重增加25.0%～37.5%，根系活跃吸收面积增加0.44%～74.69%。李淑琴等[69]研究表明，腐植酸保水剂能有效促进植物生长，提高植物水分利用效率，特别是在高水分条件下，与对照相比，腐植酸保水剂处理的玉米生物量和叶面积提高36%和24.8%。薛世川等[70]研究发现，土培条件下腐植酸复合肥比等养分量化肥能更显著提高小麦体内超氧化物歧化酶活性与脯氨酸含量，降低质膜透性，有效提高小麦抗旱与防衰能力，增加干物质量累积。此外，腐植酸的施用还可以通过调节气孔的开闭，降低叶片气孔导度，从而降低作物的水分蒸腾损耗，提高水分利用效率，进而增强作物抗干旱能力。项国栋等[71]研究表明，适宜浓度的腐植酸喷施甘蓝可以使产量显著提高16.0%，原因就是喷施腐植酸叶面肥提高了甘蓝的抗旱性。

3 小结

综上所述，现代农业生产中存在肥料、农药、地膜过量使用及农业水资源短缺的问题，制约了农业的可持续发展。在扎实推进“碧水、蓝天、净土保卫战”的大背景下，实现农业绿色发展已成为未来农业发展的大趋势。而在助推农业绿色发展的过程中，如何充分发挥土壤本源性物质腐植酸的重要作用，加快构建腐植酸农业绿色发展模式，加强腐植酸类资源的高效开发利用和相关机理研究，仍是今后应该关注的重点。