腐植酸的农化效应综述

武月胜 李海平* 段旭锦 焦 东 李灵芝 张 伟

1 山西农业大学园艺学院 太谷 030801 2 云州区农业农村局农业技术推广中心 大同 037300 3 山西省农业机械化服务中心 太原 030031

腐植酸[1]是公认的无毒、无害的绿色环保资源，广泛应用于工农业、环境保护及医药保健领域。特别是在农业方面，腐植酸对作物、养分、土壤的作用显著。本文从作物、养分及土壤生物学性质3个方面对腐植酸的农化效应研究现状进行了综述，从生理学和分子学两方面系统地分析腐植酸促进植物生长的机理，旨在对腐植酸进行系统的研究，从而为腐植酸资源高效利用和科学开发提供参考。

1 腐植酸对作物生长发育的促进作用

从表型性状来看，腐植酸促进了作物的生长发育，包括地上部分和根系的生长，作物产量和农产品品质的提升，以及应对生物胁迫和非生物胁迫的抗性。从生理学层面来看，腐植酸通过影响作物体内酶、生长素、光合作用、对养分的吸收等实现对作物生长发育的调控。从分子学层面来看，腐植酸可以作为信号因子，影响基因的表达，更深层次、更精准地实现对作物生长发育的调控。

1.1 腐植酸促进作物地上部与根系的生长

腐植酸对于作物地上部的生长具有促进作用。腐植酸对作物地上部生长的刺激作用主要表现在促进作物株高、茎粗、鲜重、干重等的增加。高玉红等[2]发现不同浓度腐植酸均可促进西瓜幼苗株高、茎粗和地上部干重的增加，促进效果表现为先增加后下降的趋势。刘敏等[3]向霍格兰营养液中添加腐植酸发现，腐植酸可以显著提高番茄苗期地上部鲜、干重，随着腐植酸添加量的增加，番茄根系和地上部鲜重、干重呈现先增后减的趋势。综上，腐植酸可以促进作物地上部的生长，但存在阈值，添加适宜浓度的腐植酸时促进效果最佳。

腐植酸除可以促进地上部生长外，还可以刺激作物根系生长。腐植酸对作物根系生长的刺激作用表现在促进根系活力、根长度、根量的增加。高玉红等[4]以纯度60%，水分含量6.59%，CEC为3.99 meq/g的腐植酸试验发现，不同浓度腐植酸处理可不同程度提高西瓜芽苗的根系活力。刘美等[5]研究表明，基质中添加适量腐植酸可显著提高番茄幼苗根干重，增加幅度高于地上部干重，且有较高的根冠比、根系活力，表明腐植酸促进光合产物向根系分配，刺激根系生长，提高根系活力，从而保证地上部的生长。王汝娟等[6]研究表明，施用腐植酸钾显著提高了甘薯R/T（某一时期块根鲜重/对应的地上部鲜重），说明腐植酸钾有利于甘薯块根膨大前、中期光合产物向块根运输，促进块根膨大。Dobbss等[7]试验表明，经腐植酸处理后，番茄侧根数量的增加幅度达到了150%～264%，而侧根长度的增加幅度达到了405%～2280%。Pinton等[8]认为，施用腐植酸后能够对根系产生类似生长素的作用，刺激作物内生细胞激肽类和作物生长素的增加，引起细胞质膜渗透性能的改变，促进作物体内蛋白质的合成和细胞的生长，从而促进作物根系生长。还有研究表明，腐植酸能够作为质膜上H+-ATP酶的诱导因子诱导质膜表面H+-ATP酶数量的增加，酸化非原质体，使细胞壁松弛，促进细胞伸长，进而刺激作物根系生长[9]。周丽平等[10]的观点与Pinton等[8]的观点相近，他们同样认为腐植酸具有类似生长素和赤霉素的生理功能，还发现一些低分子量的腐植酸（黄腐酸）能促进GRAS1的表达，而GRAS1是响应生长素和赤霉素的关键转录因子，参与了这两类激素诱导的细胞分裂和膨大进程，因此黄腐酸通过促进GRAS1的表达促进了根系生长。

1.2 腐植酸促进作物对养分的吸收

腐植酸可以促进作物对氮、磷、钾的吸收。杨丽辉等[11]在西芹上的研究结果显示，腐植酸对西芹地上部氮、磷、钾吸收量有显著影响。施用腐植酸138 kg/hm2最高，氮、磷、钾吸收量分别为333.78、23.76、190.84 kg/hm2，较对照分别提高了22.19%、21.35%、16.49%。

腐植酸可以促进作物对氮的吸收。腐植酸促进作物根系吸收养分氮主要表现在对硝酸盐的吸收。腐植酸能够通过调节作物根系体内环境，刺激作物对硝酸盐的吸收。腐植酸通过降低根细胞质膜表面的pH，中和NO3-作为氮源时所产生的碱性物质，抑制H+/NO3-的同向转移[12]；腐植酸还可以通过刺激质膜上的H+-ATP酶活性，使电化学质子梯度增加[13]，从而促进作物根系对硝酸盐的吸收，最终促进了作物对氮的吸收。因此，腐植酸能够通过调控NO3-的吸收、同化和转移促进作物对硝态氮的吸收。

腐植酸可以促进作物对磷的吸收。刘畅等[14]的试验表明，土壤中添加腐植酸可以促进饲用甜高粱对磷素的吸收。张丽丽等[15]研究发现，黄腐酸能提高根系有机酸（草酸、苹果酸、柠檬酸、琥珀酸和酒石酸）积累，降低根系中无氧呼吸产物乳酸和乙酸含量；促进质子泵基因（HA1）的表达，从而促进根系泌酸；其蕴含的生长素和赤霉素类似物能激活GRAS1转录因子和磷转运蛋白相关基因（PT1和PHO1），三方面共同作用促进植物根系对磷素吸收。李伟等[16]认为腐植酸中的氧烷基碳、羧基/酰胺基碳、烷基碳结构与小麦磷素吸收具有正相关性，低分子量腐植酸具有较多的烷基碳、氧烷基碳、羧基/酰胺基碳结构，因而低分子量腐植酸提高磷肥中磷素利用率的作用好于中分子量腐植酸，而高分子量腐植酸的效果不显著。

腐植酸可以促进作物对钾的吸收。翟勇等[17]在棉花上的试验结果表明，从钾吸收量变化上来看，其地上部表现为腐植酸复混肥施用量50、100克/株处理吸收量相近，均显著高于对照，梁太波等[18]和袁丽峰等[19]也证实了这一研究结果，说明腐植酸促进作物对钾的吸收具有显著的效果。腐植酸与钾素的增效原理体现在腐植酸可以与钾离子发生络合反应、物理-化学吸附作用等。

1.3 腐植酸提高作物产量

腐植酸通过促进作物地上部和根系的生长，最终促进产量的增加。李万涛等[20]试验发现，与常规复合肥（17-17-17）相比，棉粕制成的腐植酸肥料通过增加单株铃数来提高棉花的产量。杨柳等[21]的试验结果同样表明，与常规复混肥料相比，施用腐植酸增效复混肥料可以有效提高小麦产量，平均提高幅度为25.26%（2018年）和19.17%（2019年），即使在盐渍化土壤上，小麦穗数、穗粒数和千粒重等产量构成因素均有所增加。朱珊珊等[22]在干旱胁迫下的试验结果同样表明，喷施腐植酸能显著提高燕麦叶片中核酮糖-15-二磷酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶和甘油醛-3-磷酸脱氢酶活性，降低乙醇酸氧化酶活性，显著增加燕麦的千粒重、穗粒重和产量。刘国利等[23]研究表明，苗期、花期和坐果期追施腐植酸水溶肥能显著提高番茄产量，产量增加主要是由单果重和单株果数增加引起；与追施尿素相比，追施腐植酸水溶肥番茄增产也主要由单果重所致。Capstaff等[24]研究发现，施用黄腐酸可以增加3个欧洲紫花苜蓿品种的产量，其原因可能是黄腐酸可以刺激苜蓿根结瘤，且根据RNA转录分析显示，许多重要的早期结瘤信号基因仅在施用黄腐酸3天后就上调了。

第二、驻村干部(“访汇聚”工作组)帮扶。自治区督促各级驻村力量落实帮扶职责，自筹和协调引进帮扶资金、项目。

1.4 腐植酸提高作物抵抗逆境的能力

腐植酸能够缓解生物和非生物胁迫对作物生长的影响，改善作物形态、生理特征，对逆境胁迫下作物的生长具有保护作用[25]。大量研究表明，在温度、盐分和水分等逆境胁迫下，腐植酸通过降低作物体内脯氨酸、丙二醛、超氧阴离子和过氧化氢含量，增强作物体内过氧化物酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶等抗氧化酶活性，减轻膜脂过氧化程度，从而保持细胞膜的稳定性，增强作物对逆境胁迫的抗性[25～27]。张彩凤等[28]发现，作物受到胁迫时，黄腐酸先与作物中的钙调蛋白结合，形成较为稳定的配合物，后再与超氧化物歧化酶作用，降低了酶本身的能量，不仅使其更容易被合成，同时还增加了它与其他物质的亲和力。低温胁迫条件下，腐植酸浸种促进了玉米幼苗体内可溶性蛋白质合成，提高氮代谢水平，以消除根系的过氧化氢积累，减少低温胁迫对根系的质膜损伤[29]。Ali等[30]研究发现，腐植酸在饲料高梁上的结合应用可以提高盐的耐受性，增加抗氧化酶活性，减轻盐度应激造成的损害。赵永长[31]发现在干旱胁迫下黄腐酸钾通过调控烤烟幼苗体内NCEDs基因表达上调，CYP707A3基因表达下调，来延缓胁迫下烤烟幼苗叶片中脱落酸的降解，从而提高烤烟的抗旱能力。Sun等[32]认为黄腐酸通过增强抗坏血酸代谢，改善谷胱甘肽代谢，以及促进类黄酮生物合成，显著提高茶树在干旱胁迫下的抗氧化防御能力，从而增强茶树的耐旱性。García等[33]研究表明，添加腐植酸能够在作物根系表面、根系表皮细胞和新生根毛中形成腐植酸凝聚体，降低根系的渗透系数，增强其抗干旱能力。

腐植酸对作物抗逆性不仅能够直接提高作物对逆境的抵抗能力，还能够通过改变作物生长环境及作物自身生长来增强作物的抗逆性。盐分胁迫条件下，施用腐植酸肥料能够降低土壤介质的电导率，促进挪威枫和银杏幼苗对盐分胁迫的抗性[34]；腐植酸能够增加土壤团聚体含量、土壤紧实性、持水能力、阳离子交换能力，促进作物生长[35]。腐植酸能够钝化土壤重金属、降低有效态重金属含量，从而降低重金属生物有效性，减轻重金属对作物的毒害[36]。此外，干旱胁迫下，作物根系分泌的有机酸则能够影响腐植酸胶体，使其分解出个体生长调节分子，这些分子能够穿透细胞壁基质进入细胞膜，从而通过影响酶活性或基因表达来影响作物在逆境下的生长状况[37]。

2 腐植酸对养分的调控作用

作物吸收养分来源，除了来自土壤自身，还有外源肥料养分投入的补充。腐植酸既可以调控土壤中的养分，提高土壤的保肥性能和土壤有效养分的含量，又可以调控化肥养分，提高肥料有效性和缓释性能，从而提高肥料利用率，进而促进作物生长。

2.1 腐植酸调控土壤养分

2.1.1 腐植酸减少土壤养分流失

腐植酸具有廉价和无污染的特性，有助于土壤结构的形成，有利于土壤物理性质的提升[38]。刘灿华等[39]试验证实，腐植酸与氮肥配施可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤的物理性质。李彦强等[40]试验结果表明，每亩施用以腐植酸为主要原料的土壤调理剂5 kg，能使土壤水稳性大团聚体含量提高5.3%、土壤容重降低6.1%、田间持水量降低1.9%。如此，腐植酸通过改善土壤物理性质，增加土壤的保肥性能，减少养分流失。腐植酸酸性基团（如羧基等）可以吸收和贮存钾离子，既可有效减少钾的流失，又可减轻土壤矿物对钾的固定作用。同时，腐植酸与钾素结合形成胶体化合物与普通的氯化钾和硫酸钾相比，不易被淋洗损失[41]。程艳丽等[42]认为腐植酸类物质对土壤中的硝态氮和速效钾具有保持能力，延缓了土壤中养分释放和淋失的速率。王敏等[43]试验表明，腐植酸钾与磷肥的不同施用方式显著影响土壤磷素的移动和淋出，施用腐植酸钾在时间梯度上落后于施用磷肥，可以有效降低土壤磷素的淋出。

2.1.2 腐植酸提高土壤有效养分含量

孙瑶等[44]试验结果表明，在酸性土壤中施用腐植酸土壤调理剂较不施调理剂可显著提高土壤有机质含量，提高土壤pH。李彦强等[40]试验结果表明，酸性土壤中每亩施用以腐植酸为主要原料的土壤调理剂5 kg，能使土壤pH提高21.3%，土壤有机质、有效磷、速效钾含量分别提高6.0%、30.6%、10.0%。Suntari等[45]研究发现，腐植酸尿素肥料在水稻种植后第28天和42天可分别提高土壤中和的含量。腐植酸能够与磷酸盐竞争矿物表面的吸附位点，降低土壤矿物对磷酸盐的吸附作用；与土壤中的钙离子发生结合作用及与Ca-P发生作用，减少Ca-P沉淀的生成，提高磷的有效性[46]。陶远征等[47]试验表明，基施木本泥炭基腐植酸钾可以促进植烟土壤养分供应能力，还能促进烟株对钾素吸收利用，提高烤烟生育期内土壤钾素供应能力。杜振宇等[48]试验表明，施腐植酸降低了土壤晶格对钾离子的固定，提高了外源钾在褐土中的有效性。腐植酸还能与土壤中的铁、锌、锰、硼等微量元素发生螯合或络合反应，生成具有胶体性能的可溶性腐植酸微量元素盐类，有利于作物根系的吸收和利用。

2.2 腐植酸调控肥料养分

腐植酸能够提高肥料的有效性。腐植酸能够通过非生物作用固定肥料中的铵态氮，并形成以吲哚和吡咯、酰胺-缩氨酸结构等为代表的化学物质。同时，腐植酸中所含的羟基官能团能够与磷酸一铵通过阳离子的桥接作用发生复合反应，生成水溶性的腐植酸磷和腐植酸铵磷，提高了磷肥的有效性。有研究发现，腐植酸与磷肥一起施用后，土壤中速效磷含量显著高于普通磷肥处理，且土壤对磷的固定率比普通磷肥降低了7.3%[49]。腐植酸还能够吸附与固定肥料中的钾素或与肥料中的钾素反应，生成以胶体化合物形式存在的腐植酸钾，它不易随水流失，提高了钾肥的利用率[50]。有研究表明[51]，使用腐植酸锌与硫酸锌相比，锌的利用率可提高34%；腐植酸铁从根部进入植物体的数量比七水合硫酸亚铁多32%，在叶部移动的数量是七水合硫酸亚铁的2倍，使叶绿素含量增加15%～45%。因此，腐植酸可以提高肥料的有效养分含量从而提高肥料中养分的利用率。

2.2.2 腐植酸延长肥料肥效

腐植酸能够延长肥料的肥效。腐植酸能够通过自身的羧基和酚羟基与尿素的酰胺基发生作用生成腐植酸-脲络合物，该物质具有较高的稳定性，能够抑制尿素分解、提高氮素利用效率，实现尿素的长效缓效[52]。有研究表明，腐植酸的pH偏酸性，与尿素同时施用于土壤会造成土壤pH短暂降低，从而有效缓解了施肥区域尿素的分解，进而降低了尿素的挥发损失[46]。Reeza等[51]研究发现，土壤中施用添加腐植酸的尿素后，氨挥发量较普通尿素处理显著降低。Yusuff等[53]试验证实，腐植酸与尿素混合施用在培养初期（0～10天）氨挥发量显著低于单施尿素处理，但随后高于单施尿素处理。因此，腐植酸与尿素混合施用能够在初期抑制氨挥发并在后期将保蓄在土壤中的氨缓慢释放，从而提高氮肥肥效。郝会军等[54]试验发现，腐植酸复合肥及有机复合肥对钾的释放有一定的促进作用，对钾养分的释放起到明显的缓效释放作用。因此，腐植酸通过延长肥料的肥效来提高肥料中养分的利用率。

3 腐植酸对土壤生物学性质的调控作用

腐植酸与土壤微生物数量和丰度、土壤动物、土壤酶活性有密切的关系，腐植酸对土壤生物学性质的调控作用包括对土壤微生物及土壤动物、土壤酶的调控。

3.1 腐植酸提高土壤微生物数量、丰度及调控土壤 动物

腐植酸能够影响土壤中微生物的数量和丰度。高涵等[55]研究表明，施加腐植酸复合肥的辣椒根际土壤细菌、放线菌、微生物量碳和微生物量氮均高于常规施肥。杨云马等[56]研究结果同样表明，添加腐植酸可以增加土壤中的微生物数量，对不同种类的微生物作用效果不同，对细菌的影响最大，真菌次之，放线菌最小。王宏杰[57]通过对棉花根际土壤微生物多样性分析发现，常规施肥配施腐植酸促进了土壤中细菌群落和真菌群落活性，且物种数增多，丰度显著提高。杨云马等[56]通过对棉花根际土壤微生物群落丰度组成分析发现，施用腐植酸显著提高了多个利于棉花生长的有益细菌的相对丰度，降低了不利于棉花生长细菌的相对丰度；施用腐植酸后促进了有益真菌菌属活性，抑制了病原真菌的存活；同时，腐植酸对土壤微生物的影响因腐植酸组分不同而不同。Bhardwaj等[58]研究表明，腐植酸能明显促进固氮菌生长，提高固氮菌的固氮能力，以腐植酸中的黄腐酸组分效果更为显著，且对固氮菌数量的影响大于其对固氮能力的影响。

腐植酸对土壤中的小动物同样具有调控作用。刘雪兰等[59]研究发现，鸡粪发酵基质中分别喷洒2000 ppm腐植酸对青年蚯蚓生长有显著促进作用。

3.2 腐植酸调控土壤酶活性

腐植酸具有调控土壤酶活性的作用。腐植酸对土壤脲酶的作用是对土壤酶影响的重要方面。有研究认为，腐植酸能够在加入初期抑制脲酶活性，降低尿素水解速度，从而减少水解产物氨的挥发；而加入后期却能够稳定脲酶活性，使尿素继续以相对稳定的速度转化成氨，供给作物生长[60]。腐植酸之所以能够抑制脲酶活性，一方面是因为腐植酸中大量不饱和键可以有效防止脲酶中巯基被氧化来降低脲酶活性[61]，另一方面腐植酸的官能团还能螯合土壤中作为脲酶巯基抑制剂的铜离子和汞离子，最终与脲酶的巯基相互作用，形成较大的络合物颗粒，从而抑制脲酶的活性，降低尿素分解速率[62]。此外，腐植酸对其他酶类的影响有：在基质中施加腐植酸能提高基质中蔗糖酶和碱性磷酸酶活性，提高多酚氧化酶活性，其活性大小与土壤中的有机质、微生物数量等因素密切相关[63]。孙倩等[64]试验结果表明，腐植酸的施用能有效提高土壤酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性，尤其以小分子腐植酸最显著。唐乐等[65]试验结果表明，施用腐植酸能增加土壤酸性磷酸酶活性；刘兰兰等[66]通过小区试验同样证实，腐植酸具有提高土壤酸性磷酸酶和蔗糖酶活性的作用，而Allison[67]的试验结果表明，在含大量有机质的土壤中，腐植酸能够强烈抑制酸性磷酸酶和N-乙酰氨基葡萄糖苷酶等的活性。因此，腐植酸对土壤中酸性磷酸酶活性的调控作用有待进一步证实。彭正萍等[68]研究表明，向种植油菜的潮褐土中施用腐植酸复合肥，较普通复合肥更能提高土壤碱性磷酸酶活性和过氧化氢酶活性，从而活化土壤中的磷素，提高有效磷含量。

4 展望

近些年来，随着对腐植酸应用目标要求的逐渐提高和研究内容的逐渐深入，现有的研究内容已不能满足未来发展的需求，还需要从以下几个方面实现突破：

（1）腐植酸基本特征的研究。因为腐植酸原料来源不同、制备工艺不同，获得的腐植酸的组分、分子量、结构、官能团以及发挥作用都不尽相同，为了更好地应用腐植酸，借助现代技术手段，创新更好的检测方法去探求不同原料来源、不同制备工艺、不同产品复配的腐植酸发挥作用的本质是什么。

（2）腐植酸对土壤功能性微生物、酶活性等的影响研究。腐植酸的存在明显影响土壤微生物数量和群落结构。对功能性微生物、酶活性的研究有助于探究腐植酸促进土壤中养分转化的机理，为腐植酸的利用提供重要的理论支持。希望土壤微生物学家在这方面投入更多的力量，取得新的研究成果。

（3）加强腐植酸农业应用技术创新研究。几十年来，腐植酸在农业应用中的“刺激生长，增强抗逆，改良土壤，增效肥料，改善品质”五大作用已得到共识，而且又有大量试验进行了验证，腐植酸人既要从理论上总结归纳，把发挥相应作用的关键因子精准定位，又要结合国家政策，加大腐植酸“五大作用”的普及和腐植酸肥料产品的成果推广应用，为推广应用腐植酸产品做好配套的“技术体系、工艺体系、产品体系、标准体系”的“产学研用”一条龙服务，把腐植酸肥料产品做好做精。