简述腐植酸土壤改良最新研究成果

冯莉杰 刘子静 孙 彬 冯梦喜

新疆黑色生态科技股份有限公司 乌鲁木齐 831400

腐植酸因含有多种活性基团，在施入土壤后，能通过络合、螯合、吸附作用与土壤矿物发生反应，促进土壤团聚体形成、增加土壤的交换容量、调节土壤酸碱性、提高土壤微生物活性，从而具有改良土壤、增进肥效的作用[1]。我国农学家在多年的生物试验和大田示范基础上总结出腐植酸在农业生产中的改良土壤、提高肥效、调节作物生长、增强作物抗逆能力、改善作物品质等5 大作用[2]。本文结合多年的研究积累和对有关腐植酸研究的文献分析，总结了腐植酸在土壤改良中的作用，并针对存在的问题，指出了未来利用腐植酸改良土壤研究中的重点方向，期望对腐植酸的应用研究和产品研发提供参考借鉴。

1 腐植酸的来源及其结构特点

腐植酸广泛存在于土壤、江河湖泊、低阶煤炭中，是维持土壤结构和肥力的关键组成[2]。按照来源可分为天然腐植酸和人工腐植酸。天然腐植酸主要包括矿物源腐植酸、土壤腐植酸、水体腐植酸等。目前，国内工业生产的腐植酸主要为矿物源腐植酸，来源主要为泥炭、褐煤和风化煤。泥炭是植物残体腐殖化初期阶段的产物，也是成煤的第一阶段，腐植酸含量在20%～40%之间。褐煤是成煤过程第二阶段前期的产物，具有较强的化学活性，腐植酸含量在20%～60%之间。风化煤即露头煤，俗称煤逊、引煤等，是接近或暴露于地表的煤长期经受阳光、雨雪、冰冻以及风沙等作用而形成的一类变质煤，其提取的腐植酸化学活性高于褐煤和泥炭来源的腐植酸，腐植酸含量在20%～80%之间。按照溶剂溶解性和颜色，腐植酸包括黑腐酸、棕腐酸和黄腐酸。其中，黄腐酸指可溶于碱性溶液、酸性溶液、中性水溶液和丙酮、乙醇的腐植酸组分，即矿物源腐植酸原料中有机质在碱溶-酸析后留在酸性溶液中的那部分可溶有机酸。棕腐酸指可溶于丙酮、乙醇等极性有机溶剂的组分，该组分一般只能从碱溶-酸析得到的腐植酸胶体中用丙酮/乙醇萃取出来。黑腐酸指只溶于碱性溶液，不溶于水、酸性溶液和丙酮、乙醇的腐植酸组分，即从腐植酸胶体中萃取出棕腐酸后剩下的那部分腐植酸。

腐植酸含有20 多种不同活性的官能团，这些官能团使腐植酸具有亲水性、吸附性、酸性、碱性、阳离子交换性等不同功能，能够在土壤中发生吸附、离子交换、络合和氧化还原作用，使得腐植酸及各类腐植酸产品被广泛应用于土壤改良中。

2 腐植酸对土壤的改良作用

2.1 腐植酸促进土壤团粒结构的形成

土壤团粒结构是由若干土壤单位粘结在一起形成团聚体的一种土壤结构。因为单粒间形成小孔隙、团聚体间形成大孔隙，所以与单粒结构相比较，团粒结构总孔隙度较大，小孔隙能保持水分，大孔隙则保持通气，团粒结构土壤能保持植物根的良好生长[3]。腐植酸类物质是一种具有多种高活性化学官能团的高分子聚合物，腐植酸的醇羟基、羰基、羧基等亲水基团，在水中发生电离并与水分子结合形成氢键，从而提高土壤含水率。有研究表明，腐植酸类物质在南方的酸性土壤（红壤、砖红壤、黄壤）中能与三氧化物（Fe2O3、Al2O3等）络合形成絮状凝胶，在北方石灰性土壤中能与钙、镁等金属离子络合形成絮状凝胶，这些胶体物质本身具有较好的胶结性能，能把分散的土粒胶结起来，形成水稳定性较好的团粒结构[4]。张志美等[5]研究表明，液体腐植酸可改善东营市滨海重度盐碱地土壤团粒结构、减弱毛细现象，使粒径大于0.25 mm 的水稳性大团聚体比例增至20.24%～63.98%，毛细现象降低79.62%～88.95%。土壤中的团粒结构有利于水、气、肥、热的调节，从而增强了土壤的毛管性能和通气透水能力，为作物正常生长发育创造了良好的环境条件。

2.2 腐植酸调节土壤酸碱度和降低土壤含盐量

腐植酸是一种弱酸，也是一种大分子有机两性物质。腐植酸的酸性官能团释放出的氢离子可与土壤中碱性物质发生中和反应生成水，降低土壤碱度。腐植酸中的醛基、羧基等官能团，一方面能生成腐植酸盐，形成腐植酸-腐植酸盐相互转化的缓冲系统；另一方面能够与土壤中的各种阳离子结合，增加阳离子吸附量。腐植酸的盐基交换量为2～3 mol/kg，是土壤黏土矿物的10～20倍，使得土壤溶液中的盐离子（Na+、Cl-、HCO3-、CO32-、Mg2+）能够与腐植酸发生交换作用，降低土壤盐基含量。

中国长江以南广泛分布着酸性较强的土壤，pH 值在4.0～6.0 左右。根据调查研究发现，土壤普遍呈酸性的主要原因是盐基离子强淋溶，土壤积累较多的吸收性氢离子和铝离子，尤其是吸收性铝离子增多，加剧了水分电离产生氢离子的过程。因此，铝离子是土壤氢离子的主要来源。在强酸性土壤中，微生物活力降低，土壤中的有效磷易被游离铁、铝离子固定而失活，作物难以吸收利用。腐植酸可以与土壤中的游离铝离子、铁离子结合为较为稳定的络合物，抑制了氢离子的生成，从而缓解了土壤酸度，并降低了铝、铁对作物的毒害及对磷的固定作用[6]。有研究表明，在樱桃番茄植株移栽120 天时，施用0.20‰～0.30‰碱性腐植酸营养液的盆栽土壤pH ＞5.60，而施用复合肥的土壤pH ＜5.00，可见，碱性腐植酸营养液对酸化土壤有改良作用[7]。

我国有近四亿亩盐碱地，主要分布在东北辽松平原、西北、华北及滨海地区，包括盐土和碱土两大类[8]。盐土主要是土体内含有较多的可溶性盐类，以氯化钠、硫酸钠为主。碱土主要是土体内含有较多的碳酸氢钠、碳酸钠和交换性钠，使土壤碱性过高，pH 值一般在9.00 左右。盐碱土土粒分散度高，土壤结构性很差，通气性不好，耕性不良，是需要改良的恶性土壤。“盐随水来，水随气散，气散盐存”是盐碱土的基本发生规律。在这类土壤上施用含腐植酸类肥料，可提高土壤的阳离子代换能力，促进土壤团粒结构的形成，从而破坏盐分上升，减缓表土盐分的积累，降低表土含盐量，起到“隔盐作用”。腐植酸分子上的羧基等酸性基团，可在一定程度上中和土壤碱度，并加速钠离子的脱除。腐植酸对土壤水有较强的吸持能力，使土壤的保水能力提高，在一定程度上降低了土壤水分的向上运动，从而减少了地面蒸发失水积盐过程。另外，腐植酸具有较强的生理活性，对根系的发展及体内的碳、氮和水分代谢，多种酶的活性都有促进作用，从而提高了作物的抗盐碱能力[9]。于晓东等[10]研究表明，腐植酸土壤调理剂能够改良土壤盐碱障碍，相比常规施肥处理，pH 值降低0.30～0.43 个单位，碱化度降低4.6%～27.2%，脱盐率为17.28%～23.53%，Na+含量降低15.4%～42.7%，Cl-含量降低20.7%～37.6%。

2.3 腐植酸调节土壤微生物及土壤酶活性

2.3.1 腐植酸调节土壤微生物活性

土壤之所以具有生命的特征，主要是因为在土壤中生活着种类繁多、数量巨大的微生物和土壤动物。据测定每1 g 土壤中就含有300～500 万个微生物，每667 m2耕层土壤可含有上千克活的微生物。土壤作为微生物生活的环境，在适宜的条件下，这些微生物繁殖非常快，他们对施入或残留于土壤中的有机物质分解，腐殖质的形成，养分的活化、释放、保持及土壤结构的形成、理化性状的改善都有重要作用[11]。

腐植酸对土壤微生物量有一定的调节作用。施用腐植酸能显著提高土壤三大类群微生物（细菌、真菌和放线菌）的数量。土壤微生物量是指土壤中除了活的植物体（如植物根系等）外，体积小于5×103μm3的生物总量，是土壤有机质中最活跃和最易变化的部分。施用腐植酸能显著提高土壤三大类群微生物的数量。孙海燕等[12]研究表明，施用腐植酸生物肥增加了土壤细菌和真菌的数量。郭越宏等[13]在研究腐植酸对李氏禾-红壤处理系统中铬赋存形态、微生物群落及酶活性的影响时发现，腐植酸能显著促进细菌、真菌和放线菌生长繁殖，细菌、真菌和放线菌数量与腐植酸浓度呈正相关。因此，可以表明腐植酸对土壤微生物数量的促进作用。

腐植酸对土壤微生物的多样性有一定的调节作用。Yi 等[14]研究发现，在土壤中加入不同质量比的腐植酸（0.2%～1.5%）可增加微生物群落的丰度。高通量测序技术也证实了腐植酸可以显著增加细菌和真菌的多样性，在玉米抽雄期和生育期，用量为3.75 t/hm2腐植酸处理的细菌OTUs（定义为97%的序列相似性）数量相比不施肥处理提高7.44%和4.82%[15]。安梦洁等[16]研究腐植酸在调控铅、镉污染棉田的过程中发现，腐植酸可提高酸杆菌门和芽单胞菌门的相对丰度，进而对土壤微环境起到一定的优化作用。刘佳欢等[17]试验研究发现，施用腐植酸肥料可以显著提高土壤微生物的平均颜色变化率（AWCD），且施用量越多，AWCD越高，土壤微生物密度越大、活性越高。研究还发现，腐植酸处理的AWCD 较等养分化肥对照，最大可提高39.3%。因此，可以认为施用腐植酸肥料能促进土壤微生物的整体代谢活性，提高微生物多样性。

2.3.2 腐植酸调节土壤酶活性

国内外大量试验表明，施用腐植酸可明显提高酶的活性。据测定，施用腐植酸后酶类增加的数量为：纤维素酶6%～50%、磷酸酶8.4%～46%、蛋白酶14%～43%，其中泥炭腐植酸效果最好。马斌等[18]对旱作土壤连续4 年施用褐煤腐植酸，表明腐植酸的施用，可逐年增加土壤微生物碳、氮、磷含量，增强土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性，并发现土壤酶活性与土壤微生物量有很好的相关性。高裁二郎等[19]报道了土壤中添加硝基腐植酸对酶的影响，发现培育21 天比对照增加最为突出，过氧化氢酶增加19 倍。范仲卿等[20]研究表明，连续4 年种植条件下，各年度使用腐植酸质量分数为6%的复合肥土壤酶活性均显著高于普通复合肥；使用腐植酸质量分数为6%的复合肥与普通复合肥相比，土壤脲酶活性、碱性磷酸酶活性增加幅度逐年增大。总体而言，腐植酸与酶相互作用对酶的活性与稳定性均有保护作用。

2.4 腐植酸提高土壤养分有效性

2.4.1 腐植酸提高土壤氮的有效性

碳酸氢铵是常用的氮肥，性质不稳定，在常温下容易逐渐分解为二氧化碳和氨气挥发流失。据报道，碳酸氢铵在田间释放氮素被作物吸收的时间仅维持20 多天，而碳酸氢铵与腐植酸复合成腐植酸铵后在田间释放氮素被作物吸收的时间可延长至60 天以上，氮的流失大大降低[21]。尿素是氮含量最高、使用最广泛的氮肥，氮素有效利用率也仅有30%～35%[22]。尿素是有机态氮肥，需要经过土壤中的脲酶作用，分解成碳酸铵或碳酸氢铵后，才能被作物吸收利用，但是大部分土壤中的脲酶过分活跃，对尿素的分解速度过快，在30 ℃、2 天就可全部转化为碳酸铵，继而分解为二氧化碳和氨气。但是当尿素中添加腐植酸，腐植酸的羧基和酚羟基均能够与尿素反应形成氢键和络合配位键，同时，形成一定量的COO-NH4+离子键；腐植酸的羰基和羧基与尿素的-NH2基发生作用，形成＞C=N 键；腐植酸的醌基则以自由基断片形式与尿素反应，形成离子键或共价键，生成腐植酸-脲络合物。以上种种，从而抑制尿素与土壤之间发生的分解反应，使尿素缓慢释放。景建元等[23]研究表明，腐植酸的羧基参与了腐植酸与尿素的反应，且反应方式为腐植酸羧基C-OH 化学键断裂，与尿素胺基结合，脱水形成R-CO-NH-CO-NH2，从而有效延缓尿素水解，提高作物产量与氮肥利用效率。可见，氮肥中添加腐植酸，在土壤中能降低氮肥分解速率，进而提高氮肥有效性。

2.4.2 腐植酸提高土壤磷的有效性

磷肥在土壤固液界面的行为受固相表面性质制约。经试验证明，施入腐植酸后土壤对磷酸根的吸附固定量减少[24～27]。20 世纪50 年代，日本的奥田束发现腐植酸有活化磷肥的作用，桥本雄司等证明腐植酸及其盐类都能不同程度地活化土壤中被固定的磷[28]。速效磷肥施入土壤后在短期内被固定的原因大致如下：（1）化学沉淀，在酸性土壤（pH=4）中磷酸根与铁离子、铝离子等形成不溶性的磷酸盐；在碱性土壤中则与钙离子形成磷酸二钙乃至磷酸八钙或羟基磷灰石[26]。（2）胶体作用，酸性土壤中通过铁、铝水合离子对磷酸根固定，而碱性土壤中通过钙离子发生表面吸附[29]。（3）同晶代换，在pH为5.0～6.0时黏土中铁离子、铝离子、钙离子较少，这时磷酸根易取代土壤矿物质中较活泼的硅酸根等负离子形成不溶物被固定下来，从而导致磷肥利用率低。在所有的化学肥料中，磷肥的当季有效性最低，一般只有10%～20%，我国60%的土壤由于有效磷被固定而失去活性、自然因素流失的原因而导致缺磷，如何抑制速效磷肥的固定、提高磷肥有效性，已经成为我国甚至是世界性的重大课题。陈建超[30]通过试验证明，通过腐植酸处理的土壤有效磷含量较对照增加了142%，植物吸磷量增加了65%。而腐植酸对磷的增效作用早就引起了广大农业化学家的关注[31]。研究表明，腐植酸主要通过4 种方式对速效磷起保护作用：（1）腐植酸优先与铁离子、铝离子等高价离子络合，使高价金属离子减少与磷酸根结合的机会；（2）腐植酸的一价盐与过磷酸钙发生复分解反应，形成水溶性磷酸盐与枸溶性的腐植酸磷酸钙的复合物；（3）腐植酸与磷酸盐作用形成可溶的或者缓溶的络合物，这类络合物多数可被植物吸收利用，防止被土壤固定；（4）腐植酸阴离子在土壤黏土上发生极性吸附，减少磷酸根被吸附的概率。

2.4.3 腐植酸提高土壤钾的有效性

一般认为钾肥无效化的主要途径是淋溶损失和土壤干湿交替引起的晶格固定。我国钾肥利用率在50%左右，平均被固定约45%，在高温高湿的南方土壤及砂质土壤，钾的淋失更加严重。腐植酸与钾结合后就可有效地减少土壤粘土对钾离子的固定。腐植酸对钾增效作用主要反映在3 个方面：提高植物吸钾量、减少土壤固钾量、活化土壤潜在钾量。庞庆阳等[32]通过田间试验研究水溶性腐植酸肥料对土壤影响表明，腐植酸处理与对照组相比，整个生长期内，腐植酸复合肥在0～20 cm 土层中土壤速效钾含量增加37.02%；在20～40 cm 土层中土壤速效钾含量增加57.36%；与等养分复合肥相比，腐植酸复合肥在0～20 cm 土层中土壤速效钾含量增加4.29%；在20～40 cm 土层中，土壤速效钾含量增加15.39%。

2.4.4 腐植酸提高土壤中微量元素的有效性

中、微量元素是植物体内多种酶的组成成分，他们对作物的生长发育、体内多种酶的活性、作物的抗逆性、作物产量与品质都有重要影响，缺乏或过剩都使作物表现出特有病症。微量元素在植物体内移动性差、利用率低、敏感性高，有时丰、缺症状可能表现得特别明显。人工施用中、微量元素化学肥料，就是为了补充植物所需，但使用后也往往大部分被土壤固定。腐植酸对中微量元素同样具有增效和保护作用，对土壤中那些被固定的无效元素具有激活的作用。何立千[33]研究表明，腐植酸与硫酸锌混施与单施加硫酸锌相比，锌的利用率提高34%，有效锌转化率提高了1 倍以上。孙志梅等[34]对北方土壤施用腐植酸的研究表明，腐植酸使土壤中的有效铁含量提高1.17%～3.13%。樊成等[35]在苹果树上喷施黄腐酸钙，钙泵活性提高了587.37%，高于氨基酸钙167.55%。邵俊飞等[36]研究表明，优化施肥同时增施腐植酸硅钙肥能够提高苹果树生产力、改善果实品质、提高土壤肥力。小林氏研究发现，在容易发生缺铁黄叶病的土壤中，施用硝基腐植酸能增加作物体内氮、磷、钾、硅、铁、镁、锰的含量，说明腐植酸不仅能促进大量元素的吸收，也能促进微量元素的吸收，这对维持作物营养平衡，提高肥料利用率都有重要作用[37]。

3 存在问题与展望

3.1 存在的主要问题

3.1.1 腐植酸来源问题

腐植酸不是纯物质，它的组成随来源的不同差异很大，想要得到好的腐植酸产品，先决条件是原料的质量好并且稳定，但由于目前对腐植酸不同组分及其特性分析尚浅，试验设计和应用技术中的腐植酸来源类型不明，对腐植酸的发展带来很大的挑战。腐植酸有矿物源腐植酸和生物源腐植酸，矿物源腐植酸苯环结构较多，成分较为固定，但原料为不可再生资源，生物源腐植酸结构以碳链较多，因发酵原料来源广泛，成分差异大，不易鉴定，存在以假乱真的情况，造成一定的市场混乱，极大地影响了腐植酸产品应用推广。

3.1.2 腐植酸标准问题

腐植酸在国内已经开发使用数十年，因腐植酸原料来源的不一致性、官能团的丰富性、功能的多样性、应用领域的广泛性，市面上产品也是相当丰富。腐植酸土壤改良标准主要有3 个方面的问题：（1）腐植酸土壤改良产品标准体系不够完善；（2）现行的相关标准在实践中也暴露出一些问题，需要及时修订。（3）在应用标准时，标准与相关产品的匹配度有差距。腐植酸土壤改良有丰富产品，这些产品在应用标准时，因前2 个问题导致的标准缺失，会使产品生产和出厂时无匹配的标准可依，产品的质量难以得到保障。

3.2 展望

现有研究已经充分证明腐植酸在促进土壤团粒结构的形成、调节土壤酸碱度和降低土壤含盐量、提高土壤微生物和土壤酶活性、提高土壤养分有效性等方面均具有突出效果，我国存在大量的盐碱地和酸性土壤、退化土壤。以此，利用腐植酸改良问题土壤有重要意义，但是我国需要改良的土壤实际情况各不相同，如何有针对性地发挥腐植酸的作用和价值成为研发重点。因此，国家应积极出台利好政策、提供资金支持大专院校、科研院所及企事业单位开展腐植酸在土壤改良中相关研究，通过基础研究深入发掘腐植酸改良土壤的机理，持续提升腐植酸改良土壤的技术与工艺，开发出更多更精准的产品，完善腐植酸相关标准体系，及时推进腐植酸相关标准的制修订，使相应产品有相应的标准匹配，以严把腐植酸产品质量关，使腐植酸在土壤改良中得到更加广泛的应用。