腐植酸肥料对作物根际土壤微环境的作用效应

余庆宇 李婷玉 王要芳 卢维宏* 徐 德

1 宿州学院环境与测绘工程学院 宿州 234000

2 宿州学院生物与食品工程学院 宿州 234000

腐植酸是生态农业和无公害农业中常用的一种富碳有机土壤调理材料。腐植酸肥料则是在传统化学肥料的基础上，复合了腐植酸或黄腐酸的一类新型高效肥产品，其在提高养分利用效率[1]、改善土壤理化结构[2]、刺激作物生长发育[3]、增强抗逆能力[4，5]、提高农产品产量和品质[2]等方面具有明显优势。因此，不同类型的腐植酸肥料也备受人们关注，特别是在2022 年8 月《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030）》发布的大背景下，充分利用腐植酸的绿色低碳属性，重点围绕腐植酸在土壤固碳增汇、肥料低碳、节能减排、废弃物循环利用和生态环境修复等方面，开展腐植酸低碳技术研究显得尤为重要。腐植酸与化肥的有机无机结合，不仅是肥料减施增效有效措施，也是构建土壤碳库的重要渠道，特别是有关腐植酸与化肥联合后形成的不同类型腐植酸肥料，代替传统化肥施用后对土壤结构的影响等方面已有不少学者进行了大量的研究，非常有必要对腐植酸肥料的土壤调控效应进行系统归纳总结。为此，本文分别从土壤物理、化学、微生物三个维度对腐植酸肥料在作物根际土壤微环境中的作用效应进行了系统阐述，并总结了腐植酸在与肥料有机结合中亟待解决的科学问题、探讨其研究方向，以期促进腐植酸肥料产业化发展，为其在农田土壤质量提升中的应用提供参考。

1 腐植酸肥料对作物根际土壤环境的物理效应

土壤物理特性（如土壤团聚体、容重、通透性和疏松性等）在一定程度上直接或间接影响作物生长与环境质量健康，特别是作物根际土壤微环境的物理特性。研究表明，腐植酸肥料的应用能够优化根际土壤团粒结构，如在盐渍土壤中将腐植酸与不同用量氮肥配比应用，腐植酸与氮肥配合可提高土壤＞2.0 mm 水稳性团聚体含量，大颗粒团聚体较对照增加16.2%[6，7]。赵东彦等[8]的研究结果表明，风化煤腐植酸与玉米秸秆配施可以有效改善土壤物理性能，利于土壤微团粒形成，改善土壤容重，特别是腐植酸/黄腐酸与生物炭复合在玉米种植中进行使用，可以降低根际土壤容重达1.9%，显著抑制了表层土壤的返盐性，促进了土壤团聚体的形成[9]。刘艳等[10]将新型大颗粒活化腐植酸肥料在苹果种植中进行施用，显著优化了其根际土壤的水稳性团聚体，其中，＞2.0 mm 和2.0 ～0.25 mm粒径团聚体含量增幅分别达到了53.4%～77.5%、12.3%～17.0%，且提高幅度随施用量的增加而增大；全量施肥和减量1/4 施肥条件下，大颗粒活性腐植酸肥料显著提高＞2.0 mm 粒径团聚体有机碳含量，且＞2.0 mm 粒径团聚体有机碳对总有机碳的贡献率最大，达到66.0%以上。这种现象在庞庆阳等[11]的研究中也得到了类似结果，均表明腐植酸肥料的合理施用可有效促进作物根际土壤团聚体从小粒径状态向较大粒径状态转化，而2 ～0.25 mm 和＞2.0 mm 粒径的土壤团聚体占比的增加也是土壤养分活性和生物酶活性等肥力指标改善的重要表现。

林枫等[12]采用腐植酸肥料在河南省焦作市潮土上开展长期定位化肥增效减施试验，结果表明，每亩减氮15%的情况下，腐植酸肥料的施用能显著降低作物根际土壤容重（P＜0.05），降幅范围达到了3.67%～8.88%，土壤孔隙度、透气性和疏松性能也得到了优化。同时，腐植酸的应用也进一步改善了根际土壤的抗侵蚀能力及保水特性。如，孙燕等[7]通过向土壤中施加1、2、4、8 g/kg 生化黄腐酸的入渗试验表明，各试验组累计入渗量平均增加了4.0%以上，且入渗量表现出随浓度升高先增后减的趋势，土壤剖面含水率也均有显著的增幅，促进了根际土壤保水效应。李晓菊[13]在不同改良剂（腐植酸、羧甲基纤维素钠）对滨海盐碱地水盐运移及玉米生长影响的研究结果中表明，腐植酸和羧甲基纤维素钠均可不同程度地提高土壤保水性能，降低土壤水分蒸发，减少盐分离子向土壤表层积累，促进淋洗过程中土壤脱盐率，且这种脱盐效率随着改良剂使用量的增加而表现递增趋势，而这种特性在腐植酸的使用过程中表现更为突出的效果。因此，腐植酸肥料对于改善土壤物理环境具有重要的积极效应。

此外，不同来源腐植酸对作物根际土壤物理结构具有较好的改善效应。研究结果表明，随着煤基腐植酸使用量的增加，土壤的团聚体含量、平均质量直径均表现了提高的趋势，且以单独使用煤基腐植酸的效果最佳。而在较短时间内（约10 d）土壤总孔隙度、田间持水量则随着生物基腐植酸使用比例的增加而增大，容重随之降低；超过25 d 时，土壤总孔隙度、田间持水量则又随着煤基腐植酸使用比例的增加而增大，容重随着降低，以煤基∶生物基使用比例为7 ∶3 的组合最佳[14]。在大田小麦-玉米轮作体系中，连续施用不同类型腐植酸（如风化煤、氧活化腐植酸、碱活化腐植酸），其中风化煤较高用量（1125 或1575 kg/hm2）或碱活化腐植酸较低用量（225 或675 kg/hm2）均可提高土壤持水能力，增大土壤总孔隙度、毛管孔隙度，降低土壤通气孔隙度。风化煤或碱活化腐植酸均可提高0.25 ～2.0 mm 粒径团聚体含量，均可提升0.053 ～0.25 mm 和＜0.002 mm 粒径微团聚体含量，降低0.02 ～0.053 mm 粒径微团聚体含量，两者无显著差异[15]。

总而言之，腐植酸肥料能够有效增加土壤较大团聚体的占比，降低土壤容重，进而增强土壤透气性和保水性能，对于土壤的物理性能有积极作用。

2 腐植酸肥料对作物根际土壤环境的化学效应

土壤化学性质影响土壤中的关键化学过程、物理化学过程、生物化学过程以及生物学过程的进行，影响着土壤质量的健康状况，尤其是作物根际土壤微环境的化学效应，直接影响着作物能否实现高产优质的关键过程。大量研究表明，与单一化学肥料相比，腐植酸肥料能显著改善作物根际土壤化学指标，进而提高土壤化学肥力，促进作物生长发育。张晓宇等[16]研究表明，与传统化肥相比，施用减量15%的腐植酸肥料可显著提高设施辣椒根际土壤中氮、磷、钾的当季利用效率，其当季利用效率增幅分别达到了37.2%～62.2%、38.6%～69.5%、24.7%～56.8%。在小麦种植过程中，施用含有黄腐酸的腐植酸控释尿素，不仅实现了控释尿素的协同增效，特别是在促进根际土壤硝态氮、有效磷含量等方面具有突出优势，较对照分别增幅分别达到了54.7%、19.6%，而且实现了一次基施可显著提高小麦中后期根际土壤氮养分供应强度的作用的作用效果，满足了小麦各生育期的氮素需求，提高了小麦地上部生物量和籽粒产量水平[17]。此外，施用含有小分子高活性黄腐酸的腐植酸硅钙钾镁肥，与不含黄腐酸的对照相比，根际土壤中碱解氮、速效磷、速效钾、有效硅均有了显著的提高，其中有效硅的增幅达到了48.0%，满足了桃树生长关键时期对氮、磷、钾、硅等元素需求[18]。同样，黄腐酸包膜磷酸二铵可在减施磷20%的条件下，增加根际土壤有效磷含量25%以上，降低了根际土壤对磷素的吸附固定[19，20]。唐晓乐等[21]研究黑土磷元素活化中也获得相似的结果，即黄腐酸与有机肥关联施用后，黑土中磷素活化吸收提高55.8%。在微酸性或微碱性土壤的番茄种植过程中，黄腐酸的施用也可以通过调节作物根际土壤pH 值来活化土壤磷元素，降低碱性土壤中磷的固定程度，显著增加番茄根、茎、叶片、果实中磷的累积量[22]。丁守鹏等[2]的研究结果表明，腐植酸肥料提高根际土壤中有效磷含量10.0%～16.0%；显著降低土壤含盐量，降幅大约20%～30%；特别是对于盐碱地降低土壤电导率和钠离子保留具有较好的效果[23]，延缓了钠离子对作物的胁迫效应[24]。综合来看，黄腐酸配合化肥施用，不仅在提高氮、磷、钾利用效率方面效果突出，而且在维持土壤碳库，减少农田土壤氨挥发和碳排放方面也具有一定效果，特别是N2O、CO2[25～28]。

此外，腐植酸肥料的使用还能有效改善根际土壤酸化及盐碱化等农田土壤质量退化特性。研究表明，在南方酸化耕地土壤上使用腐植酸肥料，可显著改善根际土壤酸化状况，与对照相比，土壤pH值由原来的5.28 提高到了5.75，处理后的土壤中交换性H+、交换性酸总量及交换态铝均明显下降；同时，显著提高了土壤有机质、有效磷、速效钾含量以及土壤中交换性钙和交换性镁含量[29]，这种现象在连续（≥2 年）使用腐植酸肥料的酸化土壤上效果更为明显[30]。此外，在盐碱化土壤改良中，腐植酸肥料也表现了突出的优势，如施用高量腐植酸肥料不仅能降低盐碱土壤碱化度18.7%[31]，减少盐分离子在表层土壤中的累积，还能促进土壤淋溶过程中的拖延效应[13]。

3 腐植酸肥料对作物根际土壤环境的生物学效应

生物学特性是土壤肥力最为敏感的关键指标，特别是对作物根际土壤微环境的影响。大量研究表明，微生物种群结构失衡，有益微生物数量减少，病原微生物数量增加是土壤发生连作障碍的主要原因之一[32，33]。腐植酸肥料能够有效补充土壤碳组分，提高土壤有机质，增强土壤中有益微生物多样性和平衡性。胡兰等[34]通过将具有熏蒸效果的杀线虫剂棉隆与黄腐酸联合施用，能有效降低不同生育期茄子土壤中的真菌数量，与对照相比，移栽前基施黄腐酸与棉隆，可分别降低定植期、开花期、结果期和收获期根际土壤中真菌数量73.9%，特别是对根际优势菌群曲霉菌（Aspergilliusspp.）、镰孢菌（Fusariumspp.）、青霉菌（Penicilliumspp.）抑制效果最好。这种现象在王瑾等[35]的研究结果中也得到了证实，即随着黄腐酸施用周期的延长，苗期黄腐酸有机-无机复混药肥处理组的茄子根际土壤中微生物总数，显著高于常规化肥处理组。孙世君等[36]在探索不同连作年限温室黄瓜土壤养分和微生物群落中发现，腐植酸的加入，促进了连作4 年、11 年大棚土壤细菌的优势菌群，抑制了真菌的相对丰度，其中子囊菌门（Basidiomycota）菌群的抑制率达到了5.61%。袁婉潼[37]研究中也表明，适量施用腐植酸可显著提高盐碱土壤中细菌数量，特别是在化肥减施的情况下，配施优质腐植酸会促进土壤微生物多样性。孙海燕等[38]在黑土地化肥减施15%～30%的条件下，配合腐植酸生物肥400 ～600 kg/hm2，显著增加了土壤微生物的多样性，特别是增加了土壤中细菌数量，提高了细菌/真菌比值，其增长幅度分别达到了12.3%～181.8%，且随着腐植酸施用量的增加和时间的延长，这种优化效果更佳。

土壤中关键酶活性也是表征土壤质量的重要生物学指标之一。大量研究表明，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶等活性与土壤中有机质、氮、磷等养分的吸收转化及逆境胁迫效应间存在显著的相关性[39～41]。王瑾等[42]按低、中、高量将腐植酸与化肥配施，土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶的活性均得到显著提升。张晓宇等[43]从施用黄腐酸降低化肥用量研究中获得，土壤过氧化氢酶提高2.7%～12.2%，而脲酶、蔗糖酶活性均在适度化肥减量下有显著提高。同样，李亚杰等[44]在旱地马铃薯种植中连续2 年施用腐植酸菌肥，发现较常规复合肥显著提高根区土壤脲酶、蔗糖酶、脱氢酶活性。刘佳欢等[45]在小麦种植试验中发现，施用黄腐酸肥料也能够显著促进根际土壤中脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶的活性。此外，还有研究发现，黄腐酸和腐植酸均促进微生物铁还原过程，腐植酸抑制了·OH 产量，这将有助于认识氧化还原波动下的土壤环境（如水稻土、湿地等）中微生物铁还原和活性氧产生过程[46]。郭越宏等[47]通过时代模型分析研究了腐植酸对铬污染红壤中微生物及酶活性影响。研究表明，腐植酸能够有效促进细菌、真菌和放线菌的生长定殖，提高蔗糖酶和碱性磷酸酶活性，降低过氧化氢酶和多酚氧化酶活性。进一步研究表明，微生物数量与腐植酸浓度呈正相关，与土壤中残渣态铬含量呈正相关；而多酚氧化酶和过氧化氢酶活性与细菌数量和腐植酸施用浓度则呈负相关，与植物体内铬含量呈正相关，说明腐植酸能够通过改善土壤微生物及酶环境而降低土壤铬对作物的胁迫效应。

4 存在问题及研究趋势

4.1 主要问题

针对腐植酸在农田土壤质量改良和污染土壤修复方面的应用，国内外学者已开展大量研究。随着农业种植结构的调整、循环经济的发展和农学知识的普及，土壤质量和土壤健康评价及关注度也日渐提升，但腐植酸应用基础研究和技术研发远不能满足生产实际的需求，存在的主要问题如下：

（1）随着现代智慧农业技术的发展以及高标准农田建设规模的加大，关注作物根际土壤微环境显得尤为重要，这将进一步促进行业对速溶效果好、溶解性强、功能性突出且特点明确的腐植酸材料的需求加大，而煤基和生物基腐植酸及其分级分类的新产品研发远不能完全满足未来市场的迫切需求。

（2）在腐植酸与化肥联合复合/复混的过程中，目前仍以物理混配/掺混为主，进入土壤后不能最大化地发挥腐植酸本源功能特性。如何通过化学反应促进不同来源腐植酸中优势官能团与化肥中各离子螯合/络合效应，实现绿色智能肥料，进而实现腐植酸在土壤-作物系统的功能升级优化，这与不同来源和不同风化程度腐植酸官能团种类的差异性与矿质营养元素、土壤团粒结构的作用机理尚不清楚存在极大的相关性。

（3）在腐植酸与尿素等化肥的生产过程中，特别是在高塔生产过程中，高温对腐植酸的炭化也会进一步降低腐植酸肥料的作用效果，缺乏针对性的定向/定量控制腐植酸与养分的耦合反应效果。

（4）目前，多数腐植酸生产过程中，强酸、强碱、高温的条件会极大地破坏风化煤、泥炭、褐煤经过长年累月形成有益微生物群体和关键酶活性，特别是对木质纤维素分解转化有利的微生物群体和关键酶结构的破坏；同时在强酸碱环境下腐植酸发生的氧化分解反应也加重了其碳封存结构的破坏，增加大气、水体环境的污染风险。

4.2 研究趋势

（1）加大不同来源腐植酸的基础研究，特别是煤基和生物基腐植酸及其组分效应机理，以及新产品研发及相关检测分析标准研究。量化标准是腐植酸产品质量过硬的准绳，针对不同功能特性腐植酸及不同分子量大小腐植酸建立可区分的标准。

（2）加大腐植酸新产品技术及其工艺研发力度。结合循环经济的理念，根据现有土壤质量退化特征以及农业种植需求，按照腐植酸原料的风化程度、来源差异，通过不同的工艺措施获得特定功能的腐植酸产品，如针对基本农田建设和矿区生态修复中有机质匮乏的土壤改良，研发适宜的煤基和生物基腐植酸组合，确保腐植酸生产中工业化腐植酸与土壤腐殖质的同源性和构型相似性，如超声波工艺生产的腐植酸[48]，在改善土壤结构中的效果更佳。

（3）在腐植酸肥料的实践中，针对不同生产区域和植物类型需求，加大研发长效缓释腐植酸肥料，如采用常温与适度加温的活化腐植酸，配合少量粘结剂、微量元素等材料与尿素相结合，实现包裹型长效缓释腐植酸尿素[49]；针对刺激根系发育、移栽苗快速返青等功能，就需要选用小分子黄腐酸与营养元素络合/螯合的方式，或者将黄腐酸与螯合态营养元素进行复配。

（4）在腐植酸肥料生产过程中，可结合不同农业生产中的特定问题需求，研究腐植酸功能肥料，实现“腐植酸+”模式，如：“腐植酸+N-丁基硫代磷酰三胺/3，4-二甲基吡唑磷酸盐/2-氯-6-三氯甲基吡啶等生化抑制剂”实现腐植酸肥料的“长效+速效”功能[50，51]，“腐植酸+生物炭”可实现腐植酸肥料改良土壤、钝化重金属和补炭固碳功能[52]，“腐植酸+中微量元素”可实现腐植酸肥料不同营养元素间协同增效的功能[53，54]……。这些腐植酸功能肥料均能在改善作物根际土壤环境物理、化学、生物学效应的基础上，促进作物根系发育，增强作物地上部光合效应，推进现代农业高产优质快速发展。