腐植酸在生态农业建设中的应用与开发建议

郝保平，郑普山

（山西省农业科学院土壤肥料研究所，山西太原030006）

腐植酸（Humic Acids，HA）是一类以天然大分子芳香族羟基羧酸为主体的复杂混合物，广泛存在于土壤、湿地、水体、生活垃圾、腐烂动植物残体、动物粪便等有机物质以及低级别煤炭（泥炭、褐煤、风化煤）中。国外许多土壤学家和农学家对HA在农业中的作用进行过总结，一致认为，HA是土壤肥力的基础，植物营养的“储库”，植物生长的“活力剂”，食品安全的“保护神”。我国农学家在多年生物试验和大田示范基础上，言简意赅地总结出，HA具有改良土壤、增进肥效、刺激生长、促进抗逆、改善品质五大作用[1]。近年来，风靡全球的绿色农业革命和关注食品安全的呼声再次推动了HA的研究和应用，并对HA功能的认识提高到构筑食品源头安全的高度[2]。农业中使用HA不仅仅是为了提高作物产量，使人吃饱，而且更为了提高食品营养，减少污染，让人吃得安全。

本文就腐植酸在农业生态建设中的作用及其实际应用进行一些阐述。

1 腐植酸的作用

1.1 改土肥田作用

在自然条件下，完全是靠植物自生自灭的方式来补充土壤腐殖质，转化的比例毕竟是少数。为增加和保持土壤腐殖质，世界各国在增施堆肥和厩肥的同时，都在极力寻求新的更稳定的腐殖质来源，其中含大量腐植酸的低级别煤（泥炭、褐煤、风化煤）是最理想的选择。

长期以来，我国重用地、轻养地，重化肥、轻有机肥，使耕地养分失调，肥力不断下降，再加上其他生态破坏因素，土壤四化（退化、硬化、沙化、盐渍化）的问题日益突出。目前，我国土壤有机质含量平均只有1.8%（北方旱地＜1%），且仍以每年0.1%～0.2%的速度在减少。我国正在大力推进的“沃土工程”是土壤生态建设的重大战略措施，其中一项重要内容就是提高土壤肥力，改良中低产田，修复荒漠化土地。增施HA类物质及其他有机肥料，是改良土壤的重要途径。

1.2 对化肥的增效作用

我国化肥生产发展非常迅速，1949年只有1.3万t（折纯，下同），2004年增加到4 519.8万t，而使用量竟达到4 636.8万t，居世界第1位。不可否认，化肥在农业生产中起着至关重要的作用，但过量和不合理施肥造成的资源浪费、效率降低以及对环境的影响也是有目共睹的事实。就化肥利用率来说，氮、磷、钾肥的当季利用率分别只有25%～35%，10%～25%，30%～50%，总利用率为25%～35%，远低于发达国家45%～60%的水平。化肥分解流失，造成土壤和水体硝酸盐和亚硝酸盐污染，水体磷积累导致富营养化；大气中氮氧化物浓度提高，成为太阳紫外线辐射加剧、为害地球生物的一个因素，这些都引起了各国政府和环境学界的忧虑和关注。重新认识HA提高化肥肥效和利用率的意义，不仅是经济效益问题，更是关系到全球环境保护和人类生存安全的大事，也是当前实施节能减排和低碳经济战略的一个重要环节。

1.2.1 对氮肥的增效作用 尿素是氮含量最高、使用最广泛的氮肥，但利用率也只有30%～35%。尿素的酰胺氮经过土壤脲酶作用转化为铵态氮才能被植物吸收，而硝化菌和反硝化菌又会把 NH3依次转化为 NO3-，N2，NO，N2O 等。Francioso等发现，高分子量的HA在pH为6时对脲酶活性有一定抑制作用，但所有HA在与重金属（如Cu2+，Hg2+）结合后脲酶抑制性才能增强[3]。几乎所有的试验都证明，HA具有硝化抑制性。腐植酸与尿素反应生成腐植酸尿素络合物（UHA），其氮的利用率比对照可提高10个百分点以上[4]。杨云马等[5]研究表明，腐植酸复合肥能够显著提高土壤微生物的数量，而微生物的数量又与土壤中速效氮含量呈极显著相关。

1.2.2 对磷肥的增效作用 我国60%的土壤缺磷，但磷肥施入土壤后82%左右被固定，3%被雨水冲刷流失。抑制速效磷肥的固定、提高磷肥利用率，已成为我国乃至世界性的重大研究课题。HA对磷的增效作用早已引起各国农业化学家的极大兴趣。中国农大华珞等[6]试验表明，HA-NH4中的P比磷铵的固定率减少6.6%～44.9%，地上部分的吸P量增加了39.8%～50.8%。王永江等[7]用含HA的氮、磷、钾复混肥同无机专用肥对比得出，前者棉株中含磷量比后者高1倍以上。陆欣等[8]近期的研究发现，HA不仅使磷肥（过磷酸钙）有效性提高，而且使土壤中原有的Ca2-P，Ca8-P增加，Ca10-P减少，表明土壤无效P得到活化。

1.2.3 对钾肥的增效作用 钾（K）在土壤中同样会被固定。我国钾肥利用率约50%，平均被固定约45%，雨水冲刷流失约5%[9]。HA与K+事先结合后就可有效地减少土壤黏土对K+的固定。江西农科院有关研究认为，施用腐植酸钾HA-K与单施KCl相比，前者水溶性钾提高了26.2个百分点，表明与HA化学结合的K更有利于抵御土壤的固定。HA对含K的硅酸盐、钾长石也有明显的溶蚀作用，可促使其缓慢释放K，提高土壤中速效K含量。如在红黏土中添加HA，速效K增加11.1%～33.3%。如果将风化煤HA制成HA-NH4，再施入土壤，土壤K的释放量更多，后效可持续60 d[9]。

1.2.4 对中、微量元素和稀土元素的增效作用中、微量元素是植物体内多种酶的组成成分和生理调节元素，对植物生长发育、抗逆性能和产品品质都有重大影响。HA对肥料中的中、微量元素同样具有增效和保护作用，对土壤中的那些被固定的“无效”元素也有激活作用。

稀土元素在农业中的应用是近年来农业化学和植物生理学领域的新课题。南京大学的一项研究发现，红壤中的稀土主要富集在小麦根部，施入低浓度（0.02%～0.03%）的HA后，明显促进了小麦对稀土元素（La，Ce，Pr，Nd）的吸收。

1.3 增强作物抗逆作用

作物在不利环境因素（旱、涝、病虫害、盐碱、养分不足或过剩、温度湿度过高或过低等）增加到一定程度时，HA就发挥缓冲作用，这种作用被称作“腐殖质效应”。HA的这种抗逆机理，可能与脯氨酸及各种保护酶对水和养分的调渗作用密切相关。研究表明，不同来源的HA和FA都有一定的抗旱作用。与高效抗蒸腾剂脱落酸（ABA）相比，HA制剂抗水分蒸腾持续时间长，叶绿素含量明显提高，具有多种刺激活性，且无毒副作用，价格也便宜得多，故HA抗旱剂更有独特的功能和竞争优势。

30多年来，HA在防治小麦赤霉病、棉花黄萎病、花生叶斑病、果树腐烂病、马铃薯晚疫病、黄瓜霜霉病等方面的事例举不胜举。如山西农业大学在黄瓜霜霉病发病区内喷施0.02%～0.05%的风化煤腐植酸钠（HA-Na）溶液，不仅有效控制了病情，而且提高了黄瓜坐果率，比对照增产28%左右。山西、河北等地用HA-Na制成的“化腐灵”对苹果树腐烂病的防治有效率达97%，愈合率达46%。河南巩义用风化煤FA盐喷施或灌根，对棉花黄萎病抑制率达到100%，防效可达54%～82%。

1.4 改善作物品质作用

改善作物品质包括提高营养（如蛋白质、氨基酸、单糖、维生素、有益元素等）水平和降低污染物（如重金属、硝酸盐、亚硝酸盐、残留农药等）含量2个方面。一般来说，在等养分情况下进行对比，施用HA或FA在增加产量的同时，瓜果和蔬菜含糖量增加3%～30%，酸度一般有所降低，维生素C含量可提高20%～49%；甜菜产糖量增加40%；马铃薯淀粉增加18%～25%，抗坏血酸增加69%；桃子的可溶性蛋白增加9.19%，氨基酸增加16.6%；水稻蛋白质提高6.6%，淀粉提高10.5%；棉花纤维强度平均提高5.6%；中上等烟草产量提高2%～9%；桑叶蛋白提高6%～21%，蚕体和蚕茧质量分别提高20.19%和23.91%等等，统计值几乎都达到显著或极显著水平。

1.5 刺激植物生长作用

刺激植物生长是腐植酸类物质生理活性的主要表现形式，其机理乃是所有的含氧活性官能团的综合效应，特别是其中的酚-醌的氧化-还原体系，既是氧的活化剂，又是氢的载体，直接影响着植物的呼吸强度、细胞膜透性和渗透压，以及多种酶的生物活性。HA的生长刺激作用主要表现在：可促进根部生长和提高发芽率，增强呼吸强度和光合作用强度，提高生理代谢能力和酶活性。

1.6 对农药减毒增效作用

我国每年因病、虫、草、鼠害造成的农业经济损失达800亿元，为此付出60多万t高毒农药及牺牲环境健康的巨大代价。农药的毒性和残留对环境和人类健康的威胁已是不争的事实，开发高效、低毒、安全、经济的绿色环保农药是当前化工和植保界迫切的任务。

目前，人们已将开发目标瞄准了腐植酸类物质。大量研究资料证实，HA类物质对农药有缓释增效、减缓分解、降低毒性、吸附稳定、减少用量等功能，在调控生物种群、保护生态平衡、维护自然净化力方面比常规农药有更多的优越性，具有广阔的应用前景。近年来，国内外在HA复合增效农药的开发方面有较大进展。如美国将HA作为农药的稳定剂或载体，明显提高了药效；我国的生化黄腐酸（BFA）与杀菌剂复合制成的“新克黄枯”防治棉花枯萎病的效果比对照（单用农药）的发病株数减少75%以上；11%HA+10%井冈霉素溶液对水稻纹枯病的防效与20%的井冈霉素的相当；HA+杀虫脒（1∶1）防治螟虫比单用杀虫脒的防效提高了20%～30%，水稻产量提高了17.6%。可以预见，HA-农药制剂的开发是发展我国高效低毒绿色农药的希望。

2 腐植酸在农业中应用的现状及其建议

2.1 总体情况

我国腐植酸资源非常丰富，低级别煤的储量也非常丰富，泥炭124.96亿t，褐煤1 264.6亿t。风化煤总储量不太明确，仅查明山西有80亿t，内蒙古有50亿t。这些煤炭中的原生HA含量大都在20%～70%之间，简单加工处理就可以用于农业，深加工产品的效果更好。30年来，几十个研究单位和大专院校投入腐植酸的基础研究和应用研究，积累了大量研究资料，取得了一大批研究成果。自从实施科技创新工程以来，HA的研究成果转化有所推进。HA类的农用产品，包括腐植酸钾（钠）、硝基腐植酸、腐植酸尿素、营养基质、有机-无机复混肥料、生长调节剂、包裹型BB肥、喷施肥、冲施肥、特种长效肥料、抗旱剂、HA液体地膜、饲料添加剂、鱼虾养殖水改良剂、腐植酸-农药复合制剂等30多个品种，多数已实现产业化。但作为一个农业大国和HA资源大国，在总体研究水平和应用深度广度上还都不太适应国家经济发展和生态建设的需要，与发达国家还有较大差距。2007年，我国各种有机肥、有机-无机复混肥的产量总和才340万t，占化肥总产量的3%左右，其中HA类肥料只占很小一部分；HA产品质量良莠不齐，缺乏品牌和市场竞争力。

2.2 主要新技术产品

除传统的腐植酸钾、腐植酸钠、腐植酸铵、硝基腐植酸、含腐植酸的有机-无机复混肥料等传统农用产品外，近年来国内开发了一些新的HA品种。现主要介绍以下3种。

2.2.1 腐植酸尿素 腐植酸尿素（UHA）是腐植酸与尿素的复合反应产物。国内外生产UHA的工艺大致有3种方法：一是溶剂法。曾有人用液氨、甲醇、乙醇或丙酮作溶剂，显然成本很高。近期，我国和波兰开发的技术都是用水作溶剂，减少了氮损失和形成缩二脲的危险。二是热融法。即将尿素100℃下熔融后加入HA或硝基腐植酸，混合后得到UHA。还有的在热融物中加入甲醛，形成难溶的HA-尿素-甲醛缩合物。三是包裹法。即将黏性基质（含有一定量的UHA和微量元素）包裹在尿素颗粒上，干燥后形成一层较稳定的半透性包裹膜，所得颗粒产品可直接作为缓效尿素使用，也可作为掺混肥的氮肥原料。在大力发展绿色环保肥料的今天，作为长效缓释氮肥的包裹型UHA是很有发展前途的品种。中科院煤化所与南通市绿色肥料研究所合作开发的UHA包裹层质量比最高达到30%，其等量施肥的肥效和产量仍然高于普通尿素，其氮利用率提高10个百分点，相应尿素却节省了30%，而制造成本只略高于尿素的出厂价，专家认为，该产品技术已达到国际领先水平[10]。

2.2.2 含腐植酸流体肥料 含腐植酸流体肥料（包括叶面肥、冲施肥、滴灌肥等）是用FA或HA的一价盐为水溶有机基质，同N，P，K及微量元素配制而成的。此类产品不仅能提供速效养分，而且同时发挥HA类物质的生物活性，很受用户欢迎，成为近年来国际市场上激烈角逐的主要HA品种。我国HA流体肥料发展也较快，其中2001年在农业部注册的HA叶面肥就有53个品种，年生产能力总计约5万t。这类肥料不仅生产附加值较高，而且农业产出与投入比例也很大，具有用量少、见效快、成本低、容易混配农药和其他生长促进剂等优点，有的产品每公顷只喷施750 mL，投入不到75元，就有1 500元左右的回报，故此类产品在发展绿色生态农业中起着不可忽视的作用。陈小叶[11]研究表明，在大蒜上应用腐植酸钾液肥能够显著地提高产量、改善品质。当前存在的主要问题是，HA溶液在配入无机物质时发生增稠、絮凝和沉淀析出等现象。许多企业和研究单位通过对HA氧化降解、提高低分子量FA组分比例和化学活性，或添加合成螯合剂、胶体稳定剂和分散剂等手段，着力解决这一问题，产品性能和应用效果不断提高。

2.2.3 多功能可降解黑色液态地膜 山东科技大学化学和环境工程学院采用褐煤、海藻废液、造纸黑液以及糖蜜、酿酒、淀粉等工业废液为原料，经化学改性后在交联作用下将HA、木质素、纤维素等缩聚成高分子，再与硅肥、微量元素、农药、除草剂及各种添加剂混合，制成一种多功能可降解液态黑色地膜。该产品解决了HA溶液微孔聚合和反向悬浮聚合技术难题，不仅广泛用于常规种植业，而且用于干旱、寒冷、丘陵地区作物早期覆盖，荒地、沙地、盐碱地和滩涂整治工程，道路护坡、固沙造林、渠道防渗、树木防冻等领域。使用后的地膜被自然降解变成腐植物质和肥料，继续发挥改土肥田的功效。该产品已在全国几个省（市）进行了农田试验，发现该产品抑制水分蒸发率达30%以上，土壤含盐量降低50%，作物增产幅度大多在20%以上，而公顷使用成本只有405元，是塑料地膜的1/3左右[12]。该项技术公布后，在学术界和产业界引起很大反响，一般认为该产品廉价、环保和经济实惠，是具有明显先进性、创新性和实用性的技术。但也有人担心其中的工业废液带来的污染和后患，仍需继续深入考察掺有废液的地膜的毒性及在土壤中的残留和转化机制，以及环境积累和植物吸收利用的规律，提出确凿的实验证据和有效的无害化措施，为规模化生产和推广应用铺平道路。

2.3 建议

为加快腐植酸农业应用产品开发力度，提出如下几点建议。

第一，基础研究的目的，就是要搞清HA本性与应用效应之间的关系，即“构-效”关系。以往有些HA研究课题陷入脱离实际、盲目跟风和重复劳动的怪圈，成效甚微。应该把主要精力集中在更有实用价值的课题上，并取得突破，切实推动HA农业开发和技术创新的进程。

第二，重视科技投入，加快科技成果转化的步伐。HA企业发展缓慢，技术和产品缺乏更新，主要原因还是科技创新意识较差，科技投入不足。山西省与全国相比，差距更大，与HA资源大省的地位很不相称。

第三，建立和完善管理体系和科学决策体系。应责成专门职能机构负责，把HA资源保护、开发利用纳入法制轨道。应对山西省HA资源矿点、生产企业和研究单位作全面调研，提出支持或限制发展的政策；加强质量技术监督力度，为创新性技术提供发展平台，鼓励高效、优质、安全的HA产品参与竞争，打造品牌，切实为发展绿色生态农业作出贡献。

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