秸秆源黄腐酸应用效果研究

2018-03-31尹丽华周恒民李洪岭宋玉杰

腐植酸 2018年4期

尹丽华周恒民李洪岭宋玉杰张亮薛辉董岳

山东泉林集团有限公司高唐 252800

进入21世纪以来，中国农业在快速发展的同时，也出现了一系列严峻的问题。国家经济发展，促使农村家庭燃料结构变化，农作物秸秆作为燃料使用也越来越少，而推广秸秆直接还田技术难度大、工程量大且效益较差，效果也不理想，导致秸秆随意弃置和焚烧，给环境带来巨大的危害[1]，急需找到兼具科学性、能推广、易复制的秸秆综合利用新模式。另外，现阶段我国农业处于“石油农业”时代，过量和不合理施用化肥、农药带来的农业环境污染、耕地退化、农产品品质下降等问题日益严重，急需找到攻克这些问题的方法。通过对大量文献的阅读、分析，总结了近年来我国秸秆综合利用和肥料施用现状、秸秆源黄腐酸研究的意义、黄腐酸作用原理、秸秆源黄腐酸的性能研究、秸秆源黄腐酸产品应用实证案例等，以期为秸秆源黄腐酸的农业应用提供参考。

1 全国秸秆综合利用和肥料施用现状

1.1 秸秆综合利用现状

我国是农业大国，据国家发展改革委、农业农村部评估，2015年全国秸秆理论资源量约10.4亿吨，可收集资源量约为9亿吨[2]。农作物秸秆是一种宝贵的可再生资源，但是长期以来由于受消费观念和生活方式的影响，我国农村秸秆资源完全处于高消耗、高污染、低产出的状况，相当多的一部分农作物秸秆被弃置或焚烧，没有得到合理的开发利用[3]。目前秸秆利用的主要方式是还田，虽然具有一定的正面效果，但长期过度、过量还田易造成病虫害积累、增加农药及化肥用量等系列问题[4]。除还田外，秸秆还可作为肥料、饲料、工业原料、燃料和食用菌基料等，但由于产业化水平差，收储体系缺乏，高值化利用率低，导致农户秸秆离田积极性不高，科学离田综合利用成为各地政府的当务之急[2]。

1.2 肥料施用现状

肥料的施用从很大程度上促进了我国粮食的生产。20世纪90年代，我国的化肥投入开始直线增长，然而粮食产量却跟不上化肥的增长，据相关统计研究，从1996年到2009年，化肥使用量增长了41.2%，而粮食总产量却只增长了5.1%[5]。目前，我国已成为世界上最大的化肥生产国和消费国，耕地面积仅占世界耕地总面积7%的中国消费了接近世界1/3的肥料[6]，单位面积用量是世界平均水平的3.7倍[7]。化肥利用率低以及施用的不合理，不仅造成了化肥的浪费，还对环境造成了严重污染（土壤污染、水体面源污染以及大气污染等），更使农产品品质急剧下降[8]。

2 秸秆源黄腐酸研究的意义

目前市场上的黄腐酸大部分是从矿物中提取的矿物源黄腐酸，另外还有一小部分是通过生物发酵的方式制备的生物源黄腐酸。前者原料为不可再生的矿产资源，黄腐酸含量低，且生产过程需要大量酸碱等化工产品，制作成本高，对周围环境不利[9]；后者采用生物发酵工艺，影响因素过多，产品质量不稳定[10]。

2.1 技术突破解决秸秆高效循环利用[11]

目前通过技术突破，利用工业化的方式处理农作物秸秆，提取黄腐酸，对秸秆综合利用、开拓秸秆源黄腐酸利用新途径及农业可持续发展有重要意义。作为“泉林模式”重要组成部分的秸秆源黄腐酸生产技术，创造性地将秸秆木质素通过秸秆置换蒸煮过程，降解磺化为黄腐酸，并采用高温高压、负压浓缩、喷浆造粒等先进技术，将黄腐酸进一步分离提纯，剩余副产品——秸秆纤维素用于本色浆纸制品、可降解地膜及纤维素乙醇的生产，真正实现了秸秆资源的高效循环利用。该技术一方面突破了传统秸秆制浆黑液处理的技术瓶颈，将投入型环保转化为环境正效益；另一方面用工业化手段，构建农业体系良性循环，实现秸秆高值化利用、工业化还田，开创了从秸秆中直接提取黄腐酸的技术先河，解决了矿物源黄腐酸原料稀缺、制作成本高等难题，实现了秸秆源黄腐酸在农业中的广泛应用。

2.2 增效化肥农药，助力生态农业可持续发展

黄腐酸作为一种多维空间结构的高分子有机物，对肥料具有提氮、解磷、促钾、融合多元的作用，可有效提高肥料利用率。黄腐酸还可通过乳化、增溶、吸附、络合及本身的抑菌抗病作用，实现增效缓释农药，降低农药的使用量。以2016年全国化肥施用量（折纯）5984.1万吨为例（数据来自2017年中国统计年鉴），按化肥减量20%计算，一旦全部使用秸秆源黄腐酸肥料，可减少化肥施用量（折纯）1196.82万吨。

2.3 有效改良土壤，大幅度提高耕地质量

目前，我国耕地主要存在的问题有：耕地总体质量较差、退化严重、污染严重、营养流失严重等。因此，急需找出提高耕地质量的有效措施[12]。秸秆源黄腐酸开创了一条沃土新途径，实现秸秆的工业化还田，使土壤越来越肥沃，助力高标准农田建设，从而确保粮食安全、农产品品质提高。黄腐酸分子中氧含量相对较多，碳含量相对较少[13]，其分子结构中含有苯环、稠苯环及多类杂环，且各环之间由桥键相连，酚羟基、羧基、甲氧基、酮基、磺酸基等多类官能团存在于环及支链中[14]。因此，黄腐酸是腐植酸中阳离子交换能力、螯合能力以及吸附能力最强的组分[15]，可有效改良土壤。

3 黄腐酸作用原理

黄腐酸是一种分子量较小，稀溶液呈黄色或棕黄色的芳香族类混合物，它的诸多特征决定了其在农业领域对作物、肥料、农药及土壤的正向作用。

3.1 黄腐酸促进作物生长

由于黄腐酸分子中含有生长素类物质，可作为一种天然植物生长调节剂，促进作物根系发育，提高作物对微量元素的吸收、运转能力，达到刺激作物生长的效果[16]。但黄腐酸结构比较复杂，作为生长调节剂类似物和对抗氧化酶作用的分子机理尚不清楚，还需进一步研究。黄腐酸是一种优良的络合剂，络合体内有害物质排出体外；抑制体内有害生物的生长繁衍，维持机体内有益菌群占据主导优势，增强机体对营养的吸收和转化，提升品质[17]。黄腐酸可使作物体内脱落酸含量升高，而脱落酸作为生长抑制剂可缩小作物叶片气孔开张度，减少水分蒸腾，同时促进根系发育，提高根系活力，进而增强作物抗干旱能力；黄腐酸活性成分可能启动抗寒基因，诱导作物产生抗寒蛋白质，提高作物抗寒能力；另外由于黄腐酸中含有多种苯羧酸类物质，这类物质与一些农药有效成分相同，所以对作物某些病害可以产生有效的免疫力，提高作物抗病能力[18]。

3.2 黄腐酸提质增效化肥

黄腐酸含有羧基、羟基、酚羟基等官能团，有较强的络合、螯合和表面吸附能力，能减少铵态氮的损失；增加磷在土壤中移动距离，抑制土壤对水溶性磷的固定，使无效磷转化为有效磷，促进根系对磷的吸收；吸收存储钾离子，提高有效钾的含量；螯合中微量元素，促进中微量元素的转移和吸收。

3.3 黄腐酸增效农药

由于黄腐酸分子结构特殊和活性高等特点，因此黄腐酸拥有表面活性剂的一些特征，如降低表面张力等。黄腐酸与化学农药配伍后，相互发生离子交换、络合配位、氢键缔合、物理化学吸附等作用，形成新的有机复合体系，具有缓解农药分解、延长作用时间、减少喷施次数、提高药效等作用，从而减轻环境污染，有利于农业可持续发展[19]。

3.4 黄腐酸改良土壤

黄腐酸作为一种有机胶体物质，可通过改善土壤团粒结构、增强土壤保水保肥性、调节土壤酸碱度等作用实现对耕地土壤的改良修复。在我国西北、东北、华北等地区的盐碱地中，长期施用黄腐酸后，土壤团聚体、水、肥、气、热等状况均得到明显改善，并且表土盐分明显降低，酸碱度得到改善，土壤交换量增大，为作物创造出一个适宜的生长环境[17]。

4 秸秆源黄腐酸的性能研究

从分子结构看，秸秆源黄腐酸与矿物源黄腐酸相近，其分子量更小，是一类多价酚型芳香族化合物的复杂混合物，其中羧基、酚羟基为主要官能团，其余含量较少[19，20]。

4.1 秸秆源黄腐酸的分子结构特征研究[21]

对秸秆源黄腐酸的分子结构特点进行了充分研究，同时与矿物源黄腐酸、其他生物源黄腐酸进行了对比分析。主要研究手段为利用红外光谱、核磁共振氢谱和碳谱、荧光光谱等对3种样品进行定性分析。综合3种样品数据，分析得出：秸秆源黄腐酸含有羟基、羧基、酚羟基、甲氧基等活性官能团，与矿物源黄腐酸结构相似，较其他生物源黄腐酸含有更多的活性官能团，有明显的芳香族特性。

4.2 秸秆源黄腐酸生物活性研究

从分子结构角度分析，秸秆源黄腐酸、矿物源黄腐酸与其他生物源黄腐酸虽外观及物理性质相近，但分子结构存在着差异性，导致三者在实际应用的生物活性上表现出显著差异。“泉林集团”委托天津农业科学研究院开展田间试验进行证实，结果如下：常规施肥条件下，分别增施等量的秸秆源黄腐酸、矿物源黄腐酸、其他生物源黄腐酸，相对比常规施肥产量，亩增产量、增幅分别为55.2 kg、8.84%，50.9 kg、8.16%，48.2 kg、7.72%，增产顺序为：秸秆源黄腐酸>矿物源黄腐酸>其他生物源黄腐酸。这也从侧面说明工业化生产的秸秆源黄腐酸在促进作物生长，增加营养物质向籽粒转移等方面活性更强[14]。

5 秸秆源黄腐酸产品应用实证案例[21]

为进一步验证秸秆源黄腐酸的应用效果，以“泉林集团”为首，联合中国农业科学院、中国腐植酸工业协会腐植酸质量检测中心（太原）和山东、福建、河北及新疆农业科学院等多家科研单位开展长期田间定位试验，对秸秆源黄腐酸肥料（嘉有黄腐酸水溶肥料）的应用效果进行了实证性检验。根据试验的结果，“泉林集团”不断修正产品与配方，继而将成熟的经验进行大面积的推广，以期取得良好的社会效益、生态效益及经济效益。

5.1 秸秆源黄腐酸对作物的增产作用

中国农业科学院德州试验站经田间试验得出：在相同化肥施用量条件下，增施秸秆源黄腐酸肥料可显著提高大棚蔬菜黄瓜、西红柿、辣椒、西葫芦的产量，增加农民收益。在黄瓜上施用秸秆源黄腐酸肥料：与对照相比，每亩冲施10、20 kg，亩增收362.9～448.7 kg，增幅12.67%～15.67%。在西红柿上施用秸秆源黄腐酸肥料：与对照相比，每亩冲施10、20 kg，无效花和腐败果减少，单果重平均增加5.26%～9.67%，每亩增收725～2407 kg，增幅4.83%～10.68%，亩增收益2537.5～8425.9元。在辣椒上施用秸秆源黄腐酸肥料：与常规施肥相比，隔次冲施20 kg/667 m2，单株结椒数量增加1.9个、单椒长度增加0.8 cm、果肉厚度增加0.02 cm，单椒增重5.3 g、亩产量增加824.8 kg、增幅12.8%。在西葫芦上施用秸秆源黄腐酸肥料：与对照相比，每亩增施50 kg，单株结果数提高0.8个，单株平均产量增加0.49 kg，亩产量增加1182.6 kg，增产幅度为13.0%，亩增收益3547.8元。山东省农业科学院经田间试验得出：在相同化肥施用量条件下，增施秸秆源黄腐酸肥料对冬小麦、夏玉米具有明显增产作用。常规施肥条件下每亩增施秸秆源黄腐酸肥料10 kg，冬小麦亩穗数增加2.1万，增幅为4.4%；穗粒数增加0.9粒，增幅3.5%；亩增产41.7 kg，增幅8.8%。夏玉米穗粒数增加18.1粒，增幅3.8%；千粒重增加0.9 g，增幅0.3%；亩增产40.2 kg，增幅8.1%。可见，秸秆源黄腐酸对作物增产、农民增收作用显著。

5.2 秸秆源黄腐酸对作物的提质作用

中国农业科学院德州试验站经田间试验得出：在相同化肥施用量条件下，增施秸秆源黄腐酸肥料，可改善大棚蔬菜西红柿、辣椒、西葫芦的品质。在西红柿上施用秸秆源黄腐酸肥料：与对照相比，每亩冲施10、20 kg，果形大而整齐、色泽鲜亮。在辣椒上施用秸秆源黄腐酸肥料：与常规施肥相比，隔次冲施20 kg/667 m2，可溶性糖含量增加0.74%、增幅19.4%，Vc含量增加7.9 mg/100 g、增幅8.1%。在西葫芦上施用秸秆源黄腐酸肥料：与对照相比，每亩增施160 kg，畸形果率降低1.5%。中国腐植酸工业协会腐植酸质量检测中心（太原）试验数据表明：作物施用秸秆源黄腐酸肥料后，对人体有益的指标（SOD活性、POD活性、可溶性糖含量、Vc含量、蛋白质含量）均上升，对植株及人体有害的指标（活性氧负离子、丙二醛）均下降。与对照相比，SOD活性在茄子、黄瓜、桑葚果上增长133%、118%、21.5%，POD活性在茄子、黄瓜、桑葚果上增长205%、218%、33.4%，可溶性糖含量在茄子、黄瓜、桑葚果上增长303%、182%、56.7%，总蛋白含量在黄瓜、玉米、桑葚果上增长199%、105%、21.7%，Vc含量在桑葚果上增长25%。活性氧负离子产生速率在萝卜和玉米上降低75%、54%，丙二醛含量在萝卜和黄瓜上减少67%、45%。可见，秸秆源黄腐酸改善作物品质效果突出。

5.3 秸秆源黄腐酸对化肥减量增效作用

山东省农业科学院通过两年的定位试验得出：秸秆源黄腐酸肥料可减量增效化肥，常规化肥减量20%，依然可保障小麦、玉米稳产增产。常规化肥减量20%，亩增施秸秆源黄腐酸肥料10 kg，小麦亩穗数增加0.4万，增幅0.8%；穗粒数增加0.8粒，增幅3.1%；亩增产19.4 kg，增幅4.1%。玉米穗粒数增加1.0粒，增幅0.2%；千粒重增加0.2 g，增幅0.1%；亩增产0.5 kg，增幅0.1%。可见，秸秆源黄腐酸可减量增效化肥。

5.4 秸秆源黄腐酸对农药的增效作用

山东省农业科学院经试验证明：久效磷使用量300克/公顷时，蚜虫死亡率为30.04%；添加5 μg/mL秸秆源黄腐酸肥料的久效磷的蚜虫死亡率为72.71%，增效2.40倍；添加秸秆源黄腐酸肥料浓度为25 μg/mL时，蚜虫死亡率为96.33%，增效3.21 倍；秸秆源黄腐酸肥料的添加浓度增加到250 μg/mL时，蚜虫死亡率反而比添加浓度为25 μg/mL时略有降低，为82.40%，增效2.74倍。可见，适宜浓度的秸秆源黄腐酸可增效农药。

5.5 秸秆源黄腐酸对土壤的改良修复作用

通过福建、河北及新疆3个省级农业科学院在茶叶、葡萄及棉花上的试验，得出秸秆源黄腐酸肥料可以有效地调节土壤pH，提高土壤中有机质含量，降低盐渍化土壤的盐含量。从试验数据可知，秸秆源黄腐酸肥料能够有效缓解土壤过酸或过碱的情况（黄腐酸肥料产品适合碱性土壤，黄腐酸盐类产品适合中性或酸性土壤，以此调酸调碱），同时能够使土壤中有机质含量提高12.74%，极显著地降低土壤盐渍化。可见，秸秆源黄腐酸可改良修复土壤。