农田土壤中腐植酸的补给

Michael Susic 著

杨明慧2 孙志梅3* 译

1 澳大利亚昆士兰州格拉斯豪山普尔路17b号Biogon Pty有限公司 澳大利亚 4518

2 北京农学院植物科学技术学院 北京 102206

3 河北农业大学资源与环境科学学院 保定 071000

腐植酸是一种来源于植物的棕黑色聚合酸，广泛存在于地球表面。腐殖质一词最初是指土壤中所有植物来源的有机化合物的统称，腐植酸则是指土壤、植物、藻类、真菌、沉积物以及陆地和海洋水域中存在的棕黑色、聚合、碱溶性的酸。

腐植酸对土壤肥力有贡献，这一事实自古以来就得到了认可。尽管腐植酸很容易与土壤结合，对微生物的代谢分解有很强的抵抗力，可以在土壤中较长时间存留，但它们会因风蚀、水蚀以及水的淋失而导致在土壤中的含量下降。因此，补给土壤中的腐植酸以保持或提高土壤肥力很重要。自1786年（第一次从德国的泥炭沼泽中提取出腐植酸）对腐植酸的研究取得一定进展后，腐植酸的重要性变得越来越明显。它们不仅对土壤肥力发挥着重要作用，而且也是油页岩、泥炭、沥青、石油和煤等的前体物质，通过与金属和有机物的络合作用影响农业环境，从而影响着重金属、农药和除草剂的毒性。

在过去150年左右的时间里，天然形成的有机化合物的结构通常在它们被发现后的几十年内就被阐明了，而腐植酸的情况则截然不同。甚至在20世纪80年代中期，关于腐植酸主要是脂肪族还是芳香族这类基本问题仍然存在争论。自19世纪末，特别是20世纪20年代以来，人们已经明确腐植酸是由土壤中植物木质素经微生物转化而形成的。

1797年，人们从植物中提取到了腐植酸，但直到1987年才有类似的报道，当时是无意中提取的。1989年和1991年，我们首次报道了腐植酸存在于衰老的植物和藻类物质中，这意味着腐植酸在微生物对植物木质素进行任何可能的转化之前就进入了土壤。此后，也有了相关报道。最近，人们从不同生育阶段的玉米植株中分离出腐植酸，并认识到了腐植酸来源于植物组织。为了更好地认识腐植酸的结构和组成，人们对腐植酸进行了不断的分离纯化和分析，过去简单的模型也正在被更复杂的模型所替代。在我们以前的工作中，植物中腐植酸的分析只作为环境中腐植酸分析和赋存的一个次要问题来研究，但本研究给出了一个更加全面和准确的评价。

过去使用的分析技术主要有元素分析法、紫外-可见分光光度法、红外光谱法和核磁共振技术。与对其他有机分子的分析相比，这些技术对腐植酸的分析仍非常不精确。近年来，更先进的荧光光谱技术得到了普遍应用，该技术用于分析腐植酸的结构成分，是一种特别强大和方便的技术方法。因激发光谱和发射光谱均出现在一个非常宽的范围内，具有高度的特征光谱（理想的3-D荧光），而且更重要的是，激发光谱和发射光谱重叠，这一现象似乎不会出现在其他有机化合物中。这就是该技术应用于本研究的分析基础。

与土壤中腐植酸的结构不同，大多数市售的腐植酸产品都是可溶性的腐植酸钾。这些可溶性盐很容易通过降雨和灌溉从土壤中淋失，因此对土壤中腐植酸含量的长期影响很小。本研究对不同来源的腐植酸和土壤腐植酸的荧光光谱进行了对比分析，以确定这些不同来源的外源腐植酸是否有助于土壤腐植酸的补给。

1 结果

1.1 腐植酸的产率

本研究中所用的甘蔗覆盖物得到的纯化腐植酸是5.12 g（一种有光泽的黑色无定形物质，典型的腐植酸），相当于所用原料干物重的1.65%（w/w），这是最小的提取剂量。因其余的腐植酸与植物物质，如蛋白质等紧密结合在一起，进一步提取腐植酸似乎不太可能。

来源于土壤的腐植酸（一种市售产品，美国密苏里州圣路易斯市Sigma-Aldrich公司）和海藻中提取的腐植酸均未被量化。然而，我们观察到，市售海藻提取物除了腐植酸外，几乎无其他物质。

1.2 腐植酸的鉴定与比较

用荧光光谱法对提取的腐植酸进行鉴定和比较，结果如图1和图2所示。

图1 从土壤、海藻提取的腐植酸和市售腐植酸（来源于风化褐煤）的荧光光谱Fig.1 Fluorescence spectra of humic acids extracted from soil, kelp, and a commercial humic acid (sourced from Leonardite coal)

图2 从土壤、甘蔗覆盖物和风化褐煤（新西兰）中提取的腐植酸的荧光光谱Fig.2 Fluorescence spectra of humic acids extracted from soil, sugar cane mulch, and Leonardite coal (NZ)

2 讨论

腐植酸很容易用传统的碱溶方法从多种原料中提取出来。以前已经发现，从不同土壤类型和不同植被（如草或树木）的土壤中提取的腐植酸的荧光光谱几乎相同，这表明所有的土壤腐植酸都非常相似。

图1显示，从风化褐煤、海藻和土壤中提取（碱溶）的纯化腐植酸的荧光光谱几乎完全相同。这个结果意味着：（1）人们通常认为，风化褐煤腐植酸与从土壤中提取的腐植酸是不同的，该研究结果显示这是不正确的。（2）从海藻中提取的腐植酸（主要是腐植酸钾的形式）与土壤腐植酸非常相似。作为一个附带的问题，已知海藻提取物可以促进植物生长的原因可能是由于激素而不是其中的腐植酸含量。（3）风化褐煤/海藻腐植酸与土壤腐植酸的荧光光谱略有不同，这意味着这些样品中腐植酸组成略有差异。这可以用原始植物或藻类物质中木糖和果糖（或许还有核糖和阿拉伯糖）通过糠醛途径生成腐植酸的差异来解释。

图2表明，腐植酸可以溶于有机溶剂，这早在1957年就有报道，但此后很少被关注。本研究发现腐植酸在有机溶剂中只会缓慢溶解，而且必须与这种溶剂接触数小时，甚至数天。这种不同寻常的特性，是由于腐植酸分子缓慢地从高度水溶性结构转变为高度有机溶解性结构造成的。这一发现有助于更好地研究确定腐植酸的结构和化学组成，因为使用现代仪器技术（例如液态红外、核磁共振、质谱和正相高效液相色谱）在有机溶剂中比在水溶液中可以获得更多的信息。这些新的认识有利于人们更好地理解腐植酸在农业中的作用和用途。

图2还显示，醇溶腐植酸组分与碱溶腐植酸组分有很大的不同。与碱溶腐植酸相比，不同的腐植酸成分在乙醇中的溶解度更高。事实上，乙醇可溶部分更接近于黄腐酸的荧光光谱。

来源于甘蔗覆盖物的腐植酸与醇溶土壤腐植酸几乎相同，这就意味着甘蔗覆盖物中含有许多（但不是全部）与土壤腐植酸相似的成分。相反，从图1可看出，海藻中含有与土壤腐植酸几乎完全相同的腐植酸成分。

3 试验

3.1 化学品和材料

分析级化学药品从澳大利亚Ajax Chemical公司（氢氧化钠、氢氧化钾）和美国Sigma-Aldrich公司（硫酸、乙醇和正丁醇）购买。工业级腐植酸从美国Sigma-Aldrich公司购买，并利用1989年我们发表的题为“High-performance liquid chromatographic determination of humic acid in environmental samples at the nanogram level using fluorescence detection”一文中的方法提纯。甘蔗覆盖物购于当地一家农业供应商，海藻提取物（钾盐）购于中国WNK集团。风化褐煤从新西兰通过个人关系获得。

3.2 从衰老植物和藻类中提取腐植酸

用1 L 0.1 M的氢氧化钾或氢氧化钠提取甘蔗覆盖物（310 g），放置2天，偶尔摇动。这个过程重复2次，直到不能提取更多的腐植酸，然后将这些溶液混合在一起（并不是所有的腐植酸都可以用碱提取，因为有些似乎与蛋白质或其他有机物结合在一起）。溶液用40号滤纸过滤，并将滤液混在一起。然后将滤液以2000 rpm的速度离心，收集上清液。离心对去除滤液中的细小颗粒至关重要，因为在酸化之后，腐植酸会被强烈地结合到这些细小颗粒上。将所得滤液用10%的硫酸酸化至pH=1，得到棕黑色沉淀物。沉淀物用40号滤纸过滤，在常温下风干，然后在110 ℃下进一步烘干。

如3.1中文献所述，从当地土壤和风化褐煤中提取腐植酸。通过上述提取甘蔗覆盖物的相同方法从市售海藻提取物中提取腐植酸。腐植酸在乙醇和正丁醇等醇中缓慢溶解，在这样的溶剂中放置至少12 h后，将溶液倒出，用于进一步研究。采用Perkin Elmer（USA）LS 45石英试管荧光仪进行荧光测量，激发波长340 nm，发射波长400～600 nm。

4 结论

对不同来源的腐植酸的分析表明，它们与土壤中的腐植酸非常相似，这与当今的研究是一致的。这意味着这些腐植酸可以用来补给土壤中的腐植酸。土壤中的腐植酸会因风蚀、水蚀和水淋失而消耗，因此必须及时补给土壤腐植酸，以提高贫瘠土壤的肥力。因腐植酸是在衰老的植物中开始形成的，所以收获作物的残体归还到土壤中很重要。现代农业生产实践往往忽视这一点，因作物一茬接一茬地迅速种植，前一茬作物的残体往往被丢弃或焚烧。生产中只有在对病害防控至关重要的情况下才应进行焚烧处理。

要提高土壤（特别是贫瘠土壤）中的腐植酸不仅必须返还植物残体，还可能需要添加富含腐植酸的材料。富含腐植酸的物质包括堆肥、植物残体覆盖物、泥炭和褐煤。市售可溶性腐植酸钾产品的长期效益很小，而且价格相对较高，因此这不是一个很好的补给土壤腐植酸含量的方法。当前，已有很好的工艺和设备可以为农场提供堆肥和覆盖技术，且这种工艺在现代农业中应该变得更加普遍。在一些发展中国家，巨大的褐煤资源作为丰富的腐植酸来源，正被用于农业。但在发达国家，电力生产占据主导地位。尽管褐煤含有丰富的腐植酸，但运输成本可能很高，这使得农作物回收利用、堆肥或植物残体覆盖成为更具吸引力的替代方案。

致谢和参考文献（略）