腐植酸对水稻产量、品质及土壤特性的影响

2022-11-19赵振东孙廉平曹正男宁晓海曹立勇

中国稻米 2022年1期

赵振东孙廉平曹正男宁晓海曹立勇*

（1 宝清北方水稻研究中心，黑龙江宝清 155600；2 中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室/浙江省超级稻研究重点实验室，杭州 310006；*通讯作者：caoliyong@caas.cn）

腐植酸是动植物残体经过微生物分解、转化等化学过程而形成的一类高分子有机物质，主要包含C、H、O、N等元素[1－2]。腐植酸分布非常广泛，其中，草炭、风化煤以及褐煤是提取腐植酸的主要来源[3]。按照分子量从小到大，可分为黄腐酸、棕腐酸和黑腐酸3 种[4]。其中，分子量最小的黄腐酸活性最大[5]。腐植酸含有羧基、酚基和芳香族等官能团结构，具有较强的活性，及吸附、交换、络合等功能[6]。

腐植酸作为一种绿色、有机的新型肥料，具有促进生长发育[7－8]、增强抗逆性[9－10]、改善品质[11]及改良土壤[12]等作用。腐植酸以复合肥、液体肥、生物肥等形式存在，在粮食作物、土壤改良、果蔬、林业等生产领域广泛应用，对不同的作物均有明显的增产增效作用[13－14]。本文综述了腐植酸对水稻生长发育、产量、稻米品质以及土壤特性的影响，提出了腐植酸施用方面的研究展望，以期为水稻优质、高产、稳产及高效栽培提供依据。

1 腐植酸对水稻生长发育的影响

在浸种、育苗基质中加入腐植酸或通过喷洒方式将腐植酸施用于作物的不同时期，都可以起到一定的刺激作用，促进作物的生长发育。

1.1 对水稻种子发育及根的影响

用适宜浓度的腐植酸浸种可以促进水稻种子萌发、幼苗生长，增加株高、根数、地上及地下部干物质量，增强根系活力，促进根的生长[15－16]。赵日明等[17]研究了不同浓度腐植酸对水稻种子萌发的影响，结果表明，当施用浓度为50～200 mg/L 时，种子发芽率、发芽势、发芽指数以及幼苗长度均随浓度升高而升高；施用浓度大于200 mg/L 时，促进生长作用开始下降；大于500 mg/L 时，抑制种子萌发，且随浓度增加抑制作用增强。因此，用于水稻浸种，腐植酸的适宜浓度为200 mg/L。钱鑫等[18]研究了膜下滴施腐植酸钾对水稻苗期生长的影响，结果表明，浓度为1.5 kg/667 m2的腐植酸钾溶液能够促进水稻种子萌发，促使其提前出苗，分别增加根长、根质量和茎叶质量12.93%、17.65%和34.21%，增加株高2.0 cm。周橡棋等[19]指出，含腐植酸的基质、腐植酸肥料和腐植酸调节剂均可促进水稻幼苗生长，培育壮秧。另外，施用腐植酸还可以促进水稻分蘖的发生，显著提高水稻根部、茎秆和叶片的生物量[20]。可见，施用适宜浓度的腐植酸可以促进水稻根系生长发育，增加根长、根数及干物质量，使根系吸收营养元素的能力提高。

1.2 对水稻光合作用的影响

光合作用的净光合速率和叶片气孔导度与水稻有机物产生与积累的速度呈正比。腐殖酸作为植物生长调节剂，可以促进叶绿素合成、增加水稻叶片的净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度、蒸腾速率和SPAD值，增强水稻光合作用，也可以延缓叶片衰老。邢嘉韵等[21]研究表明，在抽穗期和灌浆期，水稻剑叶的气孔导度、SPAD值以及净光合速率均随腐植酸施用量的增加而升高。而张沁怡等[22]研究认为，腐植酸添加量小于1 g/m2时，水稻剑叶叶绿素含量随腐植酸增加而增加，当腐植酸施用量达10 g/m2时，叶绿素含量反而下降。

1.3 对水稻抗氧化酶系统的影响

植物体内抗氧化酶系统维持植物体内活性氧自由基清除与再生的动态平衡，保护细胞膜及蛋白质等大分子物质免受活性氧自由基的破坏。当植物遭受逆境胁迫时，活性氧自由基的动态平衡被打破，在植物体内过度积累，为了维持细胞正常代谢功能，抗氧化酶活性会迅速增加，以清除过量的活性氧自由基[23]。其中，过氧化物酶（Peroxidase，POD）、过氧化氢酶（Catalase，CAT）和超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）是植物抗氧化酶系统中主要的3 种抗氧化酶，在植物生长的关键时期，这3 种酶的活性与植物抗氧化能力成正比。

腐植酸不仅能够促进植物对养分物质的吸收，还可以增加植物体内关键酶的活性，加快细胞代谢活动，增强植物抗逆性。水稻分蘖期施用腐植酸，对SOD、POD、CAT 活性影响不显著。在孕穗期和灌浆期施用150～300 mg/L 的腐植酸，SOD、POD、CAT 活性分别提高了16.8%～20.1%、11.6%～23.1%、12.1%～18.7%[14]。邢嘉韵等[24]研究了在镉胁迫下稻壳炭和腐植酸对水稻抗逆性的影响，结果表明，在水稻抽穗期和灌浆期SOD、POD、CAT 活性均随稻壳炭和腐植酸的施用而提高，当稻壳炭施用量为4000 kg/hm2、腐植酸施用量为650 kg/hm2时，增产效果最佳。严萍等[16]研究结果表明，扬稻6号的3 种抗氧化酶活性在低浓度腐植酸处理下与对照组无显著差异，中等浓度时活性明显低于对照组，只有在高浓度时显著高于对照组，而淮稻5号的结果与其并不一致，表现为低浓度下显著低于对照组、中等浓度差异极小、高浓度下有升高但并不显著。可见，腐植酸对水稻抗氧化酶的影响，因水稻品种不同、施用时期不同以及施用浓度不同，会产生不同的结果。

2 腐植酸对水稻产量形成的影响

水稻产量构成因素为单位面积有效穗数、每穗总粒数、结实率以及千粒重。大量研究表明，施用腐植酸可以有效增加单位面积穗数、穗粒数、千粒重，最终增加产量[25－26]。徐全辉等[27]研究表明，与同等氮含量的化肥相比，施用腐植酸有机肥可以增加水稻经济系数，并明显提高水稻对磷的吸收量。李伟等[28]研究表明，施用腐植酸尿素比相同氮含量的普通尿素平均增产10.4%。黄家怡等[29]研究表明，氮、磷各减量20%（优化施肥）+ 腐植酸（900 kg/hm2）处理，与优化施肥处理相比早、晚稻平均增产2.0%，比常规施肥处理减产1.6%，但差异不显著。王长军等[30]研究表明，150 kg/hm2的腐植酸+优化施肥比习惯施肥产量下降2.5%。在盆栽条件下，化肥减量20%配施腐植酸颗粒肥的处理，水稻理论产量增加4.2%[31]。常规化肥用量增施腐植酸可显著增加水稻产量，腐植酸施用量为0.1 g/m2、1 g/m2、10 g/m2分别比对照增产10.24%、12.50%、7.79%[32]，表明腐植酸用量不是越高增产效果就越好。由此可见，减施氮肥增施腐植酸对水稻产量的影响因环境、肥料、品种等因素而不同。

3 腐植酸对稻米品质的影响

除品种特性、外界环境、栽培措施等因素，肥料施用对稻米品质也有一定影响[33－34]。随着腐植酸肥料的开发和应用，我国学者在腐植酸对稻米品质的影响方面做了大量研究[35]。焉山等[36]研究认为，施用450 kg/hm2的腐植酸有机肥有利于降低稻米的垩白度和垩白粒率，提升稻米外观品质；显著降低糙米率，但对精米率和整精米率影响不大；腐植酸有机肥显著降低蛋白质和直链淀粉含量，提升食味评分。赫臣等[37]通过盆栽方式，研究了增施腐植酸有机肥减施化肥对垦粳7号稻米品质的影响，结果表明，减量30%化肥配施腐植酸（15.84 g/盆）可明显提升垦粳7号的食味品质，但会增加垩白粒率和垩白度，导致稻米外观品质下降；随着腐植酸施用量的增加，垦粳7号的精米率、整精米率、蛋白质含量随之增加，食味评分呈先升高后下降的趋势。这可能是由于食味评分与蛋白质含量呈显著负相关的原因[38]。喷施4.5 kg/hm2的腐殖酸叶面肥，稻米蛋白质含量较对照增加0.05%，赖氨酸含量增加0.01%，精米率提高1.9%，整精米率提高1.9%[39]。不同学者研究结果有差异，这可能与品种和环境不同有关。

施用腐殖酸液肥后，稻米中钙、铁、铜、硅等微量元素的含量均有所提高[40]。腐殖酸可以增加根的长度和接触表面积，增强水稻从土壤中转运营养元素的能力。另一方面，腐殖酸具有螯合能力，能使微量元素的形态转化成水溶性，更容易被水稻吸收[41]。

4 腐植酸对土壤理化性质的影响

土壤肥力是土壤物理、化学、生物和环境因素综合作用的结果。同时，土壤为农作物提供了生长发育所需的养分和水分，通过改变土壤特性就可以影响农作物的生长发育和产量。腐植酸通过吸附、离子交换及络合等特性，可以起到改良土壤理化性质和土壤结构，增加有机质和养分含量等作用[42]。

4.1 对土壤物理性质的影响

土壤容重、孔隙度和团聚体是反应土壤物理性质的主要因素[43]。施用腐植酸可以显著降低土壤容重，且腐植酸与减氮15%配施效果更好[44]。王修康等[45]研究表明，玉米田施用33.3 kg/667 m2的氧活性腐植酸可显著降低土壤容重11.84%；小麦田施用100 kg/667 m2的碱活性腐植酸可使土壤容重下降16.31%。腐植酸可以通过自身的凝聚特性，聚集松散的土壤颗粒，增加孔隙度，使通透性变大，形成有利于作物生长发育的团粒结构[46]。

4.2 对土壤化学性质的影响

腐植酸中的羧基、酚羟基等官能团，能够与土壤中的铵离子等发生氨化反应形成腐植酸铵盐，提供氮源，同时还可以减少氮的损失。腐植酸中的酚羟基等官能团可以抑制硝化细菌和脲酶活性，减缓尿素释放和分解的速度，提高氮肥利用率[47]。腐植酸中的含氧官能团还可以与土壤中难溶于水的磷酸钙形成可溶于水的磷酸盐，促进有机磷的转化[48]，增加速效磷含量，更容易被作物吸收。腐植酸能够活化钾，减少土壤对钾的固定[49]，同时促进作物吸收钾。增施腐植酸肥料，可以有效提升土壤中有机质、速效氮、速效磷以及速效钾的含量[50]。有机质是土壤肥力的主要物质基础，也是植物吸收养分的主要来源之一。增施腐植酸可以显著增加土壤中的有机质含量[51]，且连年施用效果更明显[52]。

研究表明，向土壤中施用腐植酸，可以显著降低盐碱土的pH值，增加酸性土壤的pH值[53-54]。一方面，腐植酸中具有弱酸性的H+，对调节土壤pH值起到缓冲作用，H+能够与土壤中的碱性物质发生反应生成水，降低土壤pH值[55]。另一方面，因为腐植酸能够刺激植物根系向土壤中分泌出大量的有机物质，调节根际土壤的pH值[56]。

4.3 对土壤微生物及酶的影响

土壤中的微生物主要包括细菌、真菌以及放线菌，参与氧化、固氮、硫化等反应，促进土壤养分的转化和循环。腐植酸可以直接作为有机物为土壤微生物提供生长和繁殖的能量[57]，改变根系分泌物的成分，进而改变土壤中微生物群落结构[58]。通过改善土壤结构、生态环境，为微生物提供适宜的环境，增加土壤中的微生物量[59-60]。ZHANG等[61]研究表明，腐植酸与生物炭配施，土壤中的微生物量增加幅度更大。CARPENTER等[62]研究证明，腐植酸可以有效提高土壤中微生物的活性，增加微生物的多样性。腐植酸肥料处理可以显著提高微生物的数量，但过量施用腐植酸会使土壤微生物数量下降，且对不同菌群的影响效果不同[63-65]。

土壤酶是一种专一生物化学反应的生物催化剂，是反映土壤质量状况的重要指标[66]。彭正萍等[67]研究表明，增施腐植酸会抑制土壤中脲酶的活性，抑制尿素分解，延长肥效。贺婧等[68]研究表明，从草炭、褐煤、风化煤中提取的3 种腐殖酸均会抑制脲酶、过氧化氢酶的活性，褐煤腐殖酸的抑制作用最大；对转化酶和中性磷酸酶的活性起到促进作用，促进转化酶活性作用最大的是风化煤腐殖酸，促进中性磷酸酶活性最大的是褐煤腐殖酸。

5 研究展望

5.1 腐植酸与化肥配施的比例

化肥的过量施用导致作物品质下降、土壤理化性质恶化，给土壤和环境带来巨大的压力。而腐植酸具有改良土壤结构，促进作物生长发育等功能。在保证产量的前提下，增施腐植酸、减施化肥是一个非常具有研究价值的方向。但不同学者对于化肥配施腐植酸对水稻产量、稻米品质的影响结论不同。在这方面，还应该在减施化肥和配施腐植酸的比例上加强研究，找到最佳配比方案，提升稻米品质及产量。