腐植酸在旱地农业土壤改良和水肥增效中的作用研究

黄占斌,冯俊义,马浩冉,吴美玲

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083)

旱地农业是我国农业生产的重要类型,主要集中在北方地区。我国旱地农业地区的土地面积542万km2,约占国土面积56%,耕地面积0.51亿hm2,约占全国总耕地面积51%。旱地农业按降雨量可分为两类：一是年降水量300～550 mm的半干旱、半湿润的北方旱地农业区,属于资源性缺水的传统旱地农业区;二是降雨量较高的南方山地丘陵雨养农业区,属于工程性缺水的特殊农业区。山仑院士发现并提出旱地农业土壤属于“多变低水环境”,认为提高干旱缺水农田生产力有两个途径：一是改造环境使之适应于农作物生长的需求,二是改造作物本身以适应变动的外部环境。外部环境改造包括气候调节、土地改造、土壤改良、补充灌溉以及采取减少蒸发、渗漏、水土流失等措施[1]。土壤角度的技术体系核心是提高降水利用率,一是重点建设基本农田,改变立地条件,促进雨水入渗以增加土壤含水量;二是用地膜和秸秆等材料覆盖土壤,以降低农闲田地无效蒸发;三是以建设土壤水库为中心,提高土壤保水和用水效率。植物改造的技术体系核心是提高降水利用效率。包括优化作物种植结构、合理调整作物布局,选育优良节水品种以及以耕作培肥为中心,重视农田作物栽培的管理,提高农艺节水水平[2]。

随着我国社会经济的快速发展,旱地农业的内涵也在不断深化,旱地农业不仅仅是指传统的种植业耕地,也包括畜牧业草地和林地。万物生于土,土壤是作物水分供给的主要途径。所以,土壤质量提升是旱地农业节水增产的关键,也是促进畜牧业、林业发展的重要途径。

土壤是由土壤有机质和大量无机质组成,而形成植物生长环境的核心是土壤有机质的形成。土壤有机质含量高低是衡量土壤质量的重要指标。由“土”变“壤”的自然过程中,0.1%含量土壤有机质形成一般需要50～60年,施用有机肥等耕作农技管理也需要3～5年。土壤有机质80%以上的组成是腐殖质,而腐殖质主要由腐植酸组成。

腐植酸在我国的研究和应用有较长历史,特别是自20世纪80年代国务院组织的南北腐植酸协作组开展研究以来,经过多年的积累和完善,以腐植酸工业协会组织提出了腐植酸改良土壤、提高肥效、调节作物生长、增强作物抗逆能力、改善作物品质等五大作用原理[3],在农用腐植酸肥料、环保材料和饲料等方面研发形成了较多材料与产品,对农业生产和环境治理发挥了巨大推动作用。但是,以黄土高原为中心的旱地农业土壤节水改土中,腐植酸应用及其节水增效的研究显得不足。黄土高原地区地处黄河中游地带,是我国煤炭生产的集中地区,煤基腐植酸应用于旱地农业的潜力巨大[4]。为此,本文在介绍腐植酸资源及其在农业的应用理论基础上,介绍了腐植酸在酸化地、盐碱地土壤改良以及在废弃地土壤结构改良和水肥保持中的应用研究,对研发的腐植酸保水肥、腐植酸土壤改良剂和重金属污染地治理材料及其应用效果进行介绍,指出腐植酸研发技术和研究在旱地农业中的发展方向,以期为腐植酸在旱地农业土壤改良和节水增效中的应用提供参考。

2 腐植酸资源及特性

腐植酸(Humic acid,HA)是组成土壤腐殖质(Humic substance,HS)的大分子物质,是动植物残体经微生物分解合成及地球物理、化学等系列相互作用,形成的一类富含羧基、酚羟基、醌基、羰基、甲氧基等多种活性官能团非均一脂肪-芳香族无定形高分子化合物,广泛分布于土壤、江河湖海和低品位煤炭中[5],是地球上自然存在的最丰富的有机分子化合物[6],也是维持土壤结构和肥力的关键组成。

腐植酸类型按其来源可分为天然腐植酸和人工腐植酸。天然腐植酸主要包括煤基腐植酸、土壤腐植酸、水体腐植酸等。目前,商业生产的腐植酸主要为煤基腐植酸,包括褐煤、风化煤和泥炭,其资源丰富,总存储量约2 100亿t以上,主要分布在黑龙江、内蒙古、新疆、山西及福建、广西和云南等省(自治区)[7]。此外,我国年产畜禽粪便38亿t、作物秸秆9.95亿t、市政污泥0.70亿t,还有生物质热解木醋液,厨余垃圾渗滤液等[8],这些工农业废弃物、餐厨垃圾、作物秸秆和牲畜粪便经化学或微生物发酵处理得到的生物腐植酸,也称人工腐植酸,在生产实际中有广泛的应用。

土壤学中,腐植酸根据其溶解度和颜色可分为3个类型,即(1)胡敏酸(Humic acid,HA,煤化学中称棕腐酸,下同),溶于碱性介质,可利用稀碱液从土壤中提取,但在酸性介质中会沉淀;(2)富里酸(Fulvic acid,FA,黄腐酸),既溶于酸又溶于碱;(3)胡敏素(Humin,Hm,黑腐酸),既不溶于碱也不溶于酸溶液,长久存于土壤中[9]。

腐植酸含有70多种元素和20多种不同活性基团,其数量取决腐植酸资源来源、提取和生产方式以及应用环境条件。腐植酸功能主要源于其特殊结构和官能团类型及数量。这些官能团使腐植酸具有酸性和碱性、亲水性和阳离子交换性,以及络合性和吸附性等不同特殊功能,可以用来改善土壤结构、提高土壤肥力、退化土壤改良和提高作物产量与质量等。

3 腐植酸与土壤改良

土壤改良是针对土壤退化而言,是对土壤不良物理结构、化学和生物特性等采取的改良措施。我国土壤退化面积占土地面积的40%,70%耕地为中低产田,黄土高原地区长城沿线由于风蚀和水蚀作用,土壤退化突出[8]。中国科学院南京土壤研究所将退化土壤分为盐碱化、酸化、荒漠化、侵蚀退化和废弃地等类型,其主要特征是土壤团粒结构破坏、肥料利用率下降、酸碱平衡失调和生物活性低下等[10]。腐植酸土壤改良的主要原理如下：

3.1 改良土壤的团粒结构和水分保持

腐植酸主要由芳香结构和多种活性较高的化学功能团的碳链构成,其比表面积巨大,可高达2 000 m2·g-1。腐植酸上的醇羟基、酚羟基、羧基、羰基等亲水性基团,与水接触后电离并与水分子结合成氢键,吸收水分而提高土壤含水率。腐植酸加入土壤后,通过絮凝作用把松散土壤颗粒聚集起来,调节土壤容重,增加土壤总孔隙度,形成水稳性好的团粒结构,提高土壤的透水性、持水量和抗蚀性[11]。其次,腐植酸保水剂能吸水抗旱,促使土壤保留雨水为植物“需时即用”,解决水土流失地区土壤保水的问题。第三,腐植酸固化剂和腐植酸液态地膜能固持土壤,应用农田覆盖、工程护坡和防沙治沙等水土保持领域。研究表明[12],腐植酸可使土壤团粒结构增加1.5～3.0倍,水稳性团粒结构数增加8.5%～30%,改善土壤耕作层中水、肥、气、热状况,即土壤肥力得到明显改善。王泽祥[13]在陕西长武黑垆土中试验发现,土壤容重与土壤腐植酸含量显著负相关,且胡敏酸比富里酸能更好降低土壤容重,富里酸处理对土壤水稳性团聚体影响更为显著。5%含量富里酸对土壤水稳性大团聚体改良的效果更显著。此外,各种腐植酸类肥料能促进植物根深叶茂,提高作物抗逆能力和发挥植物保持水土功能,对水土流失地区恢复植被具有独特作用。

3.2 提高土壤养分的利用效率

土壤水土保持的重要目标是通过改良土壤结构和提升土壤养分的保持能力,促进植物有效利用土壤养分进而提高生产力。目前,我国农业生产和环境修复中土壤养分利用率低,氮、磷肥的当季利用率一般在30%～36%和15%～20%,而发达国家可达到50%～60%和30%～35%。2015年,我国农业部提出化肥农药减量化,其核心就是提高土壤养分的利用效率。腐植酸具有提高肥料利用效率的功能,其主要途径是通过控氮、释磷、促钾和微量元素活化的作用提高土壤养分[14]。

3.2.2 释磷 在北方地区的石灰性土壤中,腐植酸促进土壤中难溶性磷酸盐Ca3(PO4)2转化成Ca(H2PO4)2或Ca2HPO4等易溶性磷酸盐,使其溶解度增加10倍;同时腐植酸可加快磷在土壤中的迁移扩散,促进作物根系对磷的吸收。在酸性土壤里,腐植酸活性基团能与铁、铝螯合或络合,减少磷与土壤中铁、铝生成沉淀的活性丧失[17]。磷在土壤中垂直移动距离为3～4 cm,添加腐植酸可增加到6～8 cm。Cooper等[18]证明,在贫瘠沙地栽培葡萄,施加腐植酸组对磷的吸收比对照组提高3%～5%。Lobartini等[19]试验证明,施加腐植酸可以增加磷酸铝和磷酸铁溶解度,且腐植酸对磷的释放随时间推移逐渐增加。李军等[20]研究发现,磷肥中添加腐植酸1%～2%,磷肥施用量减少20%左右;与普通磷肥相比,腐植酸磷肥使玉米籽粒产量增加4.5%～13.6%。

3.2.3 促钾 腐植酸阳离子代换量一般为200～400 meq·100g-1,约为一般土壤的10～20倍。土壤钾素与腐植酸结合成腐植酸钾,降低土壤固钾率[21]。腐植酸能够活化钾,使钾肥缓慢分解,提高作物钾肥利用率。王振振等[22]在腐植酸缓释钾肥对土壤钾及其甘薯利用试验得出,与等量氧化钾相比,腐植酸钾肥可使钾利用率增加20.09%,甘薯块根产量增加22.83%。

此外,腐植酸可与一些难溶盐的微量元素(如Fe、Al、Cu、Mg、Zn等)形成络合并溶于水而被作物吸收。所以,腐植酸可作为天然螯合剂与微量元素螯合。

3.3 维持土壤的酸碱平衡

腐植酸是一种大分子有机两性物质。腐植酸酸性功能团可释放出H+与土壤中碱性物质发生中和反应生成 H2O,降低土壤碱度。腐植酸中醛基、羧基等官能团[23],能与土壤中阳离子生成腐植酸盐,形成腐植酸-腐植酸盐相互转化的缓冲系统;同时,也能够与土壤中的各种阳离子结合和促进作物吸收,使土壤溶液中有害离子能够与腐植酸发生交换反应,降低土壤盐基含量[24]。

促进土壤的生物活性。腐植酸对土壤中的微生物和酶活性有促进作用[25]。首先是促进土壤自生固氮菌显著增多,使硝酸盐含量明显增大,丰富土壤氮素营养;同时,腐植酸可使土壤中好气性细菌、放线菌、纤维分解菌数量增加,加速有机物矿化,促进营养元素释放。党建友等[26]研究表明,风化煤活化制备的复合控释肥能为冬小麦育提供有机活性物质,为土壤微生物也提供有机能源。

4 腐植酸在退化地土壤改良中的应用

4.1 腐植酸在盐碱地土壤改良中的应用

盐碱地土壤积累大量Na+和Ca2+,对土壤理化性质和微生物活性不利,抑制植物的生长。土壤盐碱形成主要是不合理灌溉、耕作和施肥用药、海水倒灌等因素造成。盐分高、结构退化和养分缺乏是盐碱地土壤改良的三个主要核心问题[27]。土壤盐碱化是当今世界面临的严重问题,全球约20%耕地和50%农田受到土壤盐碱化影响,盐碱土总面积约3 600万hm2,其中耕地盐渍化面积920.9万hm2[28]。因此,盐碱化改良是我国耕地可持续利用和农业发展的重要途径。

盐碱地土壤改良措施有物理、化学、生物及水利等方法。随着循环经济和现代化工发展,应用具有功能性明显、无二次污染和经济实用特征的环境材料是改良盐碱地的重要选择[29]。目前盐碱地改良的环境材料主要有两类：一是添加具有代换作用的含钙材料,包括石膏、磷石膏、脱硫石膏、氧化钙和石灰石等;二类是添加具有中和反应的酸性材料,主要有腐植酸、糠醛渣、硫磺、硫酸亚铁和硫酸铝及酸性肥料等[30]。其中施用腐植酸改良盐碱地的研究进展较快。

腐植酸与土壤中各种阳离子结合可生成腐植酸盐,有效调节土壤酸碱度;同时,其自身也是一种本身带有负电荷的胶体物质,施于土壤会增加土壤的阳离子代换量和吸附量,具有隔盐、吸盐作用,降低表土盐分含量;腐植酸还可以与土壤中碱性物质中和,降低土壤pH值。孙在金等[31]在滨州用脱硫石膏和腐植酸盐改良碱地,二者单施与配施改良含盐量分别为0.13%、0.24%、0.86%和2.07%的四种土壤效果发现,土壤pH较对照分别降低0.26%、0.83%、1.05%和1.83%;Na+含量也分别降低82.4%、92.6%、89.1%和78.6%,作用效果显著。周阳[32]利用脱硫石膏和腐植酸改良盐碱土的田间种植试验证明,0～20cm盐碱土壤的容重降低0.30 g·cm-3,pH值降低3.19,碱化度降低0.89;处理组的玉米出苗率和籽粒产量分别达到78%和4 200 kg·666.7m-2,而对照组仅为27%和1 382 kg·666.7m-2,脱硫石膏和腐植酸混施能够显著改善土壤质量和提高作物经济产量。

作者研究组曾采用腐植酸、保水剂和有机肥等材料及优化组合研制出“复合保水肥SFO”,可明显改善因融雪剂造成的道路绿化带的土壤盐碱化[33],产品在改善土壤结构、增强土壤保水性、降低土壤Na+和Cl-含量和土壤钠吸附比、促进作物生长、降低融雪剂对道路绿化带植物伤害等方面具有显著的效果和经济效益。

4.2 腐植酸在废弃地土壤改良中的应用

矿山土场、废石堆、尾矿等废弃物堆场、废弃庄基地和水土流毁坏等废弃地的复垦,是我国土地资源开发和生态修复的重要手段,常用改良方法有物理改良、肥力改良和生物改良法等。腐植酸的特殊性使其在解决废弃地土壤结构、肥力提升和土壤微生物活性等方面有着重要价值。王哲[34]研究表明,腐植酸复合肥和表土可替代草炭作为客土基材修复矿山废弃地。董雪等[35]发现,腐植酸组分与>0.25 mm水稳性团聚体含量呈极显著正相关,与胡敏酸含量相关最大。将浓度为0.06 g·L-1和0.6 g·L-1的胡敏酸添加在侵蚀程度不同的红壤中可导致≥0.25 mm水稳性团聚体含量增加、≤0.5 mm的团聚体增加量大于≥2 mm大团聚体。庞庆阳等[36]研究表明,腐植酸复合肥处理与对照相比,田间土壤的脲酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性均显著升高。植物生长期内,表层施用腐植酸复合肥的土壤碱解氮、速效钾和有效磷含量分别增加37.27%、37.02%和42.24%。与等养分的复合肥相比,腐植酸复合肥的土壤碱解氮、速效钾和有效磷含量分别增加5.92%、4.29%和8.80%。

于学胜[37]在平朔露天煤矿废弃地复垦中施用生物腐植酸(Bio-active humic acid,BHA)证明,每亩土壤中单施30 kg的BHA较对照的土壤微生物数量提高96%,植物生长量提高34%。作者研究组在河北涉县开展粉煤灰地客土改良中,采用改性腐植酸、高分子保水剂和粘合剂等材料配置的TG土壤改良剂[38],在粉煤灰地客土20%下,每亩土壤添加1 000 kgTG土壤改良剂,可使土壤容重从0.78 g·cm-3提高到1.10～1.16 g·cm-3,<0.05 mm土壤水稳定团聚体量增加显著,极大提升粉煤灰地土壤水肥保持能力;改良地种植玉米试验证明,玉米株高较对照提高65.38%～200%;玉米植株干重提高80.70%～176.92%。

5 腐植酸在旱地农业中的应用前景

腐植酸在土壤改良和污染修复中的应用取得较大进展[39],在旱地农业土壤改良和节水增效中同样具有较大的应用潜力。目前需要加强以下方面的研究：

(1)加强腐植酸品类对旱地土壤改良应用基础研究。生化腐植酸不同类型(厨余垃圾、畜禽粪便发酵、有机肥和生物炭热解木醋液等)在土壤改良中的应用范围、土壤类型效应、时间效应以及水、温、肥力等效应研究方面,缺乏突破性进展;

(2)加强腐植酸品类对土壤污染物固化应用基础研究。煤基和生化腐植酸组分(HA、FA、Hm)对土壤重金属形态(GB15618-2018)、生物有效性(GB2762-2017)效应有别,重金属(阳离子、阴离子)效应、土壤-植物效应结果矛盾;第4代新型肥料的新功能开发等有待加强。

(3)加强煤基和生化腐植酸组合产品研发,制定安全应用技术规程。生化腐植分子量小、组成多样,在土壤中效应时间较短;煤基腐植酸分子量大、组分复杂,在土壤中效应时间较长。二者复合互补则可研发功能互补土壤改良材料和重金属钝化产品,这方面已在水果、蔬菜、花卉等生产领域有应用,但远未形成规模,主要是缺乏应用技术研发和安全应用技术规程。

(4)加强腐植酸在黄土高原旱地农业,特别是蔬菜林果和经济作物中应用技术研究,增强旱地农业高质量发展、抗旱节水和节能减排碳中和战略中的作用。