腐植酸对土壤性质及作物生长发育影响的研究进展

2023-06-06王小璇

腐植酸 2023年5期

张丽王小璇

河南灵捷水利勘测设计研究有限公司南阳 473000

腐植酸是土壤有机质的主要组成部分，是连接土壤各种化学、物理和生物特性的重要环节。各种研究表明，施加腐植酸类物质不仅能起到作物增产的效果，还可以有效改良土壤。本文对近年来有关腐植酸研究的文献进行了总结，在介绍腐植酸结构特性的基础上，分析了腐植酸对土壤性质和作物生长发育及产量的影响，并对腐植酸未来的研究重点进行了讨论，以期为腐植酸的进一步研究和试验提供一定的参考借鉴。

1 腐植酸的结构特征

腐植酸是一种高分子聚合物，它的组成元素多样，主要有碳、氢、氧、氮及少量磷、硫等，其分子结构非常复杂，以芳香核为中心的脂肪族环状结构链有多种官能团，主要包括羧基、羰基、醇羟基、甲氧基、醌基等活性含氧官能团[1，2]。复杂的结构决定了腐植酸具有吸附性、亲水性、弱酸性、离子交换性、胶体性、络合性、氧化还原特性等。腐植酸溶于水后形成亲水胶体，它的羟基、羧基官能团与土壤中钙离子进行凝聚反应。腐植酸也能缩小作物气孔的开张度，减少水分的蒸腾，使植物和土壤保持较多的水分，是一种优良的抗旱剂。

按照来源，腐植酸可分为天然腐植酸和人造腐植酸两大类。目前，市面上应用广泛的黄腐酸、棕腐酸、黑腐酸是按照在溶剂中的溶解性和颜色划分的。其中黑腐酸不溶于碱性溶液，只溶于酸性溶液；棕腐酸只溶于碱性溶液，不溶于酸性溶液；黄腐酸既溶于碱性溶液，又溶于酸性溶液[3，4]。在先前的文献中，还有灰腐酸、褐腐酸等称呼，其实都是不同溶剂分离出来的。腐植酸多种多样的分类，对我们的研究和工作应用也具有显著影响。

2 腐植酸对土壤性质的影响

2.1 腐植酸对土壤结构的影响

腐植酸是形成土壤团粒结构的重要胶结剂，土壤团粒结构的形成有效提高了土壤有机、无机复合度，增加了水稳性大颗粒团聚体数量，改善了土体的结构，容重降低、孔隙率增大，从而具有良好的通透性。工业提取的腐植酸与土壤有机质中腐植酸具有相似的结构和性质，也能改善土壤的团粒结构。皮婧婧等[5]在新疆克拉玛依盐碱地中进行试验，结果表明，腐植酸施入土壤后不仅可以提高有机质含量，而且改善了土壤的团粒结构。付保东[6]通过分析发现，腐植酸可以改善土壤的理化性质，改良土壤结构，提高土壤肥力。Liu 等[7]通过试验发现蚯蚓肥和腐植酸肥可以改善土壤团聚体的稳定性和大团聚体的微观结构（孔隙度、路径弯曲度和有效孔隙度），进而增加了土壤的渗透性，促进了盐碱表层土壤的盐淋失。因此，施用腐植酸能改善土壤的团粒结构，使土壤疏松、吸水量增大，既能透气、增温，又能蓄水，起到改良土壤的作用[8]。但是，关于腐植酸对土壤团聚体含量的影响则少有研究。

2.2 腐植酸对土壤水热的影响

由于腐植酸肥料是深色的，施入土壤中加深了土壤的颜色，增加了土壤对阳光的吸收，加之腐植酸促进了土壤微生物分解活动，产生了热量，所以能提高地温，增强作物抗寒防冻能力。据试验观测结果，施腐植酸肥料可提高地温1 ～3 ℃[9]。腐植酸也可以通过胶合组合使土壤表面涵养水分，防止土壤破裂以及土壤侵蚀。进一步松软的土壤可以增加土壤的透气性，提高土壤利用率，增加土壤抗旱性。姚荣江等[10]通过土箱模拟试验发现，滴灌条件下，腐植酸通过提升土壤田间持水率，增强了再分布过程土壤水、盐、氮运移的调控效应。李晓菊等[11]通过5 种不同施加量的腐植酸进行一维垂直入渗试验，发现随腐植酸施加量的增加吸渗率呈线性减小，而综合形状系数呈线性增加。入渗时间相同时，累积入渗量和湿润锋均随腐植酸施加量的增加而减小；相同入渗深度随腐植酸施加量的增加所需的入渗时间、累积入渗量、剖面平均含水量均不断增加。所以，施加适量的腐植酸可以使土壤保持更多的水分，降低土壤干旱胁迫，利于植物的生长。

2.3 腐植酸对土壤酸碱性的影响

土地是人类生活和农业生产的必要条件。我国耕地面积约19.2 亿亩[12]，而盐碱化土地面积约为14.8 亿亩[13]。土地的盐碱化造成土壤板结与肥力下降，不利于农作物吸收养分，阻碍作物生长。随着我国人口的日益增长，土地利用和农业生产必须要满足人口的需求。因此，我国广大面积的盐碱土亟待开发利用[14]。因腐植酸分子结构中含有羧基和酚羟基等活性功能团，使其具有弱酸性，而这种弱酸性结构又决定了腐植酸具有良好的缓冲性能。长期大量施用含腐植酸的肥料，或集中施用少量经过氧化降解的腐植酸，能够提高土壤的缓冲能力，使土壤溶液保持一定的pH 值，在一定范围内不因外界加酸、碱或稀释而改变，并逐渐改善酸性土和盐碱土的理化性状，使作物在适宜的环境中生长。相关数据显示，在碱性严重的土壤中，施加腐植酸会使pH 值下降[15]。王成刚等[16]在新疆盐碱地通过试验发现，腐植酸与脱硫石膏共同作用可显著降低土壤pH 值、碱化度、全盐等。岳殷萍等[17]采用土柱试验发现，腐植酸不仅能有效降低土壤pH值，也能显著降低土壤代换性Na+，进而显著降低土壤碱化度。

2.4 腐植酸对土壤微生物和酶活性的影响

腐植酸具有稳定的碳形态，可以刺激生物及微生物的活性[18，19]；刺激植物酶和增加作物产量，在作物生长过程中可作为一种有机的催化剂，刺激土壤中有益微生物的繁殖和生长，提高作物抵御病虫害的能力，促进植物叶绿素的形成及糖和氨基酸的形成，进而有助于光合作用；增加植物中的矿物质和维生素的含量，加厚果实的细胞壁，延长其储藏时间。袁婉潼[20]研究盆栽条件下腐植酸对盐碱土微生物量、酶活性和生物量的影响时发现，与对照相比较，中量腐植酸（450 kg/hm²）处理显著提高了土壤细菌、真菌数量和磷酸酶、蛋白酶、脲酶及脱氢酶活性，同时显著提高了土壤生物肥力指数（BIF）和酶活性指数（EAN）。高量腐植酸处理（750 kg/hm²）对土壤微生物数量和酶活性的影响也显著高于对照。微生物类群和成分的变化可以通过促进营养物质的循环来影响植物的生长[21]。腐植酸的施用可以促进土壤微生物的生长和活性，从而提高植物的生长性能，这也可能与微生物群落的调节有关[22]。Li 等[23]发现在土壤中施用腐植酸、生物炭和高吸水性聚合物混合材料能够引起土壤中微生物多样性的变化，从而达到改良土壤的作用。因此，腐植酸能调节土壤中微生物的种类和数量，显著增强特定酶的活性。

2.5 腐植酸对土壤养分的影响

肥料在使用量和使用方式上的不合理使用，不仅会导致作物体内有害物质含量的增加，降低产品品质，还会降低肥料利用率，加剧土壤中营养元素的淋溶渗漏，造成严重的环境污染问题[24]。而腐植酸能够提高化肥的有效利用，在起化肥增效剂作用的同时减轻化肥对土壤理化性状产生的不良影响，而且可以提高土壤肥力。众多学者研究发现腐植酸具有控氮、释磷和促钾作用。陈佳等[25]研究发现，相比单独施用普通复合肥，复合肥与腐植酸配施可使土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量分别增长5.7%、33.1%、24.4%；土壤全盐量显著降低，酸碱度降低，有机质含量增加。Jing 等[26]研究发现，腐植酸对玉米幼苗生长和氮、磷、钾的吸收有促进作用，但与磷肥配合施用后，效果反而较差。这一变化可能是由于亲水性的降低和腐植酸与磷肥配比不合适造成的。郑毅等[27]在沙质土壤上进行的试验发现，膨润土-腐植酸型改良剂可有效减少土壤氨挥发和氧化亚氮的排放，促进氮素向玉米籽粒转移，从而提高了玉米籽粒产量。张宏伟等[28]的研究表明，腐植酸可提高土壤磷素的利用率，经腐植酸共聚物改良的赤红壤可以减小土壤对PO43-的固定，增加吸附态PO43-和有效态PO43-含量。腐植酸具有较大的阳离子代换量，施入土壤中的钾元素应该首先被腐植酸吸附，避免土壤对钾元素的固定[29]，降低土壤的固钾率。腐植酸能够活化钾素，使钾肥缓慢分解，增加钾素释放量，促进作物对钾的吸收，提高钾肥利用率。梁太波等[30]试验发现，与空白对照相比，施用腐植酸提高了钾素积累速率和积累量，并最终提高生姜产量61.3%。腐植酸在增加土壤养分有效性方面作用显著，具有较高的经济效益和生态效益[23]。

3 腐植酸对作物生长发育的影响

3.1 腐植酸对作物根系的影响

腐植酸能够促进种子萌发，通过加速细胞分裂，使根系迅速发展，提高出苗率和成苗率；促使幼苗发根快，次生根多，根量增加，根系伸长，使作物吸收水分和养分的能力增强。多项研究表明，腐植酸能显著提高玉米根系生长和产量[31，32]。周丽平等[33]研究发现，腐植酸不仅可以显著增加玉米根系干物质量和根系活力（69.4%和69.1%），还可以改善玉米根系的形态，玉米总根和轴根的数量和长度、根体积、根表面积和侧根数相比对照都显著增加。袁丽峰等[34]通过小区试验发现，相比对照腐植酸有机肥施用后显著提高了玉米根系干物质质量、秸秆质量、籽粒产量、行粒数、每穗粒数、粗蛋白质含量以及氮磷肥农学效率。根系对腐植酸的响应是腐植酸促进植物生长的最初动力，因此，可以在土壤中添加腐植酸促进根系发育，从而提高出苗率，进而提高作物产量。

3.2 腐植酸对粮食作物生长发育的影响

腐植酸能够增加植物体内氧化酶活性及代谢活动，因此可作为促进作物生长发育的特殊生物肥料[35]。此外，腐植酸通过络合无机氮、磷、钾形成盐类，与普通肥料配比形成高效的复合肥料可提供作物生长所需的营养元素[36，37]。腐植酸肥料促进棉花、水稻、玉米、小麦、大豆、马铃薯等粮食作物生长，提高其产量的报道越来越多。马晓晶等[38]研究发现，黄腐酸可以促进水稻增产，并且能改善稻米品质，相比普通复合肥，矿物源黄腐酸复合肥和生物源黄腐酸复合肥分别提高水稻产量15.43%和11.60%。杨苏等[39]采用盆栽实验方法研究了褐煤腐植酸的不同用量对玉米生长及黄河故道潮土养分含量的影响，结果表明，施用褐煤腐植酸可显著增加玉米产量、干物质量和养分吸收量，且施用量为20 g/kg 时对玉米生长和潮土培肥效果最佳，可以获得最大的经济效益。陈祥福等[40]通过大田试验发现，在酸性土壤中施用50 kg/667 m2腐植酸的土壤调理剂可使小麦增产33.70%，投入产出比1 ∶2.33，种植户收益最高。孙建好等[41]研究发现，腐植酸与磷肥配施可提高大豆产量261.9 kg/hm2，分别增加大豆荚数和粒数1.6 个和0.3 粒；腐植酸与氮磷肥配施可提高小麦产量305.6 kg/hm2，提高小麦千粒重2.5 g；腐植酸类肥料的施用提高了小麦/大豆大田作物产量稳定性，并且较常规施肥可以节约10%的氮磷肥。王宏等[42]研究发现，施用腐植酸水溶肥可使马铃薯田增产率达16.51%。

3.3 腐植酸对经济作物生长发育的影响

腐植酸在经济作物种植方面应用也很广泛，腐植酸肥料对经济作物产品的提质增效具有显著作用。吕银梅等[43]研究发现，在棉花生长期滴入腐植酸有机水溶性肥料后棉花的生长势增强，对病害的免疫力增强，发病相对减轻，发病率明显低于滴施尿素对照。肖瑶等[44通过盆栽试验发现，腐植酸肥料能够促进重茬烤烟生长发育，提高烤烟叶面积，显著增加烟株硝酸还原酶的活性，同时还能显著地降低丙二醛含量，延缓烤烟植株生长后期的衰老。童文等[45]研究发现，施用腐植酸肥料可使白芷增产196.0 ～1106.0 kg/hm，其中用浓度为1.0 g/L的黄腐酸叶面喷施增产效果最明显。张婉[46]研究发现，在复合肥中添加或者配施腐植酸和黄腐酸有利于提高肥料的肥效，减量施肥30%，在花生的农艺性状、植株干物质积累量、对矿质养分的吸收量、饱仁率、出仁率、产量、品质等方面与不减肥处理无显著差异，可以实现减肥不减产的效果。刘晓辰等[47]研究发现，施用活性腐植酸控释肥可使花生增产7.97%以上，且施用后花生主茎更高、侧枝更长、秕果数更少，单株生产力有明显提高；花生饱果率也明显提高，亩产荚果显著增加。

3.4 腐植酸对果蔬作物生长发育的影响

腐植酸也能促进蓝莓、猕猴桃、西瓜、菜豆、生菜、辣椒、番茄等果蔬作物的生长发育、提高产量、改善品质，其中腐植酸改善果蔬作物品质一直是一大热点。唐茜[48]、刘增照等[49]分别研究了腐植酸对蓝莓，猕猴桃产量及果实品质的影响，均得出腐植酸质量浓度过高或过低不能使果实产量与品质达到最优，腐植酸质量浓度为0.3 ～0.4 g/L 时果实品质各指标最优的结论。这说明腐植酸的施用量对果蔬品质影响很大。周超等[50]通过大棚试验发现，600 倍液是腐植酸液体叶面肥最佳的喷施浓度，西瓜产量较对照显著增加43.75%，西瓜品质也显著改善，其中可溶性蛋白、可溶性总糖及Vc含量显著增加。张显东等[51]通过菜豆试验得出近似结论。李兴杰等[52]研究发现，腐植酸复合营养液不仅可以提高水培生菜的产量还可以改善其品质，使其达到高产优质的效果。随着腐植酸质量分数的增加，生菜叶片中可溶性糖和可溶性蛋白质量分数增加，但硝酸盐质量分数减小，Vc 质量分数呈现先增大后减小的趋势。孙志梅等[53]研究表明，随着腐植酸肥施用量的增加，辣椒叶片N、P、K 累积量逐渐增大，肥料生产效率及养分利用率降低，果实N、P、K 累积量呈二次抛物线趋势变化。李小玉等[54]在田间试验中发现，施用腐植酸肥后番茄植株形态指标、果实产量品质和土壤微生物数量等各项指标均显著增加，腐植酸肥施用1200 kg/hm2时植株生长状况最好，番茄产量品质最佳，土壤微生物数量最多。可见，腐植酸对得到高产优质果蔬具有显著促进作用，且腐植酸的不同施用方式和施用量对果蔬生长的影响效果也不同。因此，在实际应用中要通过试验来确定最佳的方式及用量。