腐植酸在化肥農(nóng)藥減施增效中的應(yīng)用

朱瑩雪 李雪松 劉思語(yǔ) 蘇浩然 董禹含 元 野 馬獻(xiàn)發(fā)★

1東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 哈爾濱 150030

2中國(guó)煙草總公司黑龍江省分公司牡丹江煙草科學(xué)研究所 哈爾濱 150000

近幾十年，我國(guó)糧食產(chǎn)量只占世界的16%，而化肥用量卻占世界的31%[1]，過量施用化肥導(dǎo)致土壤環(huán)境酸化或堿化、嚴(yán)重影響土壤質(zhì)量和植物的營(yíng)養(yǎng)平衡，雖然給作物帶來明顯的增產(chǎn)效果，但化肥的利用率卻呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)[2]。農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用上也出現(xiàn)了同樣的問題，我國(guó)每年農(nóng)藥用量高達(dá)180萬(wàn)噸，但利用效率卻不足30%[3]，多種農(nóng)藥的共同作用對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境造成了破壞。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上呈現(xiàn)出的化肥農(nóng)藥不合理施用、有機(jī)肥的應(yīng)用減少等現(xiàn)狀，導(dǎo)致土壤對(duì)農(nóng)藥殘留、重金屬及其他有毒物質(zhì)的鈍化減毒作用大幅度削弱，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)今，化肥減施技術(shù)主要有：有機(jī)肥替代技術(shù)、精準(zhǔn)施肥技術(shù)、水肥一體化技術(shù)等，但這些化肥減施技術(shù)有時(shí)難以達(dá)到減施增效的目標(biāo)。腐植酸含有多種含氧官能團(tuán)，具有獨(dú)特的物理、化學(xué)、生物活性，將腐植酸作為高活性有機(jī)質(zhì)與化肥農(nóng)藥配施，能直接或間接地對(duì)化肥農(nóng)藥起到減施增效的作用。本文將重點(diǎn)闡述腐植酸對(duì)化肥和農(nóng)藥減施作用及機(jī)制，并提出腐植酸類物質(zhì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用前景。

1 腐植酸對(duì)化肥減施增效的作用

1.1 腐植酸在化肥減施增效中的環(huán)境效益

腐植酸是源自土壤的本源物質(zhì)，本質(zhì)綠色環(huán)保，將工業(yè)提取的腐植酸反哺土壤，能夠提高化肥的利用率，在增效化肥的同時(shí)減輕化肥對(duì)土壤理化性狀產(chǎn)生的不良影響意義重大[4]。大量研究表明，施加腐植酸肥料，對(duì)土壤表現(xiàn)為增加土壤腐殖質(zhì)含量，改良土壤結(jié)構(gòu)，從而提高土壤肥力；對(duì)植物表現(xiàn)為促進(jìn)生長(zhǎng)，增產(chǎn)，提質(zhì)；對(duì)肥料表現(xiàn)為固氮、解磷、活鉀，提高化肥利用率，減少土壤營(yíng)養(yǎng)的淋失。實(shí)踐證明，在增效化肥，減少化肥施用量方面，腐植酸、腐植酸肥料可充分發(fā)揮其生態(tài)環(huán)保屬性。施用腐植酸、腐植酸肥料也是農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域用來提高化肥利用率、改良土壤理化性質(zhì)、增加作物抗逆性和改善農(nóng)作物品質(zhì)切實(shí)可行的可持續(xù)發(fā)展道路[5]。

1.2 腐植酸在化肥減施增效中的作用效果

（1）腐植酸在氮素方面的作用效果。

腐植酸可降低氨揮發(fā)、促進(jìn)作物對(duì)氨的吸收、提高氮肥利用效率等。在農(nóng)田中，尿素的主要損失途徑就是氨揮發(fā)。研究表明，熔融造粒腐植酸尿素與普通尿素相比，可顯著降低氨揮發(fā)約30.89%～59.22%，腐植酸尿素還可抑制NO3--N 向下遷移，提高表層土NO3--N 所占的比例，減少氮素的淋溶損失[6]。腐植酸可與氮肥結(jié)合施用，能夠達(dá)到促進(jìn)作物生長(zhǎng)、促進(jìn)作物對(duì)氮的吸收、提高肥效的目的[7]。在尿素中添加千分之五（每噸添加5kg）的腐植酸，可以增產(chǎn)15%以上，在保證不減產(chǎn)的情況下，可少施20%的化肥，作用效果顯著[8]。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，無論是盆栽試驗(yàn)還是大田試驗(yàn)，添加了腐植酸的復(fù)合肥與單施化肥相比，氮素利用率均有明顯的提高[9～11]。

（2）腐植酸在磷素方面的作用效果。

腐植酸可有效防止土壤對(duì)新施入磷肥的固定，可解吸和活化土壤中的固定態(tài)磷，進(jìn)而提高磷肥的有效性。研究發(fā)現(xiàn)，腐植酸能與磷結(jié)合，或使磷礦石解磷，并轉(zhuǎn)化為有效磷，從而促進(jìn)植物對(duì)磷素的吸收利用，提高磷肥利用率[12]。根據(jù)腐植酸配施磷肥對(duì)大豆磷素吸收利用率的影響，發(fā)現(xiàn)磷肥與腐植酸共施，比單施磷肥的利用效果更好，其中風(fēng)化煤腐植酸加磷肥可使作物增產(chǎn)36.71%[13]。腐植酸與磷肥配施還可提高藜麥的葉綠素含量、根系活力、SOD 酶活性、POD 酶活性及產(chǎn)量[14]。且研究發(fā)現(xiàn)，腐植酸增效劑與磷肥配施也可提高玉米產(chǎn)量，在保證玉米不減產(chǎn)的情況下，配施腐植酸增效劑可使當(dāng)前基礎(chǔ)施磷量減施20%左右[15]。

（3）腐植酸在鉀素方面的作用效果。

腐植酸能活化土壤中被固定的鉀素[13]，腐植酸鉀易被作物吸收利用，緩釋鉀肥可提高肥效等。試驗(yàn)證明，在活化鉀素方面，腐植酸原料和枸溶性鉀肥配施，可在一定程度上降低土壤鉀素淋溶量[16]；用有機(jī)腐植酸鉀水溶性肥料替代無機(jī)鉀肥，能增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)含量，具有固氮、解磷、活鉀的特殊功效[17]。在增加產(chǎn)量方面，施用含腐植酸鉀復(fù)混肥可促進(jìn)甘薯的塊根膨大，同空白處理相比增產(chǎn)26.07%，不僅提高了鉀素產(chǎn)塊根效率、鉀素收獲指數(shù)、鉀肥農(nóng)學(xué)利用率和鉀肥偏生產(chǎn)力，還降低了生育期甘薯莖葉鮮重與塊根鮮重的比值[18]。王振振等[19]也得出相似的結(jié)論，即施用腐植酸緩釋鉀肥可提高鉀肥利用率20.09%、農(nóng)學(xué)利用率42.69%、偏生產(chǎn)力5.89%和甘薯塊根產(chǎn)量22.83%。趙瑞萍等[20]在蔬菜種植上應(yīng)用黃棕腐植酸鉀有機(jī)肥與化肥合理配施，不僅達(dá)到了增產(chǎn)增效的作用，還提高了蔬菜品質(zhì)。

1.3 腐植酸減施增效化肥的作用機(jī)制

（1）腐植酸對(duì)氮肥的增效機(jī)制。

氮肥是作物營(yíng)養(yǎng)元素的主要來源，氮肥施用到土壤中，受土壤性質(zhì)和微生物的影響，常伴隨著不同的轉(zhuǎn)化過程。尿素在土壤中的轉(zhuǎn)化一部分為作物生長(zhǎng)提供所需養(yǎng)分，另一部分主要以氨揮發(fā)和NO3-淋洗損失的方式消耗，可見尿素施入土壤后氮素的利用率并不樂觀。因此腐植酸對(duì)氮肥增效機(jī)制主要為以下3點(diǎn)：a.腐植酸含有大量不飽和鍵，可防止脲酶中的活性官能團(tuán)氧化，使尿素以穩(wěn)定的速度水解，為作物提供水解產(chǎn)物氨[21]。b.腐植酸具有較強(qiáng)的交換與吸附能力，能吸附氨和銨離子形成腐植酸銨鹽，減少氮素?fù)p失。而且腐植酸與尿素之間常形成大量的氫鍵、絡(luò)合配位鍵以及一定量的離子鍵，使其具有高度的耐水解性，是植物生長(zhǎng)所需的主要氮源[22]。c.腐植酸可起到硝化抑制劑的作用，腐植酸與尿素配施通過影響脲酶活性而改變氨的釋放，從而抑制硝化細(xì)菌活性，進(jìn)而提高氮肥利用率[23]。腐植酸對(duì)氮肥的減施增效作用還表現(xiàn)在改良土壤理化性質(zhì)、激活或抑制微生物活性或酶活性、提高植物體內(nèi)酶的活性進(jìn)而促進(jìn)植物體新陳代謝[24]、增強(qiáng)植物抗逆性、促進(jìn)氮素吸收等方面[25～27]。

（2）腐植酸對(duì)磷肥的增效機(jī)制。

磷肥利用率低的主要原因是酸性土壤中含有大量活性鐵化合物及鋁化合物，石灰性土壤中含有大量碳酸鈣，這些物質(zhì)能吸附有效磷使其固定、失效。當(dāng)向磷肥中配施腐植酸時(shí)，腐植酸對(duì)磷肥起到減施增效的機(jī)制有以下3點(diǎn)：a.腐植酸會(huì)與磷肥形成腐植酸－金屬（M）－磷酸鹽絡(luò)合物，減緩有效性磷向難溶性磷的轉(zhuǎn)化速度，從而抑制土壤對(duì)磷的固定，增加磷素的移動(dòng)性和有效性，磷肥肥效可相對(duì)提高10%～20%，吸磷量提高28%～39%[28]；b.腐植酸離解出的酚羥基、羧基等陰離子與酸根競(jìng)爭(zhēng)土壤膠體表面的吸附位點(diǎn)，減少土壤團(tuán)粒對(duì)磷素的吸附，進(jìn)而提高了土壤中磷酸鹽的有效性[29]；c.腐植酸含有苯酚結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不但能使部分難溶性磷活化，還能增加土壤中磷酸酶和磷細(xì)菌的活性[30]。

（3）腐植酸對(duì)鉀肥的增效機(jī)制。

施入土壤中的鉀肥多被土壤中的黏土礦物所固定，轉(zhuǎn)化為非交換性鉀，導(dǎo)致鉀肥利用率低下。由于腐植酸對(duì)鉀離子的吸附作用是物理吸附和化學(xué)交換共同作用的，因此隨pH 值的升高，腐植酸對(duì)鉀離子吸附的分配系數(shù)和吸附量均有不同程度的增加[31]。當(dāng)往鉀肥中配施腐植酸時(shí)，因腐植酸含有多種活性基團(tuán)和強(qiáng)的表面活性[13]，可結(jié)合土壤中的鉀離子，增強(qiáng)其抗土壤吸附的能力[32]，且腐植酸是由一系列酸性物質(zhì)組成的復(fù)雜混合物，其酸性功能可吸收和貯存鉀離子[33]，故可抑制土壤粘土礦物對(duì)鉀的固定。也因腐植酸具有較多的酸性基團(tuán)，故施用后可降低土壤pH[34]，從而使難溶性鉀釋放，提高土壤速效鉀特別是水溶性鉀的含量。

2 腐植酸對(duì)農(nóng)藥減施增效的作用

2.1 腐植酸在農(nóng)藥減施增效中的環(huán)境效益

腐植酸作為一種天然有機(jī)大分子混合物，具備開發(fā)安全、低毒、低殘留農(nóng)藥的條件，符合綠色農(nóng)藥發(fā)展的需求[35]。在當(dāng)前環(huán)境下，隨著農(nóng)藥使用量的逐年遞增，人畜中毒、食品污染、環(huán)境破壞等問題日益凸顯。腐植酸含有許多像酚羥基、烯醇基、磺酸基、醌基、甲氧基等可以決定其酸性、親水性、離子交換性、絡(luò)合能力及吸附能力[36]的多種活性基團(tuán)。正因?yàn)楦菜峋哂卸喾N優(yōu)良的性質(zhì)，使得腐植酸在對(duì)農(nóng)藥的減施增效應(yīng)用中起到增強(qiáng)農(nóng)藥藥效、減小農(nóng)藥分解速率、提高農(nóng)藥穩(wěn)定性、增強(qiáng)農(nóng)藥溶解性、降低農(nóng)藥毒性等作用[37]。在提高農(nóng)藥藥效，減少農(nóng)藥使用量方面充分發(fā)揮腐植酸的綠色環(huán)保屬性。

2.2 腐植酸在農(nóng)藥減施增效中的應(yīng)用效果

研究發(fā)現(xiàn)，水不溶性殺蟲劑添加了腐植酸鈉后可增強(qiáng)農(nóng)藥的水溶性，添加5%的腐植酸鈉可使雙對(duì)氯苯基三氯乙烷（DDT）在水中的溶解速度提高20倍以上[38]。從褐煤、泥炭及風(fēng)化煤等各種煤炭中提取出的水溶性腐植酸農(nóng)藥增效劑分別與草甘膦復(fù)配防治果園雜草和巨星制劑復(fù)配防治麥田雜草，在施藥后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，添加了腐植酸的農(nóng)藥防效均有所提高[39]。得到相似結(jié)論的還有用生化黃腐酸與多菌靈混用，提高防效30%；與瑞毒銅混用防治黃瓜霜霉病，防效提高46.95%；與甲基托布津混用防花生葉斑病，防效提高57.8%[40]；用風(fēng)化煤腐植酸鈉與各類常量農(nóng)藥研磨復(fù)配，發(fā)現(xiàn)多菌靈藥效提高30%左右，藥劑用量減少33.3%～50%[41]等。王栓柱等[42]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用風(fēng)化煤黃腐酸與氧樂果等復(fù)配，在減少農(nóng)藥用量30%～50%的情況下，可延緩藥效3～7天以上。

2.3 腐植酸減施增效農(nóng)藥的作用機(jī)理

腐植酸的施用在農(nóng)藥的減施增效中起到重要的作用，其作用機(jī)理主要包括：腐植酸對(duì)農(nóng)藥有吸附作用，包括物理吸附和化學(xué)吸附，腐植酸可以改善農(nóng)藥溶液的表面活性、可以增強(qiáng)大部分農(nóng)藥的生物活性[43]。研究發(fā)現(xiàn)，腐植酸官能團(tuán)通過與農(nóng)藥的吸附作用，使得腐植酸對(duì)極性離子型高水溶性農(nóng)藥具有很高的親和力[44]。白志平[35]和鄒德乙等[40]均提出腐植酸類物質(zhì)具有表面活性劑的作用，可溶解一些難以用水溶解的農(nóng)藥，主要原因?yàn)槠浣饘冫}的表面張力低于水的表面張力，對(duì)農(nóng)藥起到分散和乳化作用，提高農(nóng)藥的溶解能力。目前，腐植酸與農(nóng)藥配伍使用已成為農(nóng)藥應(yīng)用領(lǐng)域有效的手段之一。腐植酸除了通過直接對(duì)農(nóng)藥產(chǎn)生作用外，還可通過增強(qiáng)作物抗逆性、抑制病原微生物、降解農(nóng)藥殘留[36]等間接作用，達(dá)到對(duì)農(nóng)藥的減施增效作用。

3 腐植酸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用前景

腐植酸是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)式的高分子聚合物，因其含有多種組成成分，故腐植酸可應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，產(chǎn)生不同的積極影響[45]。腐植酸所具有的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎我們的想象。雖然已經(jīng)有大量的科研工作者證實(shí)了腐植酸對(duì)化肥農(nóng)藥的減施增效作用，但仍有較多的科研工作者致力于利用腐植酸的結(jié)構(gòu)組成及各種性質(zhì)研發(fā)出新型肥料和農(nóng)藥。但不同種類、不同來源的腐植酸組成有一定差異，其作用效果也難以比較[46]，故在對(duì)腐植酸的研發(fā)過程中仍需加強(qiáng)以下3方面研究與實(shí)踐。

（1）腐植酸屬于高分子混合物，與其他化合物的基礎(chǔ)研究相比要難得多，但是做好基礎(chǔ)研究才能讓我們更好地應(yīng)用它。

（2）腐植酸同化肥農(nóng)藥配施可使化肥農(nóng)藥減施增效，但對(duì)于不同的化肥農(nóng)藥，腐植酸施用的量是不同的，目前還沒有統(tǒng)一的腐植酸替代量來指導(dǎo)農(nóng)戶進(jìn)行大面積應(yīng)用，還需優(yōu)選出適宜大部分化肥農(nóng)藥的腐植酸替代比例，用以大面積農(nóng)田的應(yīng)用。

（3）腐植酸液體肥料易與硬水中的高價(jià)離子結(jié)合產(chǎn)生絮凝，使其活性降低，嚴(yán)重影響硬水區(qū)腐植酸液體肥料的應(yīng)用效果，目前就如何使腐植酸抗硬水改性活化的研究較少，還需進(jìn)一步優(yōu)選腐植酸原料，深入研究其抗硬水改性工藝。