腐植酸肥料對作物根際土壤微環(huán)境的作用效應(yīng)

余慶宇 李婷玉 王要芳 盧維宏* 徐 德

1 宿州學(xué)院環(huán)境與測繪工程學(xué)院 宿州 234000

2 宿州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院 宿州 234000

腐植酸是生態(tài)農(nóng)業(yè)和無公害農(nóng)業(yè)中常用的一種富碳有機土壤調(diào)理材料。腐植酸肥料則是在傳統(tǒng)化學(xué)肥料的基礎(chǔ)上，復(fù)合了腐植酸或黃腐酸的一類新型高效肥產(chǎn)品，其在提高養(yǎng)分利用效率[1]、改善土壤理化結(jié)構(gòu)[2]、刺激作物生長發(fā)育[3]、增強抗逆能力[4，5]、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)[2]等方面具有明顯優(yōu)勢。因此，不同類型的腐植酸肥料也備受人們關(guān)注，特別是在2022 年8 月《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030）》發(fā)布的大背景下，充分利用腐植酸的綠色低碳屬性，重點圍繞腐植酸在土壤固碳增匯、肥料低碳、節(jié)能減排、廢棄物循環(huán)利用和生態(tài)環(huán)境修復(fù)等方面，開展腐植酸低碳技術(shù)研究顯得尤為重要。腐植酸與化肥的有機無機結(jié)合，不僅是肥料減施增效有效措施，也是構(gòu)建土壤碳庫的重要渠道，特別是有關(guān)腐植酸與化肥聯(lián)合后形成的不同類型腐植酸肥料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)化肥施用后對土壤結(jié)構(gòu)的影響等方面已有不少學(xué)者進行了大量的研究，非常有必要對腐植酸肥料的土壤調(diào)控效應(yīng)進行系統(tǒng)歸納總結(jié)。為此，本文分別從土壤物理、化學(xué)、微生物三個維度對腐植酸肥料在作物根際土壤微環(huán)境中的作用效應(yīng)進行了系統(tǒng)闡述，并總結(jié)了腐植酸在與肥料有機結(jié)合中亟待解決的科學(xué)問題、探討其研究方向，以期促進腐植酸肥料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，為其在農(nóng)田土壤質(zhì)量提升中的應(yīng)用提供參考。

1 腐植酸肥料對作物根際土壤環(huán)境的物理效應(yīng)

土壤物理特性（如土壤團聚體、容重、通透性和疏松性等）在一定程度上直接或間接影響作物生長與環(huán)境質(zhì)量健康，特別是作物根際土壤微環(huán)境的物理特性。研究表明，腐植酸肥料的應(yīng)用能夠優(yōu)化根際土壤團粒結(jié)構(gòu)，如在鹽漬土壤中將腐植酸與不同用量氮肥配比應(yīng)用，腐植酸與氮肥配合可提高土壤＞2.0 mm 水穩(wěn)性團聚體含量，大顆粒團聚體較對照增加16.2%[6，7]。趙東彥等[8]的研究結(jié)果表明，風(fēng)化煤腐植酸與玉米秸稈配施可以有效改善土壤物理性能，利于土壤微團粒形成，改善土壤容重，特別是腐植酸/黃腐酸與生物炭復(fù)合在玉米種植中進行使用，可以降低根際土壤容重達1.9%，顯著抑制了表層土壤的返鹽性，促進了土壤團聚體的形成[9]。劉艷等[10]將新型大顆粒活化腐植酸肥料在蘋果種植中進行施用，顯著優(yōu)化了其根際土壤的水穩(wěn)性團聚體，其中，＞2.0 mm 和2.0 ～0.25 mm粒徑團聚體含量增幅分別達到了53.4%～77.5%、12.3%～17.0%，且提高幅度隨施用量的增加而增大；全量施肥和減量1/4 施肥條件下，大顆?；钚愿菜岱柿巷@著提高＞2.0 mm 粒徑團聚體有機碳含量，且＞2.0 mm 粒徑團聚體有機碳對總有機碳的貢獻率最大，達到66.0%以上。這種現(xiàn)象在龐慶陽等[11]的研究中也得到了類似結(jié)果，均表明腐植酸肥料的合理施用可有效促進作物根際土壤團聚體從小粒徑狀態(tài)向較大粒徑狀態(tài)轉(zhuǎn)化，而2 ～0.25 mm 和＞2.0 mm 粒徑的土壤團聚體占比的增加也是土壤養(yǎng)分活性和生物酶活性等肥力指標改善的重要表現(xiàn)。

林楓等[12]采用腐植酸肥料在河南省焦作市潮土上開展長期定位化肥增效減施試驗，結(jié)果表明，每畝減氮15%的情況下，腐植酸肥料的施用能顯著降低作物根際土壤容重（P＜0.05），降幅范圍達到了3.67%～8.88%，土壤孔隙度、透氣性和疏松性能也得到了優(yōu)化。同時，腐植酸的應(yīng)用也進一步改善了根際土壤的抗侵蝕能力及保水特性。如，孫燕等[7]通過向土壤中施加1、2、4、8 g/kg 生化黃腐酸的入滲試驗表明，各試驗組累計入滲量平均增加了4.0%以上，且入滲量表現(xiàn)出隨濃度升高先增后減的趨勢，土壤剖面含水率也均有顯著的增幅，促進了根際土壤保水效應(yīng)。李曉菊[13]在不同改良劑（腐植酸、羧甲基纖維素鈉）對濱海鹽堿地水鹽運移及玉米生長影響的研究結(jié)果中表明，腐植酸和羧甲基纖維素鈉均可不同程度地提高土壤保水性能，降低土壤水分蒸發(fā)，減少鹽分離子向土壤表層積累，促進淋洗過程中土壤脫鹽率，且這種脫鹽效率隨著改良劑使用量的增加而表現(xiàn)遞增趨勢，而這種特性在腐植酸的使用過程中表現(xiàn)更為突出的效果。因此，腐植酸肥料對于改善土壤物理環(huán)境具有重要的積極效應(yīng)。

此外，不同來源腐植酸對作物根際土壤物理結(jié)構(gòu)具有較好的改善效應(yīng)。研究結(jié)果表明，隨著煤基腐植酸使用量的增加，土壤的團聚體含量、平均質(zhì)量直徑均表現(xiàn)了提高的趨勢，且以單獨使用煤基腐植酸的效果最佳。而在較短時間內(nèi)（約10 d）土壤總孔隙度、田間持水量則隨著生物基腐植酸使用比例的增加而增大，容重隨之降低；超過25 d 時，土壤總孔隙度、田間持水量則又隨著煤基腐植酸使用比例的增加而增大，容重隨著降低，以煤基∶生物基使用比例為7 ∶3 的組合最佳[14]。在大田小麥-玉米輪作體系中，連續(xù)施用不同類型腐植酸（如風(fēng)化煤、氧活化腐植酸、堿活化腐植酸），其中風(fēng)化煤較高用量（1125 或1575 kg/hm2）或堿活化腐植酸較低用量（225 或675 kg/hm2）均可提高土壤持水能力，增大土壤總孔隙度、毛管孔隙度，降低土壤通氣孔隙度。風(fēng)化煤或堿活化腐植酸均可提高0.25 ～2.0 mm 粒徑團聚體含量，均可提升0.053 ～0.25 mm 和＜0.002 mm 粒徑微團聚體含量，降低0.02 ～0.053 mm 粒徑微團聚體含量，兩者無顯著差異[15]。

總而言之，腐植酸肥料能夠有效增加土壤較大團聚體的占比，降低土壤容重，進而增強土壤透氣性和保水性能，對于土壤的物理性能有積極作用。

2 腐植酸肥料對作物根際土壤環(huán)境的化學(xué)效應(yīng)

土壤化學(xué)性質(zhì)影響土壤中的關(guān)鍵化學(xué)過程、物理化學(xué)過程、生物化學(xué)過程以及生物學(xué)過程的進行，影響著土壤質(zhì)量的健康狀況，尤其是作物根際土壤微環(huán)境的化學(xué)效應(yīng)，直接影響著作物能否實現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵過程。大量研究表明，與單一化學(xué)肥料相比，腐植酸肥料能顯著改善作物根際土壤化學(xué)指標，進而提高土壤化學(xué)肥力，促進作物生長發(fā)育。張曉宇等[16]研究表明，與傳統(tǒng)化肥相比，施用減量15%的腐植酸肥料可顯著提高設(shè)施辣椒根際土壤中氮、磷、鉀的當季利用效率，其當季利用效率增幅分別達到了37.2%～62.2%、38.6%～69.5%、24.7%～56.8%。在小麥種植過程中，施用含有黃腐酸的腐植酸控釋尿素，不僅實現(xiàn)了控釋尿素的協(xié)同增效，特別是在促進根際土壤硝態(tài)氮、有效磷含量等方面具有突出優(yōu)勢，較對照分別增幅分別達到了54.7%、19.6%，而且實現(xiàn)了一次基施可顯著提高小麥中后期根際土壤氮養(yǎng)分供應(yīng)強度的作用的作用效果，滿足了小麥各生育期的氮素需求，提高了小麥地上部生物量和籽粒產(chǎn)量水平[17]。此外，施用含有小分子高活性黃腐酸的腐植酸硅鈣鉀鎂肥，與不含黃腐酸的對照相比，根際土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀、有效硅均有了顯著的提高，其中有效硅的增幅達到了48.0%，滿足了桃樹生長關(guān)鍵時期對氮、磷、鉀、硅等元素需求[18]。同樣，黃腐酸包膜磷酸二銨可在減施磷20%的條件下，增加根際土壤有效磷含量25%以上，降低了根際土壤對磷素的吸附固定[19，20]。唐曉樂等[21]研究黑土磷元素活化中也獲得相似的結(jié)果，即黃腐酸與有機肥關(guān)聯(lián)施用后，黑土中磷素活化吸收提高55.8%。在微酸性或微堿性土壤的番茄種植過程中，黃腐酸的施用也可以通過調(diào)節(jié)作物根際土壤pH 值來活化土壤磷元素，降低堿性土壤中磷的固定程度，顯著增加番茄根、莖、葉片、果實中磷的累積量[22]。丁守鵬等[2]的研究結(jié)果表明，腐植酸肥料提高根際土壤中有效磷含量10.0%～16.0%；顯著降低土壤含鹽量，降幅大約20%～30%；特別是對于鹽堿地降低土壤電導(dǎo)率和鈉離子保留具有較好的效果[23]，延緩了鈉離子對作物的脅迫效應(yīng)[24]。綜合來看，黃腐酸配合化肥施用，不僅在提高氮、磷、鉀利用效率方面效果突出，而且在維持土壤碳庫，減少農(nóng)田土壤氨揮發(fā)和碳排放方面也具有一定效果，特別是N2O、CO2[25～28]。

此外，腐植酸肥料的使用還能有效改善根際土壤酸化及鹽堿化等農(nóng)田土壤質(zhì)量退化特性。研究表明，在南方酸化耕地土壤上使用腐植酸肥料，可顯著改善根際土壤酸化狀況，與對照相比，土壤pH值由原來的5.28 提高到了5.75，處理后的土壤中交換性H+、交換性酸總量及交換態(tài)鋁均明顯下降；同時，顯著提高了土壤有機質(zhì)、有效磷、速效鉀含量以及土壤中交換性鈣和交換性鎂含量[29]，這種現(xiàn)象在連續(xù)（≥2 年）使用腐植酸肥料的酸化土壤上效果更為明顯[30]。此外，在鹽堿化土壤改良中，腐植酸肥料也表現(xiàn)了突出的優(yōu)勢，如施用高量腐植酸肥料不僅能降低鹽堿土壤堿化度18.7%[31]，減少鹽分離子在表層土壤中的累積，還能促進土壤淋溶過程中的拖延效應(yīng)[13]。

3 腐植酸肥料對作物根際土壤環(huán)境的生物學(xué)效應(yīng)

生物學(xué)特性是土壤肥力最為敏感的關(guān)鍵指標，特別是對作物根際土壤微環(huán)境的影響。大量研究表明，微生物種群結(jié)構(gòu)失衡，有益微生物數(shù)量減少，病原微生物數(shù)量增加是土壤發(fā)生連作障礙的主要原因之一[32，33]。腐植酸肥料能夠有效補充土壤碳組分，提高土壤有機質(zhì)，增強土壤中有益微生物多樣性和平衡性。胡蘭等[34]通過將具有熏蒸效果的殺線蟲劑棉隆與黃腐酸聯(lián)合施用，能有效降低不同生育期茄子土壤中的真菌數(shù)量，與對照相比，移栽前基施黃腐酸與棉隆，可分別降低定植期、開花期、結(jié)果期和收獲期根際土壤中真菌數(shù)量73.9%，特別是對根際優(yōu)勢菌群曲霉菌（Aspergilliusspp.）、鐮孢菌（Fusariumspp.）、青霉菌（Penicilliumspp.）抑制效果最好。這種現(xiàn)象在王瑾等[35]的研究結(jié)果中也得到了證實，即隨著黃腐酸施用周期的延長，苗期黃腐酸有機-無機復(fù)混藥肥處理組的茄子根際土壤中微生物總數(shù)，顯著高于常規(guī)化肥處理組。孫世君等[36]在探索不同連作年限溫室黃瓜土壤養(yǎng)分和微生物群落中發(fā)現(xiàn)，腐植酸的加入，促進了連作4 年、11 年大棚土壤細菌的優(yōu)勢菌群，抑制了真菌的相對豐度，其中子囊菌門（Basidiomycota）菌群的抑制率達到了5.61%。袁婉潼[37]研究中也表明，適量施用腐植酸可顯著提高鹽堿土壤中細菌數(shù)量，特別是在化肥減施的情況下，配施優(yōu)質(zhì)腐植酸會促進土壤微生物多樣性。孫海燕等[38]在黑土地化肥減施15%～30%的條件下，配合腐植酸生物肥400 ～600 kg/hm2，顯著增加了土壤微生物的多樣性，特別是增加了土壤中細菌數(shù)量，提高了細菌/真菌比值，其增長幅度分別達到了12.3%～181.8%，且隨著腐植酸施用量的增加和時間的延長，這種優(yōu)化效果更佳。

土壤中關(guān)鍵酶活性也是表征土壤質(zhì)量的重要生物學(xué)指標之一。大量研究表明，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶等活性與土壤中有機質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分的吸收轉(zhuǎn)化及逆境脅迫效應(yīng)間存在顯著的相關(guān)性[39～41]。王瑾等[42]按低、中、高量將腐植酸與化肥配施，土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶的活性均得到顯著提升。張曉宇等[43]從施用黃腐酸降低化肥用量研究中獲得，土壤過氧化氫酶提高2.7%～12.2%，而脲酶、蔗糖酶活性均在適度化肥減量下有顯著提高。同樣，李亞杰等[44]在旱地馬鈴薯種植中連續(xù)2 年施用腐植酸菌肥，發(fā)現(xiàn)較常規(guī)復(fù)合肥顯著提高根區(qū)土壤脲酶、蔗糖酶、脫氫酶活性。劉佳歡等[45]在小麥種植試驗中發(fā)現(xiàn)，施用黃腐酸肥料也能夠顯著促進根際土壤中脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶的活性。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，黃腐酸和腐植酸均促進微生物鐵還原過程，腐植酸抑制了·OH 產(chǎn)量，這將有助于認識氧化還原波動下的土壤環(huán)境（如水稻土、濕地等）中微生物鐵還原和活性氧產(chǎn)生過程[46]。郭越宏等[47]通過時代模型分析研究了腐植酸對鉻污染紅壤中微生物及酶活性影響。研究表明，腐植酸能夠有效促進細菌、真菌和放線菌的生長定殖，提高蔗糖酶和堿性磷酸酶活性，降低過氧化氫酶和多酚氧化酶活性。進一步研究表明，微生物數(shù)量與腐植酸濃度呈正相關(guān)，與土壤中殘渣態(tài)鉻含量呈正相關(guān)；而多酚氧化酶和過氧化氫酶活性與細菌數(shù)量和腐植酸施用濃度則呈負相關(guān)，與植物體內(nèi)鉻含量呈正相關(guān)，說明腐植酸能夠通過改善土壤微生物及酶環(huán)境而降低土壤鉻對作物的脅迫效應(yīng)。

4 存在問題及研究趨勢

4.1 主要問題

針對腐植酸在農(nóng)田土壤質(zhì)量改良和污染土壤修復(fù)方面的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者已開展大量研究。隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整、循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展和農(nóng)學(xué)知識的普及，土壤質(zhì)量和土壤健康評價及關(guān)注度也日漸提升，但腐植酸應(yīng)用基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)遠不能滿足生產(chǎn)實際的需求，存在的主要問題如下：

（1）隨著現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及高標準農(nóng)田建設(shè)規(guī)模的加大，關(guān)注作物根際土壤微環(huán)境顯得尤為重要，這將進一步促進行業(yè)對速溶效果好、溶解性強、功能性突出且特點明確的腐植酸材料的需求加大，而煤基和生物基腐植酸及其分級分類的新產(chǎn)品研發(fā)遠不能完全滿足未來市場的迫切需求。

（2）在腐植酸與化肥聯(lián)合復(fù)合/復(fù)混的過程中，目前仍以物理混配/摻混為主，進入土壤后不能最大化地發(fā)揮腐植酸本源功能特性。如何通過化學(xué)反應(yīng)促進不同來源腐植酸中優(yōu)勢官能團與化肥中各離子螯合/絡(luò)合效應(yīng)，實現(xiàn)綠色智能肥料，進而實現(xiàn)腐植酸在土壤-作物系統(tǒng)的功能升級優(yōu)化，這與不同來源和不同風(fēng)化程度腐植酸官能團種類的差異性與礦質(zhì)營養(yǎng)元素、土壤團粒結(jié)構(gòu)的作用機理尚不清楚存在極大的相關(guān)性。

（3）在腐植酸與尿素等化肥的生產(chǎn)過程中，特別是在高塔生產(chǎn)過程中，高溫對腐植酸的炭化也會進一步降低腐植酸肥料的作用效果，缺乏針對性的定向/定量控制腐植酸與養(yǎng)分的耦合反應(yīng)效果。

（4）目前，多數(shù)腐植酸生產(chǎn)過程中，強酸、強堿、高溫的條件會極大地破壞風(fēng)化煤、泥炭、褐煤經(jīng)過長年累月形成有益微生物群體和關(guān)鍵酶活性，特別是對木質(zhì)纖維素分解轉(zhuǎn)化有利的微生物群體和關(guān)鍵酶結(jié)構(gòu)的破壞；同時在強酸堿環(huán)境下腐植酸發(fā)生的氧化分解反應(yīng)也加重了其碳封存結(jié)構(gòu)的破壞，增加大氣、水體環(huán)境的污染風(fēng)險。

4.2 研究趨勢

（1）加大不同來源腐植酸的基礎(chǔ)研究，特別是煤基和生物基腐植酸及其組分效應(yīng)機理，以及新產(chǎn)品研發(fā)及相關(guān)檢測分析標準研究。量化標準是腐植酸產(chǎn)品質(zhì)量過硬的準繩，針對不同功能特性腐植酸及不同分子量大小腐植酸建立可區(qū)分的標準。

（2）加大腐植酸新產(chǎn)品技術(shù)及其工藝研發(fā)力度。結(jié)合循環(huán)經(jīng)濟的理念，根據(jù)現(xiàn)有土壤質(zhì)量退化特征以及農(nóng)業(yè)種植需求，按照腐植酸原料的風(fēng)化程度、來源差異，通過不同的工藝措施獲得特定功能的腐植酸產(chǎn)品，如針對基本農(nóng)田建設(shè)和礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中有機質(zhì)匱乏的土壤改良，研發(fā)適宜的煤基和生物基腐植酸組合，確保腐植酸生產(chǎn)中工業(yè)化腐植酸與土壤腐殖質(zhì)的同源性和構(gòu)型相似性，如超聲波工藝生產(chǎn)的腐植酸[48]，在改善土壤結(jié)構(gòu)中的效果更佳。

（3）在腐植酸肥料的實踐中，針對不同生產(chǎn)區(qū)域和植物類型需求，加大研發(fā)長效緩釋腐植酸肥料，如采用常溫與適度加溫的活化腐植酸，配合少量粘結(jié)劑、微量元素等材料與尿素相結(jié)合，實現(xiàn)包裹型長效緩釋腐植酸尿素[49]；針對刺激根系發(fā)育、移栽苗快速返青等功能，就需要選用小分子黃腐酸與營養(yǎng)元素絡(luò)合/螯合的方式，或者將黃腐酸與螯合態(tài)營養(yǎng)元素進行復(fù)配。

（4）在腐植酸肥料生產(chǎn)過程中，可結(jié)合不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的特定問題需求，研究腐植酸功能肥料，實現(xiàn)“腐植酸+”模式，如：“腐植酸+N-丁基硫代磷酰三胺/3，4-二甲基吡唑磷酸鹽/2-氯-6-三氯甲基吡啶等生化抑制劑”實現(xiàn)腐植酸肥料的“長效+速效”功能[50，51]，“腐植酸+生物炭”可實現(xiàn)腐植酸肥料改良土壤、鈍化重金屬和補炭固碳功能[52]，“腐植酸+中微量元素”可實現(xiàn)腐植酸肥料不同營養(yǎng)元素間協(xié)同增效的功能[53，54]……。這些腐植酸功能肥料均能在改善作物根際土壤環(huán)境物理、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)的基礎(chǔ)上，促進作物根系發(fā)育，增強作物地上部光合效應(yīng)，推進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)快速發(fā)展。