張水勤，袁亮，林治安，李燕婷，胡樹文，趙秉強*

（1農業部植物營養與肥料重點實驗室/中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京100081；2中國農業大學資源與環境學院，北京100193）

腐植酸促進植物生長的機理研究進展

張水勤1,2，袁亮1，林治安1，李燕婷1，胡樹文2，趙秉強1*

（1農業部植物營養與肥料重點實驗室/中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京100081；2中國農業大學資源與環境學院，北京100193）

【目的】腐植酸在我國農業生產中發揮了重要作用，許多研究證實，腐植酸具有促進植物生長的功能，本文從腐植酸刺激植物根系生長、調控土壤與肥料養分轉化及肥料利用率和影響土壤微生物和酶活性方面，系統總結了國內外施用腐植酸促進植物生長的途徑，闡述了腐植酸對植物生長促進作用的機理，旨在梳理腐植酸促進植物生長機理的研究現狀，為腐植酸的進一步研究和應用提供參考依據。【主要進展】1)腐植酸能夠對植物產生類似生物刺激素的效應。它能夠提高植物根系H+-ATP酶等的活性、刺激植物根伸長和側根生長點的增加，從而增加根系活力及植物根系與土壤養分的接觸面積，增加植物對養分的吸收；2)逆境脅迫下，腐植酸能夠通過調節植物體內的新陳代謝并改善植物生長環境，緩解甚至消除逆境脅迫對植物的傷害，從而促進植物生長；3)腐植酸能夠通過與氮素、磷素和鉀素發生結合效應，與磷酸鹽產生競爭效應和對鉀離子的吸附作用固持與活化土壤與肥料中的養分，提高土壤肥料有效性和緩釋性能，提高肥料利用率，從而促進植物生長；4)腐植酸還能夠影響土壤中與養分轉化相關的酶活性和微生物群落結構及數量，在活化養分的同時，保蓄養分，降低養分的損失，為植物生長保障持久的養分供應；5)腐植酸對植物生長的促進效應受腐植酸結構特征、添加量和供試植物種類等因素的影響。【建議與展望】由于技術手段的限制和研究技術的差異，人們對腐植酸促進植物生長機理的認識還不夠系統和深入，因此，腐植酸的基本特征、影響腐植酸作用的主控因子、土壤–植物系統中腐植酸促進植物生長的主要途徑和腐植酸對土壤功能性微生物等的影響都將成為未來研究的重要方向。

腐植酸；植物生長；根系；抗逆性；養分轉化

腐植酸是動植物殘體和微生物細胞等經微生物分解和轉化，以及一系列地球化學過程形成和累積的一類成分復雜的天然有機高分子混合物[1–2]。它在自然界中具有廣泛的來源與分布。以humic acid(腐植酸)為檢索詞，對Web of Science數據庫中1996～2015年間收錄的文獻進行統計分析(檢索時間為2016年4月19日)，發現腐植酸在農業領域研究的發文量為588，占所有研究的15.50%，位居所有研究領域第四位，可見，農業是腐植酸應用的重要領域之一。我國對腐植酸有組織的研究工作始于上世紀50年代末期。上世紀60年代，全國掀起了使用腐植酸肥料和利用腐植酸改良土壤的熱潮；70年代，國務院在1974年和1979年兩次發文(110號和200號)，全面推動了我國對腐植酸的綜合開發利用，確認了腐植酸在農業上“改良土壤，增效肥料，刺激生長，增強抗逆，改善品質”五大作用[3–4]。國內外大量研究證實，腐植酸具有促進植物生長、提高植物產量的作用，如玉米施用腐植酸后能顯著降低從種植到抽雄和抽絲時間，顯著增加作物高度和單位面積產量[5–6]；小麥施用腐植酸能促進根系伸展和生物量的增加[7–8]；水稻施用腐植酸能顯著增加株高、分蘗數、千粒重、秸稈和籽粒產量[9–10]。同時，腐植酸還具有提高肥料利用率、改善作物品質的作用，如提高玉米/小麥/水稻氮磷鉀肥利用率[8,11–13]；改善萵苣/油菜/洋蔥/番茄等的品質，降低體內硝酸鹽含量[14–17]；降低草莓白粉病、灰霉病和爛果病的發病率[18]。Trevisan等[19]認為，腐植酸能夠通過改善土壤結構、提高土壤肥力、影響養分吸收和根系構型對植物生理產生有益的影響。大量研究證實，腐植酸通過調控“植物–土壤–肥料”系統促進植物生長，具體方式及主要作用機理如圖1所示，即主要包括四個方面：1)通過直接作用于植物(尤其是植物根系)而影響根系生長及其對養分的吸收[20–22]；2)通過調控植物活性氧系統和細胞膜滲透性、改善植物生長環境增強植物抗逆性[23–24]；3)通過調控土壤及肥料的養分形態而影響植物的養分供應[14,25]；4)通過影響土壤微生物群落結構及土壤酶活性而影響土壤中及肥料施用后養分形態[26–27]。鑒于此，本文基于以上四個方面內容對已有研究進行總結，系統分析腐植酸促進植物生長的機理，旨在啟發引導對腐植酸的系統研究，從而為腐植酸資源高效利用和科學開發提供理論與技術支撐。

1 腐植酸通過刺激植物根系生長及其對養分的吸收而促進植物生長

1.1 腐植酸對植物根系生長及其對養分吸收的刺激作用

1.1.1 腐植酸對植物根系生長的刺激作用腐植酸對植物根系生長的刺激作用是其對植物生長促進作用的最初動力[28]。腐植酸對植物根系生長的刺激效應主要體現在促進根長度和根數量增加方面。Dobbss等[29]研究表明，腐植酸處理下，番茄側根數量的增加幅度達150%～264%，而側根長度的增加幅度更多，達405%～2280%。這種作用的產生主要是由于腐植酸作用于植物后，植物表現出類似添加低劑量或大量外源生長素的刺激反應[22]，這跟腐植酸含有細胞激肽酶類等有機生物刺激素有關，因此，施用后能夠提升植物生物化學活性，對根系產生類似生長素的作用，刺激植物內生細胞激肽類和植物生長素的增加，引起細胞質膜滲透性能的改變，促進植物蛋白的合成和細胞的生長，從而促進植物根系生長和產量的增加[30–33]。腐植酸對植物根系的刺激作用使植物根系中與蔗糖代謝、蘋果酸酶、ATP酶、細胞支架蛋白質相關的基因出現了差異性表達[21,34]，其中，H+-ATP酶基因的差異性表達對作物根系生長影響最大。研究表明，腐植酸能夠促進玉米根系中H+-ATP酶編碼基因亞型Mha2的表達[35]，能夠作為質膜上H+-ATP酶誘導因子提高細胞活性，誘導質膜表面H+-ATP酶數量的增加，酸化非原質體，從而使細胞壁松弛，允許細胞伸長[36–38]；同時，H+-ATP酶活性的增加也使電化學質子梯度增加，促進了通過第二運輸系統進行的質子跨膜運輸，進而改善了植物的營養[39–40]，刺激植物根系生長。此外，腐植酸能夠通過刺激擬南芥根毛細胞的負調控子基因WEREWOLF和GLABRA2的下調，促使根形態發生重塑，增加根吸收面積，改變根系細胞分化[41]；腐植酸還能促進玉米側根有絲分裂位點增加，抑制ATP的水解和H+的運輸[21]。

圖1 腐植酸促進作物生長的主要途徑及機理Fig. 1 Main approaches and mechanisms of humic acid prompting plant growth

Trevisan等[42]研究表明，在腐植酸施用30min內能夠刺激生長素誘導擬南芥中基因IAA19的表達，這與生長素對植物刺激的效應相似；然而，在其作用2h后，該基因卻沒有表現出與生長素刺激相一致的恢復至基準水平，這可能是由于腐植酸除了具有生長素類似的調控效應外，還具有其他效應。

1.1.2 腐植酸對植物根系吸收養分的促進作用腐植酸對植物根系養分吸收的促進作用主要表現在對硝酸鹽的吸收上。一方面腐植酸能夠促進植物根系中與硝酸鹽吸收同化相關的基因的表達。Tomasi等[43]和Quaggiotti等[35]研究表明，在低分子量腐植酸作用下，玉米根系中與硝酸鹽吸收相關的基因(NRT2.1和MHA2)與硝酸鹽同化基因(NR1)均表現出了上調表達。另一方面，腐植酸能夠通過調節植物根系體內環境，刺激植物對硝酸鹽的吸收。腐植酸能夠通過降低根細胞質膜表面的pH，中和NO3–作為氮源所產生的堿，抑制H+/NO3–的同向轉移[44]；腐植酸(尤其是小分子量腐植酸)對質膜上分離的H+-ATP酶活性的刺激作用，決定了電化學質子梯度的增加[30,38]，從而促進了植物根系對NO3–的吸收，最終促進了植物對氮的吸收。因此，腐植酸能夠通過調控硝酸鹽的吸收、同化和轉移促進植物對硝態氮的吸收。此外，腐植酸還能促進大麥和燕麥幼苗對SO42–和K+等養分離子的吸收[45–47]。

腐植酸也能作為營養物質被植物體所吸收。腐植酸(尤其是小分子量的腐植酸)很容易到達高等植物細胞質膜，且部分被植物所吸收[20,48–51]；李京淑等[52]和儀明光等[53]通過使用氚標記的腐植酸鈉開展砂培試驗，也觀察到了腐植酸鈉可以通過根或莖的切面進入植物體。

1.2 腐植酸對植物根系生長及其養分吸收刺激作用的影響因素

腐植酸對植物根系生長及其養分吸收刺激作用效果與腐植酸的添加量、來源、分子量大小、聚合程度高低和供試植物的種類有關。

1.2.1 腐植酸對植物根系生長促進作用的影響因素Berbara和García[54]通過水稻根系施用不同濃度腐植酸，發現水稻根系施用適量濃度的腐植酸后產生一定量的活性氧促進了水稻的生長和側根的形成，然而，施用高濃度的腐植酸提高了活性氧含量，導致脂質過氧化，從而對水稻根系的生長產生不良影響；Zandonadi等[38]和Canellas等[55]研究認為，聚合程度低分子量小的腐植酸活性較高，能夠刺激玉米根系質膜H+-ATP酶的活性和玉米根系生長，且對玉米根區面積的促進作用是聚合程度高的大分子量腐植酸的兩倍；而聚合程度高分子量大的腐植酸對液泡膜H+泵、玉米根系生長和玉米根系微粒體中H+-ATP酶活性的刺激作用強于聚合程度低分子量小的腐植酸[38,56]；Jindo等[57]認為，污泥堆肥和不堆肥產生的腐植酸樣品均能促進玉米根系生長，提高玉米維管束中質子泵活性，且堆肥處理強于不堆肥，這是由于堆肥產生的腐植酸樣品含有更多的羧基，且具有更強的疏水特性，能夠產生更好的形態學和生物化學效應。此外，相同的腐植酸作用于不同的植物也有不同的響應。腐植酸及其分級物質作用于擬南芥幼苗時，根系表現出主根變短、誘導側根生長等類似于大量添加外源生長素刺激的反應；然而，作用于玉米幼苗時，根系則表現出主根和側根均有增長的類似于添加低劑量的外源生長素刺激的效應[22]。

1.2.2 腐植酸對植物根系養分吸收刺激作用的影響因素腐植酸對植物根系養分吸收的促進作用受其濃度、異質性和分子量大小的影響。Maggioni等[46]研究表明，中間濃度腐植酸對燕麥根系K+和SO42–吸收的促進效果明顯優于過低或過高濃度的腐植酸處理。Albuzio等[45]研究表明，異質性高且未分級的腐植酸對大麥吸收硝酸鹽的促進作用顯著高于分級所得的異質性低的樣品；而在分級所得的腐植酸中，大分子量(>10000D)和小分子量(<9000D)的腐植酸對大麥吸收硝酸鹽的促進效果均強于中間分子量(9000～10000D)的腐植酸。也有研究認為，小分子量組分能夠顯著刺激植物根系對NO3–的吸收，然而大分子量腐殖質需要暴露在硝酸鹽溶液中很長時間才能表現出較低的刺激作用[20,58]；Nardi等[50]則認為，只有小分子量的腐植酸組分才能增加植物根系對NO3–的吸收，大分子量的腐植酸卻無此作用。

植物對腐植酸的吸收因腐植酸的分子量而異。研究認為，小分子量的腐植酸組分(最大分子量小于3500D)容易到達高等植物細胞質膜，且被部分吸收[20,48–50]；而大分子量的腐植酸組分(最小分子量大于3500D)只能與細胞壁發生接觸，且不能被吸收[31]。然而，也有文獻報道，大分子量的腐植酸也并非完全不能被植物所吸收，只是其進入根系的數量低于小分子腐植酸[52–53]；Vaughan等[51]通過比較等添加量(10～250mg/L)條件下豌豆根系對小分子量腐植酸(富里酸)和大分子量腐植酸(胡敏酸)的吸收作用，發現，豌豆根系對富里酸和胡敏酸均具有吸收作用，但對富里酸的吸收量是胡敏酸吸收量的兩倍以上。因此，很多研究者認為，小分子量組分是腐植酸中最具活性的部分，它更易被植物所吸收，且對植物根系生長和養分離子的吸收具有更好的刺激效應[48–50]。盡管如此，大分子量的腐植酸組分也因能夠調控植物根系生長而具有較強的生物活性[29,38]，同時，大分子量的腐植酸處理誘導更高的根分化且刺激了與植物生長和分化相關的新陳代謝過程中酶的活性[49,59]。

大多數研究認為，對植物根系生長、養分吸收和激素類活性影響的諸多因素中最為有效的腐植酸組分具有最多酸性基團和最小分子量的特征，即腐植酸對植物的刺激效應與其結構及分子量大小有關，而與脂肪族和芳香族含量等表征其聚合程度的指標關系不大[20,31,35,60]。然而，也有研究認為低分子量腐植酸之所以成為影響其作用的主要因素與其具有較高含量的芳香族、羧基的和酚基的官能團結構密不可分[20,48–50]；此外，Canellas等[22]認為腐植酸的特定生物活性分子含量對根系生長和形態的生理影響大于其分子量大小的影響。因此，對于影響腐植酸作用于植物的關鍵因素仍需進一步研究。

腐植酸對植物生長的促進作用，不僅表現在對植物根系生長及根系對養分的吸收方面，其對植物地上部生長也表現出一定的促進作用。Jannin等[61]通過將生長一周的油菜幼苗移入含有腐植酸(有機碳100mg/L)的霍格蘭營養液中進行培養，對植物根系和地上部與碳、氮和硫轉化相關的基因進行測定，發現與不添加腐植酸的處理相比，腐植酸處理3天時，地上部差異性表達基因數量為720，是根系(366)的兩倍；且施用30天時，地上部有102個基因呈現出差異性表達，而根系中的基因均檢測不到差異性表達。硝酸還原酶、天冬酰胺合成酶、檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶是玉米葉片中參與氮素轉化與運輸和有機酸合成的重要酶類，腐植酸能夠刺激其編碼基因的表達，從而促進玉米的氮素吸收和氨基酸代謝，進而促進其生長[62]。腐植酸還能通過誘導玉米葉片中參與次生代謝的重要酶類(苯基丙氨酸脫氨酶和絡氨酸解氨酶)基因的表達來促進植物生長[63]。Mora等[64]研究表明，不同濃度的腐植酸均能促進黃瓜地上部生長，這一效果在小麥、玉米和辣椒上也得到了證實[65–67]，產生這種影響的機理可能是腐植酸對根系H+-ATP酶活性和硝酸鹽在根部–地上部分布的影響，從而引起根部–地上部中一定的細胞激肽類、多肽和脫落酸分布的變化，進而影響地上部生長。

2 腐植酸通過增強植物抗逆性促進植物生長

2.1 腐植酸對逆境脅迫下植物生長及代謝的影響

腐植酸能夠緩解生物和非生物脅迫對植物生長的影響，改善植物形態生理特征，對逆境脅迫下植物的生長具有保護機制，在植物生態安全性中具有預防氧化應激的重要作用[23,68–69]。大量研究表明，水分、溫度、鹽分和重金屬等逆境脅迫下，腐植酸通過刺激植物各器官中蛋白質和酶的合成，增強植物體內過氧化物酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等與活性氧代謝相關的酶活性，并降低植物體內丙二醛和質膜透性，調節植物體內的活性氧含量，減輕膜脂的過氧化程度，使植物保持較快的生長速度，從而保持了細胞膜的滲透性能，增強了植物對干旱、寒冷、鹽分和重金屬等的抗性[23–24,70–72]。除了上述作用與功能，García等[73]認為腐植酸還能夠修飾水稻根系中液泡膜水通道內在蛋白基因OsTIP的表達，以增強水稻抵抗水分脅迫的能力。同時，物理作用也是腐植酸增強植物對水分脅迫抗性的重要方面。García等[74]研究表明，腐植酸添加后能夠在植物根系表面、根系表皮細胞和新生根毛中形成腐植酸凝聚體，降低了根系的滲透系數，增強其抗干旱能力。

腐植酸對植物抗逆性的改變不僅體現在對植物形態及生理特征的改變，還能夠通過改變植物生長環境來增強植物的抗逆性。鹽分脅迫條件下，施用腐植酸肥料能夠降低土壤介質的電導率，促進挪威楓和銀杏幼苗的生長，提高其葉綠素含量[75]；腐植酸能夠增加土壤團聚體含量、土壤緊實性、持水能力、陽離子交換能力，促進植物生長[24]；此外，干旱脅迫下，植物根系分泌的有機酸能夠對腐植酸膠體產生局部破壞作用，使其釋放出個體生長調節分子，這些分子足夠小，以至于能夠穿透細胞壁基質進入細胞膜，從而影響基因的表達和酶的活性[76]。

生物脅迫下，腐植酸增強植物抗逆作用主要體現在其對植物致病菌的抑制作用方面。研究證實，腐植酸不僅能夠降低土壤真菌鏈格孢菌Alternaria alternate、大刀鐮刀菌Fusarium colmorum和尖孢鐮刀菌Fusarium oxysporum分生孢子的存活率，還能夠抑制分生孢子菌絲的伸長，且對分生孢子繁殖的抑制為其主要作用方式[77–78]。通過以上作用的發揮，腐植酸顯著降低了根須病的發病率。

2.2 逆境脅迫下腐植酸對植物作用的影響因素

逆境脅迫下，腐植酸對植物的作用大小受脅迫程度高低、腐植酸添加量、腐植酸結構等因素的影響[23,72,78]。腐植酸對植物抗逆性的影響因逆境脅迫程度的高低而異。腐植酸可緩解土壤中輕度Cd污染，顯著抑制小麥幼苗對Cd的吸收，促進小麥幼苗干物質積累及其對Cu、Zn、Fe、Mn等微量營養元素的吸收和積累；隨Cd污染程度加重，腐植酸對植株Cd吸收的抑制能力減弱，并對Cu、Zn、Fe、Mn等微量營養元素吸收產生不同影響[72]，因此，逆境條件下，植物受逆境脅迫的程度影響腐植酸的作用效果。腐植酸對植物抗逆性的影響還受其添加濃度高低的影響。用濃度為0～500μg/mL的腐植酸對干旱脅迫下玉米浸種，發現浸種后的玉米幼苗活性氧系統增強，膜脂過氧化程度降低，且對玉米抗旱性的促進效應隨浸種腐植酸濃度的增加而愈加顯著[79]。而García等[23]則認為，水分脅迫下，隨著腐植酸施用量(HA34和46mg/L)的增加，植物的生長速度和含水量增長加快，但是，對水稻抗氧化防御系統的酶活性并沒有表現出明顯的差異。通過盆栽試驗，研究葉面噴施濃度為20、40、60、80和100mg/L的腐植酸對高溫脅迫下掌葉半夏幼苗生長生理指標及次生代謝的調控效應，發現噴施60mg/L的腐植酸處理對高溫脅迫下掌葉半夏幼苗葉片的調控效應最好，最為有效地減輕了夏季高溫對掌葉半夏幼苗葉片的傷害、延緩衰老、提高幼苗抗熱性，促進生長、延長生長期[80]?？梢?，腐植酸添加量并非越多越好，而是有一個適宜的濃度，且過量的腐植酸施用甚至增加了番茄感染根腐病病原菌的可能性，提高了番茄根腐病的發病率[81]。因此，逆境條件下，腐植酸添加量影響其對植物抗逆性的作用效果，且存在最適宜的添加濃度。

除添加量之外，腐植酸所具有的烷基、羧基和羰基等官能團也是其抵抗逆境脅迫的關鍵作用因素，甚至有研究認為這些官能團的作用大于添加量[74,79]。Loffredo等[79]研究表明，腐植酸對植物枯萎病致病菌尖孢鐮刀菌Fusarium oxysporum的抑制效應與其羧基官能團性質和含量相關。Gholami等[82]也認為結構不同的胡敏酸與富里酸消除鹽分對車前草的傷害效果不同，且胡敏酸的作用效果強于富里酸。

圖2 1996～2015年Web of Science收錄的腐植酸與氮、磷和鉀作用研究的發文量Fig. 2 The published papers of humic acid and N, P and K in Web of Science from 1996 to 2015

3 腐植酸通過調控土壤與肥料中的養分轉化促進植物生長

3.1 腐植酸調控土壤與肥料中的養分轉化，提高其有效性

以腐植酸(humic acid，HA)與主要肥料養分(nitrogen/phosphorus/potassium，N/P/K)為檢索詞，對1996～2015年間Web of Science數據庫收錄的發文量進行統計(檢索時間2016年4月19日)，得到如圖2所示雷達圖。由圖2可知，近20年發文量逐漸增加，可見研究人員對腐植酸與養分尤其是氮素的交互作用的關注度逐年增加。大量研究證實，腐植酸因具有較多的酸性功能基團和較大的陽離子交換量，能夠作為土壤調理劑改善土壤理化性質，增強土壤保蓄養分離子的能力[83–84]；且能夠通過與氮素、磷素和鉀素的結合效應[85–88]、與磷酸鹽的競爭效應[14,89]和對鉀離子的吸附作用[90–91]固持與活化肥料中的養分，提高肥料有效性和緩釋性能，從而提高肥料利用率。因此，腐植酸能夠與土壤與肥料中的養分發生作用，調控土壤與肥料中養分形態轉化，提高其利用效率，進而促進植物生長。

3.1.1 腐植酸對土壤與肥料中養分形態的調控腐植酸對土壤中的養分形態具有調控效應。腐植酸能夠與磷酸鹽競爭土壤礦物表面的吸附位點，降低土壤礦物對磷酸鹽的吸附；與土壤中的鈣離子發生結合作用及與Ca-P發生作用，減少Ca-P沉淀的生成，提高土壤與肥料中磷素的有效性[14,89,92]。Olk和Cassman[90]研究表明，腐植酸具有結合土壤中鉀離子、增強其抗土壤吸附的能力，從而認為其具有調控土壤鉀素有效性和防固定的潛力。此外，腐植酸因具有較多的酸性基團，施用后可降低土壤pH，從而提高土壤中微量元素(Zn、Mn、Fe、Cu)的有效性[93]。

腐植酸對肥料中的養分形態具有調控效應。腐植酸能夠通過自身的羧基和酚羥基與尿素的酰胺基作用生成腐植酸-脲絡合物，該物質具有較高的穩定性，能夠抑制尿素分解、提高氮素利用效率，實現尿素的長效緩效[84–85,94]。同時，腐植酸能夠通過非生物作用固定肥料中的銨態氮，并形成以吲哚和吡咯[86]、酰胺-縮氨酸結構[27,87]等為代表的化學物質與結合形式。腐植酸中所含的羥基官能團能夠與磷酸一銨通過陽離子的橋接作用發生復合反應，生成水溶性的腐植酸磷和腐銨磷[88]，提高了磷肥的有效性。腐植酸還能夠吸附與固定肥料中的鉀素或與肥料中的鉀素反應，生成以膠體化合物形式存在的腐植酸鉀，它不易隨水流失，提高了鉀肥的緩釋性能[88,91]。

3.1.2 腐植酸能夠提高土壤與肥料中養分的有效性腐植酸能夠提高肥料養分的有效性。施用添加胡敏酸和富里酸的尿素后，土壤中NH4+-N和NO3

–-N的累積量明顯高于普通尿素處理[3]；而Suntari等[10]則通過開展土壤培養試驗，進一步研究發現，腐植酸尿素肥料能夠在水稻種植后第28和42天分別提高土壤中NH4

+-N和NO3–-N的含量。腐植酸與磷肥一起施用后土壤中速效磷含量顯著高于普通磷肥處理，且土壤對磷的固定率比普通磷肥降低7.32%[95]。

腐植酸能夠降低肥料施用后土壤與肥料中養分的損失。腐植酸主要組分胡敏酸和富里酸的pH分別為1.89～2.27和1.14～1.20，施用于土壤后，造成土壤pH短暫降低，從而緩解甚至抑制了施肥區域尿素的水解，進而降低了尿素的氨揮發損失[25,27]。同時，腐植酸還通過短暫降低土壤pH，降低土壤中氨的揮發損失[84]。Reeza等[25]研究發現，土壤中施用了添加胡敏酸和富里酸的尿素后，氨揮發量較普通尿素處理顯著降低了12.92%～20.12%；Yusuff等[96]進一步證實腐植酸與尿素混合施用在培養初期(0～10天)氨揮發量顯著低于單施尿素處理(P<0.05)，但隨后高于單施尿素處理。因此，腐植酸與尿素混合施用能夠在初期抑制氨揮發并在后期將保蓄在土壤中的氨緩慢釋放，從而提高氮肥利用率[8,11]。此外，腐植酸施用還能夠降低水稻土中NH4+-N和NO3

–-N隨農田排水的損失量[9]。

因此，腐植酸能夠通過調控土壤與肥料中養分的形態，提高肥料施用后土壤與肥料中養分的有效性和降低土壤與肥料中的養分損失，提高肥料利用率和土壤供肥能力，促進植物生長[97]。

3.2 腐植酸調控土壤與肥料養分的影響因素

腐植酸對土壤與肥料養分的調控效應受腐植酸種類、官能團和添加量等因素的影響。腐植酸的種類和來源不同，導致其對土壤與肥料養分的調控效應存在差異。不同產地的腐植酸對小白菜各生育期土壤氮磷鉀含量的影響存在顯著的差異[98]；腐植酸的組分胡敏酸和富里酸對氨均有一定的固定作用，且與氨結合的位點基本一致，但富里酸對氨的固定量大于胡敏酸[86]，這可能是由于腐植酸的羧基和羥基在固定氨方面起著最主要的作用，而這些基團在富里酸中具有更廣泛的分布[99–101]。腐植酸某些特定的官能團與尿素、銨根離子、磷酸鹽和鉀離子均能夠發生結合反應，因此，腐植酸結合位點數量的多少影響腐植酸對土壤和肥料養分的調控效果[88]。腐植酸的添加量對土壤養分的調控效果也不相同。一方面，腐植酸添加量影響土壤中養分的釋放率。Bama等[102]研究表明，土壤中N、P和K的釋放與腐植酸的添加量呈線性相關關系。另一方面，腐植酸的添加量對肥料施用后養分的轉化影響存在差異，腐植酸施用量達到一定水平后，對土壤固定態磷才具有激活效應[103]。Yusuff等[96]研究表明，腐植酸添加量越大，其對尿素氨揮發的抑制效果越強。劉增兵等[104]的研究結果與此一致。此外，環境pH影響腐植酸與磷酸鹽的競爭吸附效應。低pH條件下，腐植酸與磷酸鹽對針鐵礦、三水鋁礦和土壤上的吸附位點具有更強的競爭效應[105]。

綜上，腐植酸對肥料及土壤養分有效性的調控是其降低土壤pH、活化與固持土壤與肥料養分、減少土壤與肥料養分損失和結合土壤肥料等作用的綜合結果，且具體效果因腐植酸種類、官能團數量和添加量等因素而異。

4 腐植酸通過調控土壤微生物及酶活性促進作物生長

4.1 腐植酸對土壤酶活性的影響

腐植酸是土壤腐殖質的重要組成成分，具有穩定的碳形態，對土壤微生物的生物活性具有重要的作用[30,106]；同時，腐植酸還能夠通過調控土壤微生物及酶活性，為植物根系的生長和肥料養分的保蓄提供良好的生長環境來實現其促進作物生長的作用。腐植酸施用能夠影響土壤酶的活性。腐植酸對脲酶的作用是其影響土壤酶的重要方面。研究認為，腐植酸能夠在加入初期抑制土壤脲酶活性，降低尿素水解速度，從而減少水解產物氨的揮發；而加入后期卻能夠穩定脲酶活性，使尿素繼續以相對穩定的速度轉化成氨，供給植物生長[107–108]，而腐植酸之所以能夠抑制脲酶活性，一方面是因為腐植酸中大量不飽和鍵可以有效防止脲酶中的活性官能團(巰基，–SH)氧化，另一方面腐植酸還能螯合土壤中脲酶巰基的抑制劑(Cu2+和Hg2+)[109]。此外，腐植酸對其他酶類的影響有：在含大量有機質的土壤中，腐植酸能夠強烈抑制脲酶、酸性磷酸酶和N-乙酰氨基葡萄糖苷酶等的活性[26]；而彭正萍等[15]研究表明，向種植油菜的潮褐土中施用腐植酸復合肥，較普通復合肥更能提高土壤堿性磷酸酶活性和過氧化氫酶活性，從而活化土壤中的磷素，提高有效磷含量；此外，劉蘭蘭等[110]通過小區試驗證實，腐植酸具有提高土壤酸性磷酸酶和蔗糖酶活性的作用；Sellamuthu和Govindaswamy[111]的研究則進一步認為，腐植酸和肥料配合施用對土壤中過氧化氫酶、脫氫酶和堿性磷酸酶活性具有提高效果，且隨著腐植酸添加量(10～40kg/hm2)的增加，效果先增強后減弱。

4.2 腐植酸對土壤微生物結構和數量的影響

腐植酸還能夠影響土壤中微生物的數量和多樣性。Sellamuthu和Govindaswamy[111]研究表明，肥料和腐植酸配合施用增加了甘蔗種植條件下根際土壤中細菌、真菌和放線菌數量，且隨著腐植酸添加量(10～40kg/hm2)的增加，各種微生物數量均呈現先增加后降低的趨勢，30kg/hm2的腐植酸與肥料配合施用條件下，微生物的數量最多；劉蘭蘭等[103]和楊云馬等[112]的研究結果與此一致，且認為腐植酸對不同種類的微生物作用效果不同，其中，對細菌的影響最大，真菌次之，對放線菌的影響最小；Dong等[27]研究表明，褐煤腐植酸能夠通過降低土壤中尿素向氨的水解速度和緩沖土壤pH等作用來抑制氨化細菌、氨化古菌等微生物群落組成和數量的改變，緩沖尿素施用對土壤中細胞多樣性和總量的影響，從而降低氨被氧化成亞硝酸和硝酸的速度，以及降低通過反硝化轉化成氮氣造成的損失，最終能夠使更多的氮為植物所吸收利用，對于植物生長和作物增產均具有重要的意義。

腐植酸對土壤微生物的影響受腐植酸種類的影響。Bhardwaj和Gaur[113]研究表明，胡敏酸和富里酸均能明顯促進固氮菌生長，提高固氮菌的固氮能力，且以富里酸的提高效果更為顯著，對固氮菌數量的影響大于其對固氮能力的影響。

此外，腐植酸含有能夠提高土壤肥力和增加土壤養分有效性的大多數元素，能夠促進作物生長、增加作物產量[114]；腐植酸還能夠通過增加細胞呼吸和細胞膜對養分的吸收，提高作物二磷酸核酮氧合酶/羧化酶活性，增加植物光合活性，提高豆科作物的生物固氮等，從而促進作物生長、增加作物產量[115–117]。

5 研究展望

腐植酸可通過直接刺激植物根系生長和養分吸收、增強植物抗逆性、間接調控土壤與肥料中養分的有效性和影響土壤微生物數量結構和酶活性等調控養分轉化促進植物生長；同時，腐植酸對植物生長的促進作用受腐植酸來源、組成、結構、濃度、植物種類等影響，因此，對腐植酸促進植物生長主要途徑的研究和影響腐植酸作用發揮主控因子的研究顯得十分有必要。

近些年來，人們對于腐植酸的研究，無論是在研究技術、研究方法上都在逐步發展，然而，隨著對腐植酸應用目標要求的逐漸提高和研究內容的逐漸深入，現有的研究內容已不能滿足未來發展的需求，還需要從以下幾個方面實現突破：

1)腐植酸基本特征的研究。盡管國內外對腐植酸結構與組成的研究已有相當長的歷史，但具有高度異質性的腐植酸仍然是研究的熱點與難點，因此，利用新的技術手段，如核磁共振等對腐植酸的結構和組成等進行表征和分析仍需進一步開展。

2)影響腐植酸作用的主控因子研究。在研究腐植酸基本特征的基礎上，對影響腐植酸作用的因子進行分析，探究腐植酸作用的主控因子，為腐植酸的深入研究和活化改性提供理論依據。

3)土壤–植物系統中，腐植酸促進植物生長的主要途徑研究。當前對腐植酸促進植物生長的途徑研究手段存在不一致性，如腐植酸對根系生長的刺激作用多采用水培的方法[20–22]，對土壤微生物和土壤酶的調控作用多采用室內恒溫培養的方法[27]，而對土壤養分有效性的影響則多是田間試驗的結果[25]，因此，缺乏系統的研究來綜合比較腐植酸對植物生長的促進作用，從而分析土壤–植物系統中，腐植酸促進植物生長的主要途徑。

4)腐植酸對土壤功能性微生物等的影響研究。腐植酸能夠影響土壤微生物結構，但目前多數研究僅停留在對微生物數量的研究層面，未進一步深入，而對功能性微生物的研究有助于探究腐植酸促進土壤中養分轉化的機理，為腐植酸的利用提供重要的理論支持。

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Advances in humic acid for promoting plant growth and its mechanism

ZHANG Shui-qin1,2,YUAN Liang1,LIN Zhi-an1,LI Yan-ting1,HU Shu-wen2,ZHAO Bing-qiang1*
(1 Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Ministry of Agriculture/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2 College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

【Objectives】Humic acid plays an important role in Chinese agricultural production.Many research results have showed that humic acid could prompt plant growth.In this study,the researches on humic acid for prompting plant growth were systematically summarized,and the mechanism was focused on stimulating roots growth,regulating nutrition transformation,and affecting microbial activity.According to review of the research status of humic acid prompting plant growth,we aimed to provide the references for the further researches and application of humic acid at last.【Major advances】1)Humic acid produces effects on plant like biostimulants.In detail,humic acid can improve H+-ATPase activity of roots,simulate root elongation and the increase of lateral root points,which is conducive to the increase of root activity,as well as the expansion of the contact area between roots and soil nutrition.2)Humic acid regulates the metabolism of plant and improves the environment of plant growth under stress.Based on this,the abiotic and biotic stress is eliminated and the plant isprevented from the injury,which is conducive to plant growth.3)Humic acid reacts with nitrogen,phosphorus and potassium,and new compounds are synthetized.In addition,humic acid has competition effects with phosphate,and adsorption effects with potassium ions.All the effects are beneficial to immobilize and activate the nutrients in soil and fertilizer.Thus,the availability and the sustainable release of the nutrients in soil and fertilizer are enhanced,and plant growth is prompted.4)Humic acid also plays an important role in regulating soil enzyme activities related to soil or fertilizer nutrition transformation,and microbial community structure and biomass. Owing to the regulation,the nutrition is activated in soil,and the goal of nutrition preservation is achieved. Therefore,it is ensured that plant growth can get permanent nutrient supply.5)The promotion of humic acid on plant growth is affected by the structural characteristics,addition amounts of humic acid,and crop species.【Suggestions and expectations】The limited technology and the discrepancy of researches impede deeper and systematic research in the mechanism of humic acid prompting plant growth.Therefore,the future study will focus on the basic characteristics of humic acid,the dominating factor analysis of humic acid action,the principal pathway of humic acid prompting plant growth in soil-plant systems,and the effect of humic acid on soil functional microorganism.

humic acid;plant growth;root system;stress resistance;nutrition transformation

2016–06–27接受日期：2016–09–10

“十三五”國家重點研發計劃項目（2016YFD0200402）；國家自然科學基金項目（31601827）；中央級公益性科研院所專項資金項目（IARRP-2014-5）資助。

張水勤（1988—），女，河南新密人，博士研究生，主要從事新型肥料研究。E-mail：shuiqin08@163.com

*通信作者E-mail：zhaobingqiang@caas.cn