腐植酸治理鹽堿化土壤的機(jī)理與應(yīng)用研究進(jìn)展

宋 佳 孔令冉 楊天一 孫福海 夏雪蓮 朱瑩雪 周橡棋 馬獻(xiàn)發(fā)

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

腐植酸治理鹽堿化土壤的機(jī)理與應(yīng)用研究進(jìn)展

宋 佳 孔令冉 楊天一 孫福海 夏雪蓮 朱瑩雪 周橡棋 馬獻(xiàn)發(fā)*

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

近年來，土壤鹽堿化逐漸成為世界性問題。針對(duì)鹽堿土所具有的鹽堿化程度高、單鹽毒害突出等特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了腐植酸的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，腐植酸改良鹽堿土的原理及應(yīng)用效果，展望了腐植酸鹽堿土改良與應(yīng)用前景。

腐植酸 鹽堿土 研究進(jìn)展

鹽堿土(或稱鹽漬土)是指含鹽、含堿土壤的統(tǒng)稱。土壤中含鹽量在0.1%～0.2%以上，或者土壤膠體吸附一定數(shù)量的交換性鈉(即堿化度)在15%～20%以上，危害大部分植物正常生長。土壤鹽堿化是一個(gè)世界性問題。其原因主要有兩方面：一是面積巨大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界鹽堿地面積超過8×108hm2[1]；二是鹽漬土和土壤次生鹽漬化的危害巨大。因鹽堿化土壤不能為作物提供正常的水、肥、氣、熱條件，導(dǎo)致鹽堿化土壤對(duì)農(nóng)業(yè)的直接危害是作物不能正常生長。

目前，鹽堿土改良措施主要有施用改良劑或有機(jī)肥[2～4]、水利工程措施[5～7]、農(nóng)藝措施[8，9]、生物措施[10]等，其中見效快、簡單易行、常見的是施用改良劑或有機(jī)肥改良鹽堿土。這些措施的大部分原理是通過添加物的高分子化合物螯合反應(yīng)、土壤膠體離子代換反應(yīng)，以改善土壤理化性質(zhì)。

腐植酸在土壤、濕地、煤炭和貝巖等有機(jī)礦物中都有分布，外觀呈黑色或棕色，是呈酸性的無定型的天然有機(jī)高分子物質(zhì)[11]。經(jīng)研究證明，腐植酸類肥料具有改良土壤、增進(jìn)肥效、調(diào)節(jié)作物生長、提高作物抗逆性和改善作物品質(zhì)等功能，為腐植酸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用和農(nóng)用腐植酸產(chǎn)品發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)和新的思路，推動(dòng)了腐植酸復(fù)混肥料、腐植酸專用肥料、腐植酸微量元素肥料、腐植酸旱地育秧床土、腐植酸液體肥料和腐植酸作物調(diào)節(jié)劑等產(chǎn)品的開發(fā)。近年來，腐植酸作為一種土壤改良劑廣泛應(yīng)用于改良土壤和提升土壤肥力等方面，并取得了顯著效果。本文通過綜述腐植酸治理鹽堿化土壤的最新研究成果，提出展望，旨在為腐植酸科學(xué)、高效改良鹽堿化土壤提供參考。

1 腐植酸的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

腐植酸是從土壤、泥炭、風(fēng)化煤、褐煤等低階煤物料中能夠用堿液提取出來的那一部分暗色物質(zhì)，其基本性能、化學(xué)組成、物理化學(xué)性質(zhì)有很多報(bào)道[12～19]。從化學(xué)組成說，腐植酸不是單一化合物，而是脂肪-芳香族羥基羧基的混合物，其主要組成元素是碳(40%～50%)、氫(1%～2%)、氧(28%～48%)、氮(1%～6%)。高倍電子顯微鏡下觀察，腐植酸是由極小的球形微粒連接成線狀的，類似葡萄串的團(tuán)聚體，直徑1～100 nm，屬膠體粒子范圍。腐植酸的分子量大小不一，分布范圍較寬。腐植酸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能用單一的化學(xué)結(jié)構(gòu)式表示，其結(jié)構(gòu)中心是由芳香核(一般是1～3個(gè)環(huán))組成，核之間由橋鍵(氧橋、亞甲基，亞胺基)連接，而具有物理-化學(xué)作用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位官能團(tuán)(羧基、酚羥基、醌基等)圍繞在核的外圍。官能團(tuán)所占的數(shù)量和比例因不同來源的腐植酸結(jié)構(gòu)不同而有所差異，從而決定了腐植酸離子交換能力、飽和鹽基能力以及吸附能力。

2 腐植酸改良鹽堿土的原理

2.1 腐植酸調(diào)節(jié)土壤pH，降低土壤溶液中鹽分離子濃度，防止鹽堿的危害

鹽堿土的化學(xué)改良途徑可分兩種，一是改變土壤膠體表面吸附性陽離子的組成，置換土壤中的鈉離子，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，減弱土壤的堿性。二是直接調(diào)節(jié)土壤pH，防止鹽堿的危害。腐植酸可以使土壤孔隙度增加，保水透水性能增強(qiáng)，表層土壤水分蒸騰作用減弱，增加土壤深層水分含量，從而降低地下水中鹽堿在表層土中的積累量。腐植酸的這些特性，使其在土壤中具有淋洗降鹽和保水壓鹽的作用。此外，由于大分子腐植酸呈現(xiàn)有機(jī)弱酸性，使其具有較大的緩沖性能，陽離子交換量大，可調(diào)節(jié)土壤pH的變化范圍。

2.2 腐植酸能夠螯合、吸附鹽堿離子，改善土壤鹽堿狀況

腐植酸的分子結(jié)構(gòu)中含有多種官能團(tuán)，主要是含氧的酸性官能團(tuán)，包括脂肪族和芳香族結(jié)構(gòu)上的酚羥基和羧基等。其中羧基是最重要的官能基團(tuán)，親水性強(qiáng)，使腐植酸具有較強(qiáng)的離子交換和絡(luò)合能力等化學(xué)活性及生物活性，如離子交換，對(duì)金屬離子的絡(luò)合作用，氧化還原性及對(duì)植物的生理活性。當(dāng)土壤過堿時(shí)，腐植酸的酸性功能團(tuán)可使堿性降低。

腐植酸是一種有機(jī)膠體，具有膠體的吸附性能。腐植酸內(nèi)部大小不一的空間位置可吸附有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)[20]。腐植酸吸附Ca2+特性非常重要，可代換鹽堿土中的交換性鈉，如：腐植酸鈣是由腐植酸和鈣復(fù)配而成的一種有機(jī)-無機(jī)膠體的黑色顆粒，可以中和土壤的堿性、代換土壤膠體上的交換性鈉離子、消除毒害。同時(shí)，降低鹽堿土pH值，增強(qiáng)土壤自我凈化與修復(fù)能力。

3 腐植酸改良鹽堿土的應(yīng)用效果

3.1 腐植酸可以明顯消減土壤鹽堿障礙

鹽堿化土壤的障礙主要表現(xiàn)在土壤鹽分高(即電導(dǎo)率大)，尤其由于鈉離子過多引起的pH高，土壤結(jié)構(gòu)性和通透性差。各地的試驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐表明，腐植酸類物質(zhì)改良鹽堿土的效果明顯。例如，許志坤等[21]改良鎂質(zhì)鹽堿土試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)風(fēng)化煤腐植酸效果明顯，水溶性鎂含量降低效果為：風(fēng)化煤＞石膏＞廄肥。馬獻(xiàn)發(fā)等[22]改良試驗(yàn)證明，腐植酸類物質(zhì)均使土壤的堿性顯著降低，耕層土壤pH值由改良前的9.2降到7.8～8.3，比對(duì)照組降低15.3%～9.88%；同時(shí)表明不同來源的腐植酸物質(zhì)改良效果不同，其中泥炭腐植酸效果最好。蘇打型鹽土是一種含有較多碳酸鈉和交換性鈉低產(chǎn)土壤，土壤堿性強(qiáng)，導(dǎo)致土粒高度分散，土壤結(jié)構(gòu)性差。可溶性鹽、pH值以及代換性Na+等均呈明顯的下降過程， 而有利于土壤改良的陽離子中的Ca2+、Mg2+與代換性鹽基總量則呈增加過程，正在迅速演變?yōu)榉躯}漬化土壤[23]。在增施泥炭腐植酸條件下，蘇打草甸鹽土剖面特別是耕作層呈現(xiàn)為明顯脫鹽，pH及堿化度下降，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及全磷含量增加[24]。可見，腐植酸改良鹽堿土及防止土壤鹽漬化危害效果顯著。

3.2 腐植酸改良鹽漬化草場(chǎng)效果顯著

鹽堿土區(qū)草場(chǎng)施用泥炭、褐煤、風(fēng)化煤等含腐植酸物質(zhì)，干草增產(chǎn)明顯。從不同鹽漬化程度退化草場(chǎng)的改良效果看，輕度鹽漬化草場(chǎng)腐植酸復(fù)合制劑改良效果較好，重度鹽漬化草場(chǎng)以一次性施入大量腐植酸類物質(zhì)的改良效果明顯[25]。試驗(yàn)表明，施用腐植酸類改良劑能夠不同程度地提高鹽漬化草場(chǎng)的覆蓋度，促進(jìn)鹽漬土退化草場(chǎng)向優(yōu)質(zhì)羊草群落正向演替。從連續(xù)兩年的生物量測(cè)定可知，應(yīng)用腐植酸處理的牧草，其產(chǎn)量都比對(duì)照提高了0.83～5.41倍，并且植物生長量均隨年度的增加而呈逐年上升趨勢(shì)。腐植酸在鹽漬化程度高的草場(chǎng)上應(yīng)用效果尤其顯著。

3.3 腐植酸能夠提高作物抗鹽堿性

腐植酸類物質(zhì)在作物抗鹽堿方面效果明顯。各地許多學(xué)者開展了探索性試驗(yàn)，陳伏生等[26]鹽堿土盆栽試驗(yàn)表明，泥炭和風(fēng)化煤腐植酸對(duì)水稻分蘗期、拔節(jié)期、結(jié)實(shí)期的根系活力明顯提高；出穗期和出穗兩周時(shí)莖液流速顯著增大；收獲時(shí)分蘗數(shù)、飽滿率、千粒重、株高、穗長、稻草重、谷粒重和根重都有不同程度的提高。適量的腐植酸濃度可緩解鹽脅迫下的水稻的生長，不同濃度的腐植酸對(duì)鹽脅迫下的水稻幼苗的不同部位生長、發(fā)育的緩解效果各不相同[27]。在鹽脅迫下，噴施腐植酸水溶肥料通過降低燕麥葉片中Na+/K+、Na+/Ca2+、Na+/Mg2+值，提高單株穗粒數(shù)，使燕麥保持較高產(chǎn)量[28]。腐植酸類物質(zhì)對(duì)鹽堿化土壤的玉米生長發(fā)育狀況有明顯促進(jìn)作用，玉米植株生長旺盛、抗倒伏，抗逆性強(qiáng)，抽雄吐絲比對(duì)照普遍早3～5天，玉米的穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒重及百粒重都有所提高[29]。風(fēng)化煤腐植酸能夠提高荒漠鹽漬土小麥的根系長度、株高和地上部分的生物量[30]。可見，大量研究均證實(shí)了腐植酸對(duì)鹽漬化土壤上不同作物的抗鹽堿性和增產(chǎn)作用。

3.4 腐植酸能夠降低設(shè)施土壤鹽分，刺激作物生長

設(shè)施土壤鹽分主要來源于大量施用化肥，盲目大量投化肥是造成土壤次生鹽漬化的重要原因之一，嚴(yán)重影響設(shè)施蔬菜正常生長。試驗(yàn)研究表明，利用腐植酸、沸石和蛭石來改良設(shè)施土壤，影響設(shè)施土壤鹽分和白菜產(chǎn)量主次順序?yàn)楦菜幔痉惺掘问痆31]。雖然設(shè)施土壤鹽分積累的成因與自然鹽堿土不同，但腐植酸類物質(zhì)同樣能夠降低設(shè)施土壤鹽分和刺激作物生長。腐植酸及其鹽類能刺激植物生長、改善品質(zhì)、降低因化學(xué)肥料施用過多所產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽等。腐植酸制劑、與腐植酸制劑等養(yǎng)分的配方肥分別使黃瓜和番茄增產(chǎn)顯著，同時(shí)對(duì)番茄和黃瓜的Vc含量、糖含量等品質(zhì)指標(biāo)改善明顯。設(shè)施栽培土壤上，腐植酸鉀(腐植酸含量為40%)與復(fù)混肥料配施，表土電導(dǎo)率及水溶性鹽基離子K+、Ca2+、Mg2+、NH4+、NO3-、SO42-、HCO3-明顯降低[32]。可見，腐植酸物質(zhì)具有降低設(shè)施土壤鹽分積累，明顯提高蔬菜產(chǎn)量和改善品質(zhì)的應(yīng)用效果。

3.5 腐植酸防治城市綠地土壤次生鹽漬化效果明顯

由于人類活動(dòng)的頻繁與多樣使城市綠地土壤次生鹽漬化日益加重，土壤次生鹽漬化已成為阻礙城市綠地植物生長的主要問題。李偉彤等[33]利用褐煤腐植酸為主要原料，配合沸石、玉米秸稈、磷石膏等，優(yōu)選出降低土壤鹽分的改良劑配方組合，將改良材料施入電導(dǎo)率為950 μS/cm哈爾濱市區(qū)綠地鹽漬化土壤，防治城市綠地土壤次生鹽漬化效果明顯。主要有以下兩方面的效果：一方面是改善土壤膠體性質(zhì)，促進(jìn)膠體凝聚過程，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，增加土壤通透性，加速鹽分離子淋洗和排出；另一方面是改善鹽漬化土壤的化學(xué)性質(zhì)，增加土壤對(duì)鹽分的吸收性能，減少鹽分移動(dòng)，改變土壤的可溶性鹽基成分。這也為腐植酸類物質(zhì)改良鹽堿化土壤開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

綜上所述，腐植酸可廣泛應(yīng)用于不同地區(qū)和不同成因的鹽漬化土壤。腐植酸物質(zhì)具有明顯降低土壤鹽分和pH功能，有利于土壤結(jié)構(gòu)改善，從而消減土壤鹽堿障礙。施用腐植酸能提高鹽堿土中微生物數(shù)量、土壤脲酶活性、土壤堿解氮含量和植株氮素吸收量[34]，有效地調(diào)節(jié)土壤中的營養(yǎng)元素的合理比例[35]。因不同來源腐植酸物質(zhì)改良效果存在差異性，故應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際選擇適合的腐植酸物質(zhì)。

4 研究展望

近年腐植酸研究取得豐碩的成果，在實(shí)際應(yīng)用過程中還存在許多不足，需要加強(qiáng)以下兩方面研究與實(shí)踐。

(1) 加強(qiáng)腐植酸改良鹽堿土的過程中施用技術(shù)和效果的評(píng)價(jià)研究。目前主要根據(jù)在鹽堿土上施用腐植酸肥料后土壤中水溶性鹽分，氮、磷、鉀含量，pH值等變化，利用主成分分析法和聚類分析等建立模型評(píng)價(jià)腐植酸改良鹽堿土效果。以評(píng)價(jià)在鹽堿土上種植業(yè)物質(zhì)利用和損失為例，主要輸入輸出物質(zhì)平衡包括氮、磷和鉀的平衡，平衡參數(shù)可以用來查找物耗高的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。以氮平衡為例，如圖1所示。

圖1 區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮素平衡Fig.1 The nitrogen balance of regional agricultural ecosystem

氮素輸入、輸出的途徑比較復(fù)雜，很難測(cè)定其揮發(fā)、淋洗、徑流等過程中氮的流失，但是可通過簡易計(jì)算方法衡量氮素的利用效率，如通過(1)式計(jì)算氮利用效率。通過對(duì)比利用率和損失率，評(píng)價(jià)腐植酸在改良鹽堿土過程中氮素利用效率改善程度。

REN為氮素利用效率，U為施腐植酸肥料后收獲時(shí)地上部分吸氮量；U0為未施腐植酸肥料收獲時(shí)地上部分吸氮量；F為施用的腐植酸肥料量。

氮素的損失量我們也可以通過下式(2)計(jì)算。

LEN為氮素?fù)p失率，L為施腐植酸肥料后通過滲漏、徑流或揮發(fā)等過程中損失的氮；F為施用的腐植酸肥料量。

(2) 加強(qiáng)腐植酸肥料生產(chǎn)過程中基礎(chǔ)問題研究。傳統(tǒng)生產(chǎn)腐植酸的工藝中采用褐煤、泥炭、風(fēng)化煤等為原料，如何將以大分子聚合物形式存在的原生腐植酸進(jìn)行更好的活化，其活化技術(shù)及原理等基礎(chǔ)問題仍需加強(qiáng)研究。

5 結(jié)語

腐植酸具有緩沖土壤酸堿性及降低土壤中水溶性鹽分等方面的作用，在改良鹽堿化土壤和防止土壤鹽堿化的應(yīng)用方面效果顯著。因此，在采取傳統(tǒng)的物理措施、生物措施、化學(xué)措施、水利措施等各種相關(guān)農(nóng)業(yè)技術(shù)措施對(duì)鹽堿化土壤進(jìn)行改良的基礎(chǔ)上，聯(lián)合腐植酸改良技術(shù)，對(duì)減輕土壤鹽堿化的危害及增強(qiáng)鹽堿化土壤生產(chǎn)力水平是一項(xiàng)簡便易行的重要手段。

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The Application Research Progress and Mechanism of Humic Acid on Improving Saline-alkali Soil

SongJia, Kong Lingran,Yang Tianyi, Sun Fuhai, Xia Xuelian, Zhu Yingxue, Zhou Xiangqi, Ma Xianfa*
(College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin, 150030)

In recent years, soil salinization has become a worldwide issue. As the high salinization degree and toxicity of single salt features in saline-alkali soil, this paper emphatically introduced the structure, properties of humic acid, the principle and the application effect of humic acid on improving saline-alkali soil. The improvement and application of humic acid in saline-alkali soil were prospected.

humic acid; saline-alkali soil; research progress

TQ314.1，S156.4

1671-9212(2017)05-0005-05

A

10.19451/j.cnki.issn1671-9212.2017.05.002

黑龍江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)YS15B15)。

2016-09-11

宋佳，女，1997年生，在讀本科生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源與環(huán)境。*通訊作者：馬獻(xiàn)發(fā)，男，副教授，E-mail：mxf7856@163.com。