農田土壤中腐植酸的補給

Michael Susic 著

楊明慧2 孫志梅3* 譯

1 澳大利亞昆士蘭州格拉斯豪山普爾路17b號Biogon Pty有限公司 澳大利亞 4518

2 北京農學院植物科學技術學院 北京 102206

3 河北農業大學資源與環境科學學院 保定 071000

腐植酸是一種來源于植物的棕黑色聚合酸，廣泛存在于地球表面。腐殖質一詞最初是指土壤中所有植物來源的有機化合物的統稱，腐植酸則是指土壤、植物、藻類、真菌、沉積物以及陸地和海洋水域中存在的棕黑色、聚合、堿溶性的酸。

腐植酸對土壤肥力有貢獻，這一事實自古以來就得到了認可。盡管腐植酸很容易與土壤結合，對微生物的代謝分解有很強的抵抗力，可以在土壤中較長時間存留，但它們會因風蝕、水蝕以及水的淋失而導致在土壤中的含量下降。因此，補給土壤中的腐植酸以保持或提高土壤肥力很重要。自1786年（第一次從德國的泥炭沼澤中提取出腐植酸）對腐植酸的研究取得一定進展后，腐植酸的重要性變得越來越明顯。它們不僅對土壤肥力發揮著重要作用，而且也是油頁巖、泥炭、瀝青、石油和煤等的前體物質，通過與金屬和有機物的絡合作用影響農業環境，從而影響著重金屬、農藥和除草劑的毒性。

在過去150年左右的時間里，天然形成的有機化合物的結構通常在它們被發現后的幾十年內就被闡明了，而腐植酸的情況則截然不同。甚至在20世紀80年代中期，關于腐植酸主要是脂肪族還是芳香族這類基本問題仍然存在爭論。自19世紀末，特別是20世紀20年代以來，人們已經明確腐植酸是由土壤中植物木質素經微生物轉化而形成的。

1797年，人們從植物中提取到了腐植酸，但直到1987年才有類似的報道，當時是無意中提取的。1989年和1991年，我們首次報道了腐植酸存在于衰老的植物和藻類物質中，這意味著腐植酸在微生物對植物木質素進行任何可能的轉化之前就進入了土壤。此后，也有了相關報道。最近，人們從不同生育階段的玉米植株中分離出腐植酸，并認識到了腐植酸來源于植物組織。為了更好地認識腐植酸的結構和組成，人們對腐植酸進行了不斷的分離純化和分析，過去簡單的模型也正在被更復雜的模型所替代。在我們以前的工作中，植物中腐植酸的分析只作為環境中腐植酸分析和賦存的一個次要問題來研究，但本研究給出了一個更加全面和準確的評價。

過去使用的分析技術主要有元素分析法、紫外-可見分光光度法、紅外光譜法和核磁共振技術。與對其他有機分子的分析相比，這些技術對腐植酸的分析仍非常不精確。近年來，更先進的熒光光譜技術得到了普遍應用，該技術用于分析腐植酸的結構成分，是一種特別強大和方便的技術方法。因激發光譜和發射光譜均出現在一個非常寬的范圍內，具有高度的特征光譜（理想的3-D熒光），而且更重要的是，激發光譜和發射光譜重疊，這一現象似乎不會出現在其他有機化合物中。這就是該技術應用于本研究的分析基礎。

與土壤中腐植酸的結構不同，大多數市售的腐植酸產品都是可溶性的腐植酸鉀。這些可溶性鹽很容易通過降雨和灌溉從土壤中淋失，因此對土壤中腐植酸含量的長期影響很小。本研究對不同來源的腐植酸和土壤腐植酸的熒光光譜進行了對比分析，以確定這些不同來源的外源腐植酸是否有助于土壤腐植酸的補給。

1 結果

1.1 腐植酸的產率

本研究中所用的甘蔗覆蓋物得到的純化腐植酸是5.12 g（一種有光澤的黑色無定形物質，典型的腐植酸），相當于所用原料干物重的1.65%（w/w），這是最小的提取劑量。因其余的腐植酸與植物物質，如蛋白質等緊密結合在一起，進一步提取腐植酸似乎不太可能。

來源于土壤的腐植酸（一種市售產品，美國密蘇里州圣路易斯市Sigma-Aldrich公司）和海藻中提取的腐植酸均未被量化。然而，我們觀察到，市售海藻提取物除了腐植酸外，幾乎無其他物質。

1.2 腐植酸的鑒定與比較

用熒光光譜法對提取的腐植酸進行鑒定和比較，結果如圖1和圖2所示。

圖1 從土壤、海藻提取的腐植酸和市售腐植酸（來源于風化褐煤）的熒光光譜Fig.1 Fluorescence spectra of humic acids extracted from soil, kelp, and a commercial humic acid (sourced from Leonardite coal)

圖2 從土壤、甘蔗覆蓋物和風化褐煤（新西蘭）中提取的腐植酸的熒光光譜Fig.2 Fluorescence spectra of humic acids extracted from soil, sugar cane mulch, and Leonardite coal (NZ)

2 討論

腐植酸很容易用傳統的堿溶方法從多種原料中提取出來。以前已經發現，從不同土壤類型和不同植被（如草或樹木）的土壤中提取的腐植酸的熒光光譜幾乎相同，這表明所有的土壤腐植酸都非常相似。

圖1顯示，從風化褐煤、海藻和土壤中提?。▔A溶）的純化腐植酸的熒光光譜幾乎完全相同。這個結果意味著：（1）人們通常認為，風化褐煤腐植酸與從土壤中提取的腐植酸是不同的，該研究結果顯示這是不正確的。（2）從海藻中提取的腐植酸（主要是腐植酸鉀的形式）與土壤腐植酸非常相似。作為一個附帶的問題，已知海藻提取物可以促進植物生長的原因可能是由于激素而不是其中的腐植酸含量。（3）風化褐煤/海藻腐植酸與土壤腐植酸的熒光光譜略有不同，這意味著這些樣品中腐植酸組成略有差異。這可以用原始植物或藻類物質中木糖和果糖（或許還有核糖和阿拉伯糖）通過糠醛途徑生成腐植酸的差異來解釋。

圖2表明，腐植酸可以溶于有機溶劑，這早在1957年就有報道，但此后很少被關注。本研究發現腐植酸在有機溶劑中只會緩慢溶解，而且必須與這種溶劑接觸數小時，甚至數天。這種不同尋常的特性，是由于腐植酸分子緩慢地從高度水溶性結構轉變為高度有機溶解性結構造成的。這一發現有助于更好地研究確定腐植酸的結構和化學組成，因為使用現代儀器技術（例如液態紅外、核磁共振、質譜和正相高效液相色譜）在有機溶劑中比在水溶液中可以獲得更多的信息。這些新的認識有利于人們更好地理解腐植酸在農業中的作用和用途。

圖2還顯示，醇溶腐植酸組分與堿溶腐植酸組分有很大的不同。與堿溶腐植酸相比，不同的腐植酸成分在乙醇中的溶解度更高。事實上，乙醇可溶部分更接近于黃腐酸的熒光光譜。

來源于甘蔗覆蓋物的腐植酸與醇溶土壤腐植酸幾乎相同，這就意味著甘蔗覆蓋物中含有許多（但不是全部）與土壤腐植酸相似的成分。相反，從圖1可看出，海藻中含有與土壤腐植酸幾乎完全相同的腐植酸成分。

3 試驗

3.1 化學品和材料

分析級化學藥品從澳大利亞Ajax Chemical公司（氫氧化鈉、氫氧化鉀）和美國Sigma-Aldrich公司（硫酸、乙醇和正丁醇）購買。工業級腐植酸從美國Sigma-Aldrich公司購買，并利用1989年我們發表的題為“High-performance liquid chromatographic determination of humic acid in environmental samples at the nanogram level using fluorescence detection”一文中的方法提純。甘蔗覆蓋物購于當地一家農業供應商，海藻提取物（鉀鹽）購于中國WNK集團。風化褐煤從新西蘭通過個人關系獲得。

3.2 從衰老植物和藻類中提取腐植酸

用1 L 0.1 M的氫氧化鉀或氫氧化鈉提取甘蔗覆蓋物（310 g），放置2天，偶爾搖動。這個過程重復2次，直到不能提取更多的腐植酸，然后將這些溶液混合在一起（并不是所有的腐植酸都可以用堿提取，因為有些似乎與蛋白質或其他有機物結合在一起）。溶液用40號濾紙過濾，并將濾液混在一起。然后將濾液以2000 rpm的速度離心，收集上清液。離心對去除濾液中的細小顆粒至關重要，因為在酸化之后，腐植酸會被強烈地結合到這些細小顆粒上。將所得濾液用10%的硫酸酸化至pH=1，得到棕黑色沉淀物。沉淀物用40號濾紙過濾，在常溫下風干，然后在110 ℃下進一步烘干。

如3.1中文獻所述，從當地土壤和風化褐煤中提取腐植酸。通過上述提取甘蔗覆蓋物的相同方法從市售海藻提取物中提取腐植酸。腐植酸在乙醇和正丁醇等醇中緩慢溶解，在這樣的溶劑中放置至少12 h后，將溶液倒出，用于進一步研究。采用Perkin Elmer（USA）LS 45石英試管熒光儀進行熒光測量，激發波長340 nm，發射波長400～600 nm。

4 結論

對不同來源的腐植酸的分析表明，它們與土壤中的腐植酸非常相似，這與當今的研究是一致的。這意味著這些腐植酸可以用來補給土壤中的腐植酸。土壤中的腐植酸會因風蝕、水蝕和水淋失而消耗，因此必須及時補給土壤腐植酸，以提高貧瘠土壤的肥力。因腐植酸是在衰老的植物中開始形成的，所以收獲作物的殘體歸還到土壤中很重要?，F代農業生產實踐往往忽視這一點，因作物一茬接一茬地迅速種植，前一茬作物的殘體往往被丟棄或焚燒。生產中只有在對病害防控至關重要的情況下才應進行焚燒處理。

要提高土壤（特別是貧瘠土壤）中的腐植酸不僅必須返還植物殘體，還可能需要添加富含腐植酸的材料。富含腐植酸的物質包括堆肥、植物殘體覆蓋物、泥炭和褐煤。市售可溶性腐植酸鉀產品的長期效益很小，而且價格相對較高，因此這不是一個很好的補給土壤腐植酸含量的方法。當前，已有很好的工藝和設備可以為農場提供堆肥和覆蓋技術，且這種工藝在現代農業中應該變得更加普遍。在一些發展中國家，巨大的褐煤資源作為豐富的腐植酸來源，正被用于農業。但在發達國家，電力生產占據主導地位。盡管褐煤含有豐富的腐植酸，但運輸成本可能很高，這使得農作物回收利用、堆肥或植物殘體覆蓋成為更具吸引力的替代方案。

致謝和參考文獻（略）