腐植酸肥料對作物根際土壤微環境的作用效應

余慶宇 李婷玉 王要芳 盧維宏* 徐 德

1 宿州學院環境與測繪工程學院 宿州 234000

2 宿州學院生物與食品工程學院 宿州 234000

腐植酸是生態農業和無公害農業中常用的一種富碳有機土壤調理材料。腐植酸肥料則是在傳統化學肥料的基礎上，復合了腐植酸或黃腐酸的一類新型高效肥產品，其在提高養分利用效率[1]、改善土壤理化結構[2]、刺激作物生長發育[3]、增強抗逆能力[4，5]、提高農產品產量和品質[2]等方面具有明顯優勢。因此，不同類型的腐植酸肥料也備受人們關注，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、節能減排、廢棄物循環利用和生態環境修復等方面，開展腐植酸低碳技術研究顯得尤為重要。腐植酸與化肥的有機無機結合，不僅是肥料減施增效有效措施，也是構建土壤碳庫的重要渠道，特別是有關腐植酸與化肥聯合后形成的不同類型腐植酸肥料，代替傳統化肥施用后對土壤結構的影響等方面已有不少學者進行了大量的研究，非常有必要對腐植酸肥料的土壤調控效應進行系統歸納總結。為此，本文分別從土壤物理、化學、微生物三個維度對腐植酸肥料在作物根際土壤微環境中的作用效應進行了系統闡述，并總結了腐植酸在與肥料有機結合中亟待解決的科學問題、探討其研究方向，以期促進腐植酸肥料產業化發展，為其在農田土壤質量提升中的應用提供參考。

1 腐植酸肥料對作物根際土壤環境的物理效應

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境質量健康，特別是作物根際土壤微環境的物理特性。研究表明，腐植酸肥料的應用能夠優化根際土壤團粒結構，如在鹽漬土壤中將腐植酸與不同用量氮肥配比應用，腐植酸與氮肥配合可提高土壤＞2.0 mm 水穩性團聚體含量，大顆粒團聚體較對照增加16.2%[6，7]。趙東彥等[8]的研究結果表明，風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，顯著優化了其根際土壤的水穩性團聚體，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，大顆粒活性腐植酸肥料顯著提高＞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。這種現象在龐慶陽等[11]的研究中也得到了類似結果，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向較大粒徑狀態轉化，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分活性和生物酶活性等肥力指標改善的重要表現。

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化。同時，腐植酸的應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。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，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遞增趨勢，而這種特性在腐植酸的使用過程中表現更為突出的效果。因此，腐植酸肥料對于改善土壤物理環境具有重要的積極效應。

此外，不同來源腐植酸對作物根際土壤物理結構具有較好的改善效應。研究結果表明，隨著煤基腐植酸使用量的增加，土壤的團聚體含量、平均質量直徑均表現了提高的趨勢，且以單獨使用煤基腐植酸的效果最佳。而在較短時間內（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，連續施用不同類型腐植酸（如風化煤、氧活化腐植酸、堿活化腐植酸），其中風化煤較高用量（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境的化學效應

土壤化學性質影響土壤中的關鍵化學過程、物理化學過程、生物化學過程以及生物學過程的進行，影響著土壤質量的健康狀況，尤其是作物根際土壤微環境的化學效應，直接影響著作物能否實現高產優質的關鍵過程。大量研究表明，與單一化學肥料相比，腐植酸肥料能顯著改善作物根際土壤化學指標，進而提高土壤化學肥力，促進作物生長發育。張曉宇等[16]研究表明，與傳統化肥相比，施用減量15%的腐植酸肥料可顯著提高設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，不僅實現了控釋尿素的協同增效，特別是在促進根際土壤硝態氮、有效磷含量等方面具有突出優勢，較對照分別增幅分別達到了54.7%、19.6%，而且實現了一次基施可顯著提高小麥中后期根際土壤氮養分供應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果，即黃腐酸與有機肥關聯施用后，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節作物根際土壤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[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，減少農田土壤氨揮發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田土壤質量退化特性。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鋁均明顯下降；同時，顯著提高了土壤有機質、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]，這種現象在連續（≥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，腐植酸肥料也表現了突出的優勢，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[13]。

3 腐植酸肥料對作物根際土壤環境的生物學效應

生物學特性是土壤肥力最為敏感的關鍵指標，特別是對作物根際土壤微環境的影響。大量研究表明，微生物種群結構失衡，有益微生物數量減少，病原微生物數量增加是土壤發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，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合施用，能有效降低不同生育期茄子土壤中的真菌數量，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、結果期和收獲期根際土壤中真菌數量73.9%，特別是對根際優勢菌群曲霉菌（Aspergilliusspp.）、鐮孢菌（Fusariumspp.）、青霉菌（Penicilliumspp.）抑制效果最好。這種現象在王瑾等[35]的研究結果中也得到了證實，即隨著黃腐酸施用周期的延長，苗期黃腐酸有機-無機復混藥肥處理組的茄子根際土壤中微生物總數，顯著高于常規化肥處理組。孫世君等[36]在探索不同連作年限溫室黃瓜土壤養分和微生物群落中發現，腐植酸的加入，促進了連作4 年、11 年大棚土壤細菌的優勢菌群，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量，特別是在化肥減施的情況下，配施優質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，這種優化效果更佳。

土壤中關鍵酶活性也是表征土壤質量的重要生物學指標之一。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、氮、磷等養分的吸收轉化及逆境脅迫效應間存在顯著的相關性[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2 年施用腐植酸菌肥，發現較常規復合肥顯著提高根區土壤脲酶、蔗糖酶、脫氫酶活性。劉佳歡等[45]在小麥種植試驗中發現，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，還有研究發現，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 產量，這將有助于認識氧化還原波動下的土壤環境（如水稻土、濕地等）中微生物鐵還原和活性氧產生過程[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，微生物數量與腐植酸濃度呈正相關，與土壤中殘渣態鉻含量呈正相關；而多酚氧化酶和過氧化氫酶活性與細菌數量和腐植酸施用濃度則呈負相關，與植物體內鉻含量呈正相關，說明腐植酸能夠通過改善土壤微生物及酶環境而降低土壤鉻對作物的脅迫效應。

4 存在問題及研究趨勢

4.1 主要問題

針對腐植酸在農田土壤質量改良和污染土壤修復方面的應用，國內外學者已開展大量研究。隨著農業種植結構的調整、循環經濟的發展和農學知識的普及，土壤質量和土壤健康評價及關注度也日漸提升，但腐植酸應用基礎研究和技術研發遠不能滿足生產實際的需求，存在的主要問題如下：

（1）隨著現代智慧農業技術的發展以及高標準農田建設規模的加大，關注作物根際土壤微環境顯得尤為重要，這將進一步促進行業對速溶效果好、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品研發遠不能完全滿足未來市場的迫切需求。

（2）在腐植酸與化肥聯合復合/復混的過程中，目前仍以物理混配/摻混為主，進入土壤后不能最大化地發揮腐植酸本源功能特性。如何通過化學反應促進不同來源腐植酸中優勢官能團與化肥中各離子螯合/絡合效應，實現綠色智能肥料，進而實現腐植酸在土壤-作物系統的功能升級優化，這與不同來源和不同風化程度腐植酸官能團種類的差異性與礦質營養元素、土壤團粒結構的作用機理尚不清楚存在極大的相關性。

（3）在腐植酸與尿素等化肥的生產過程中，特別是在高塔生產過程中，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分的耦合反應效果。

（4）目前，多數腐植酸生產過程中，強酸、強堿、高溫的條件會極大地破壞風化煤、泥炭、褐煤經過長年累月形成有益微生物群體和關鍵酶活性，特別是對木質纖維素分解轉化有利的微生物群體和關鍵酶結構的破壞；同時在強酸堿環境下腐植酸發生的氧化分解反應也加重了其碳封存結構的破壞，增加大氣、水體環境的污染風險。

4.2 研究趨勢

（1）加大不同來源腐植酸的基礎研究，特別是煤基和生物基腐植酸及其組分效應機理，以及新產品研發及相關檢測分析標準研究。量化標準是腐植酸產品質量過硬的準繩，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分的標準。

（2）加大腐植酸新產品技術及其工藝研發力度。結合循環經濟的理念，根據現有土壤質量退化特征以及農業種植需求，按照腐植酸原料的風化程度、來源差異，通過不同的工藝措施獲得特定功能的腐植酸產品，如針對基本農田建設和礦區生態修復中有機質匱乏的土壤改良，研發適宜的煤基和生物基腐植酸組合，確保腐植酸生產中工業化腐植酸與土壤腐殖質的同源性和構型相似性，如超聲波工藝生產的腐植酸[48]，在改善土壤結構中的效果更佳。

（3）在腐植酸肥料的實踐中，針對不同生產區域和植物類型需求，加大研發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，配合少量粘結劑、微量元素等材料與尿素相結合，實現包裹型長效緩釋腐植酸尿素[49]；針對刺激根系發育、移栽苗快速返青等功能，就需要選用小分子黃腐酸與營養元素絡合/螯合的方式，或者將黃腐酸與螯合態營養元素進行復配。

（4）在腐植酸肥料生產過程中，可結合不同農業生產中的特定問題需求，研究腐植酸功能肥料，實現“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”實現腐植酸肥料的“長效+速效”功能[50，51]，“腐植酸+生物炭”可實現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”可實現腐植酸肥料不同營養元素間協同增效的功能[53，54]……。這些腐植酸功能肥料均能在改善作物根際土壤環境物理、化學、生物學效應的基礎上，促進作物根系發育，增強作物地上部光合效應，推進現代農業高產優質快速發展。