曾憲成 李 雙

(中國腐植酸工業(yè)協(xié)會 北京 100120)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的不合理耕作與氣候變化的明顯耦合關(guān)系，是全球碳排放失控的“元兇”之一[1]。2013年11月5日，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署在《2013年排放差距報告》中指出，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生的直接排放占全球溫室氣體的11%。于此聚焦3點：(1) 腐植酸是土壤的“生命核”，是土壤肥力的主要構(gòu)效者，是土壤穩(wěn)碳固碳的重要一環(huán)。2013年11月4日，中國社會科學院發(fā)布《應(yīng)對氣候變化報告(2013)》中指出，土地利用變化對地球碳循環(huán)具有重要影響。1750-2011年人為排放到大氣的CO2為5450±850億噸，其中，土地利用變化排放CO2為1800±800億噸，約占全部人為源碳排放量的30%，工業(yè)碳排放的43%[2]。(2) 土壤是生命之源。土壤關(guān)系人類生存安全，土壤一旦出問題就是最大的民生問題。2014年4月17日，環(huán)保部和國土資源部發(fā)布了《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》，土壤總超標率為16.1%。2014年12月17日，農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《全國耕地質(zhì)量等級情況公報》，七成耕地質(zhì)量有障礙。(3) 肥料是作物生命之乳，“莊稼一枝花，全靠肥當家”。2013年10月10日，農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《中國三大糧食作物肥料利用率研究報告》指出，三大糧食作物氮肥、磷肥和鉀肥當季平均利用率分別為33%、24%、42%。2015年3月18日，農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，“提質(zhì)增效化肥”成為必由之路。

面對農(nóng)業(yè)排放、土壤污染、耕地質(zhì)量下降、化肥零增長等方面的壓力，開展腐植酸肥料“三化效應(yīng)”(低碳化、生態(tài)化、優(yōu)質(zhì)化)研究勢在必行。

1 腐植酸肥料低碳化

肥料是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個重要碳排放源[3]。腐植酸肥料的低碳化對農(nóng)業(yè)減排意義重大。

1.1 腐植酸本身具有低碳化屬性

土壤結(jié)構(gòu)是控制和表征土壤有機碳穩(wěn)定狀態(tài)的一個主要物理穩(wěn)定性綜合變量，團聚體是其重要組成部分[4]。團聚體的形成及作用會使土壤結(jié)構(gòu)及微生物生存的物理化學環(huán)境發(fā)生變化，進而影響土壤中有機碳分解轉(zhuǎn)化和固定[5～8]。其中，大的水穩(wěn)性團聚體(>0.25 mm)含量與土壤有機碳含量呈顯著正相關(guān)性[9]。

腐植酸本身是土壤團粒的構(gòu)造者。在土壤形成過程中，腐植酸與各種微生物分泌的多糖醛酸甙、粘粒礦物以及鐵、鋁的氫氧化物等，通過不同形式與各種作用力相結(jié)合，形成了各種類型的有機無機復合體[10]。同時，在各種表面電荷和作用力下，通過團聚作用而形成不同粒級的團聚體[11]。研究表明，在優(yōu)化施肥基礎(chǔ)上施加腐植酸鉀，與農(nóng)民傳統(tǒng)施肥相比，土壤水穩(wěn)性團聚體＞0.25 mm粒級的百分含量提高16.53%[12]。團聚體的物理保護有利于減少礦化分解，提高土壤有機碳的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)固碳，減少碳排放。

1.2 腐植酸與肥料生產(chǎn)低碳化

腐植酸肥料生產(chǎn)既節(jié)能又減排，低碳化效果顯著。研究表明，每施用1 kg腐植酸，可節(jié)能約62500 KJ，折合2 kg標煤，同時相應(yīng)減少CO2排放5.6 kg[13]。如果按照2014年我國尿素表觀消費量5239萬噸(實物量)，全部使用腐植酸肥料，其中腐植酸含量按照5%計算，即262萬噸腐植酸/年，可節(jié)能約1.64×1014 KJ，折合523.9萬噸標煤，相應(yīng)減少CO2排放29338.4萬噸。

1.3 腐植酸肥料利用率高必然低碳

腐植酸肥料提高肥料利用率效果顯著。大量科學研究和實踐證明，在等養(yǎng)分的情況下，腐植酸肥料比常規(guī)肥料利用率平均提高10個百分點以上，相當于肥料利用率凈增30%～40%[14]。2014年我國尿素表觀消費量5239萬噸(實物量)，按照氮肥平均利用率為33%，則實際有效用量為5239×0.33=1729萬噸。若按照加入腐植酸后利用率提高30%計算，即實際利用率33%×130%=42.9%，則實際有效用量5239×0.429=2248萬噸，相當于有效氮肥多施了2248-1729=519萬噸。同樣，腐植酸可通過提高磷肥和鉀肥利用率而減少肥料用量。如此，腐植酸提高肥料利用率，減少肥料用量，必然低碳。

1.4 腐植酸肥料減少溫室氣體排放

施用腐植酸肥料可減少CO2、SO2和NOx等溫室氣體和有毒氣體排放。研究表明，每施用1 kg腐植酸，節(jié)能約62500 KJ，折合2 kg標煤，相應(yīng)少排放5.6 kg CO2[13]、0.09 kg SO2和0.7 kg NO2。按照2014年我國化肥總產(chǎn)量約6933萬噸(折純量)，折實物肥料約13866萬噸計算，假定全部施用腐植酸肥料，其中腐植酸含量按照5%計算(即693.3萬噸腐植酸/年)，可減少CO23863萬噸、SO258萬噸、NO2495萬噸，累積減少4416萬噸氣體排放。

1.5 腐植酸肥料維持土壤碳平衡

利用腐植酸肥料反哺土壤，可以發(fā)揮“促匯抑源”雙重作用。一方面，通過“碳補充”方式，實現(xiàn)“碳截留”，增加碳匯能力。工業(yè)利用腐植酸反哺土壤，可以促進土壤團聚體數(shù)量增加，提高土壤有機碳含量，增強土壤固碳能力。另一方面，通過增綠固碳，減少碳排放。腐植酸肥料可以增強植物的光合作用，從而有利于更多地吸收自然界中的CO2。研究表明，每施用1 kg腐植酸，可增加植物吸收CO2量240 kg，占總CO2減排量的98%。如果2014年全部施用腐植酸肥料，則可增加植物吸收CO2量高達166392萬噸，相當于近十萬株(929837株)成年大樹一年的吸碳量。

2 腐植酸肥料生態(tài)化

土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是評價土壤健康和土壤質(zhì)量的重要指標[15]。腐植酸肥料可以調(diào)節(jié)生物系統(tǒng)、土壤系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)之間的物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞，提高土壤質(zhì)量，改善土壤健康狀況。

2.1 腐植酸本身具有生態(tài)化效應(yīng)

土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能主要是指它的生產(chǎn)力，即土壤的有效肥力[16]。腐植酸是土壤肥力的基礎(chǔ)，生態(tài)化功能具足。在土壤固相組成中，除了礦物質(zhì)之外，就是土壤有機質(zhì)。土壤腐殖質(zhì)是土壤有機質(zhì)中最主要的存在形式，一般占比高達80%。腐植酸是土壤腐殖質(zhì)中最活躍的組分，一般占比高達75%以上[10]。在土壤形成過程之中，“有腐植酸”三者之間密不可分。如果說，土壤有機質(zhì)是土壤肥力的標志，而腐植酸作為土壤有機質(zhì)的核心物質(zhì)，始終貫穿于土壤肥力形成之中，說明腐植酸的優(yōu)寡直接反映著土壤肥力的狀況[14]。

2.2 腐植酸肥料提升土壤質(zhì)量

目前，評價土壤質(zhì)量的指標主要側(cè)重于評價土壤退化和生產(chǎn)力，具體包括土壤物理、化學和生物學指標3個方面[17]。腐植酸肥料于土壤物理、化學和生物學屬性融合，可以有效提升土壤質(zhì)量。(1) 腐植酸肥料為土壤物理性質(zhì)改良提供原動力。腐植酸可有效調(diào)節(jié)和改良土壤質(zhì)地[12，18]，降低土壤容重[19～23]，增加土壤孔隙度[23]，保護和改善土壤結(jié)構(gòu)，增加和保持土壤有效水分[19]，調(diào)節(jié)土壤熱狀況，增加土壤通氣性能，形成有利于植物根系生長發(fā)育的良好土壤環(huán)境。(2) 腐植酸肥料調(diào)控和改善土壤的化學性質(zhì)。腐植酸具有吸附、螯(絡(luò))合、離子交換、氧化還原等功能[13]，可以調(diào)控和改善土壤的膠體性質(zhì)、酸堿性、氧化還原性以及配位反應(yīng)等，使土壤有機質(zhì)含量增加[20，21，23]，速效養(yǎng)分含量提高[20，21，23]，酸堿度調(diào)節(jié)適中[24～26]，形成適宜植物生長的土壤環(huán)境。(3) 腐植酸肥料為土壤微生物注入新的活力。腐植酸可以提高土壤微生物活性，增加土壤微生物數(shù)量[22，27]，尤其在提高土壤好氧菌、放線菌、纖維分解菌等3大種群數(shù)量方面效果顯著，有利于增強土壤酶的活性[22]，加速有機物的礦化，促進營養(yǎng)元素的釋放[21]，改良植物根系的營養(yǎng)條件。

2.3 腐植酸肥料增強土壤生態(tài)功能

腐植酸肥料在增強土壤生態(tài)功能方面具有五大綜合特點，可以解決土壤養(yǎng)分失衡、土壤酸化、有害物質(zhì)積累、生物多樣性衰退等給生態(tài)系統(tǒng)本身和環(huán)境帶來的巨大壓力和嚴重威脅。(1) 有助于增強肥料持效和緩釋性能，且無殘留、無污染[28～30]。(2) 減少肥料揮發(fā)和淋溶[18，31～33]。(3) 優(yōu)化土壤物理化學結(jié)構(gòu)，提高土壤有機質(zhì)含量，調(diào)節(jié)土壤pH值，保持土壤最佳的養(yǎng)分動態(tài)平衡，改善土壤保水、保肥、透氣性能，過濾降解土壤中的有毒有害物質(zhì)[18～26]。(4) 有利于土壤微生物區(qū)系的生態(tài)繁衍，促進土壤微生態(tài)良性循環(huán)[34～36]。(5) 促進“土壤—根系—微生物”三者之間有益的相互作用，重構(gòu)無機有機生物復合體[37]。

2.4 腐植酸肥料防治土壤污染

腐植酸是凈化“土壤血統(tǒng)”的本源性物質(zhì)，在無機污染物、有機污染物防治與修復等方面大有作為。大量研究表明，腐植酸肥料對土壤中的汞(Hg2+)[38]、鎘(Cd2+)[39～45]、銅(Cu2+)[43，46]、鋅(Zn2+)[40，46]、鉛(Pb2+)[43，45，47，48]、鉻(Cr6+)[49～51]、鎳(Ni2+)[43，52]等重金屬離子，通過離子交換、吸附、絡(luò)(螯)合、氧化還原等作用[53，54]。不同來源和種類的腐植酸，可以通過兩個相反的途徑減少土壤重金屬，一是將重金屬固定和鈍化，有效減少土壤中可溶性重金屬含量，防止被農(nóng)作物吸收；二是將重金屬活化，提高植物可利用態(tài)重金屬含量，定向種植特種植物將重金屬吸收，降低土壤重金屬污染[43]。腐植酸肥料可以促進農(nóng)藥降解，對降低土壤中草甘膦、乙草胺、三唑磷殘留量有顯著的促進作用[55～57]。此外，腐植酸肥料還可降低或避免其他化學試劑的引入，有效避免二次污染。

2.5 腐植酸肥料協(xié)調(diào)土壤根際環(huán)境

腐植酸是“土壤的活力素”[58]，在協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中與土壤根際環(huán)境(包括根際的物理、化學和生物環(huán)境與作物生長發(fā)育、抗逆性和生產(chǎn)力的直接關(guān)系)效果顯著[59]。大量研究表明，腐植酸肥料可以改良土壤物理、化學和生物學性質(zhì)[60]，保持土壤有效養(yǎng)分支出量與補給量之間的平衡運轉(zhuǎn)[61]，促進主根的生長及側(cè)根的形成，提高根的吸收能力[62～64]，增強植物對逆境的抵抗能力[65，66]，提高作物產(chǎn)量[60，65，66]。

3 腐植酸肥料優(yōu)質(zhì)化

“肥料優(yōu)質(zhì)化”是走高產(chǎn)高效、優(yōu)質(zhì)環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展之路，促進糧食增產(chǎn)、農(nóng)民增收和生態(tài)環(huán)境安全的必然要求。腐植酸肥料與土壤有機質(zhì)最優(yōu)良，于化肥提質(zhì)最和諧，于糧食品質(zhì)改善最直接，是綠色安全的優(yōu)質(zhì)肥料。

3.1 腐植酸本身是優(yōu)良的有機質(zhì)

凡是有機質(zhì)不一定是腐植酸，凡是腐植酸一定是最好的有機質(zhì)[14]。我們必須深刻認識到，工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)的有機質(zhì)不一定安全。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)生的根本性轉(zhuǎn)變，現(xiàn)代有機肥已經(jīng)不同于傳統(tǒng)有機肥。如人畜糞便、秸稈、動物殘體等傳統(tǒng)有機物已經(jīng)失去了“天然本色”，生產(chǎn)傳統(tǒng)有機肥的特質(zhì)已不復存在[14，67，68]。

天然腐植酸是動植物遺骸，主要是植物遺骸，經(jīng)過微生物的分解和轉(zhuǎn)化，以及地球化學的一系列過程造成和積累起來的一類有機物質(zhì)[69]。至今，天然腐植酸仍無法人為合成，而腐植酸工業(yè)化利用則成為必然。我國煤炭腐植酸(諸如褐煤、風化煤、泥煤等)資源豐富，種類齊全，是提取腐植酸的主要來源[14]。研究表明，煤炭腐植酸與土壤腐殖酸具有相似的物理特性、化學組成、分子結(jié)構(gòu)及分子量范圍，具有一致的應(yīng)用特性[70～72]。因此，煤炭腐植酸和土壤腐殖酸二者“血源”相同，經(jīng)過標準化控制的腐植酸富存的有機質(zhì)一定最安全，是土壤腐殖酸的主要補充來源和潛在庫存。

3.2 腐植酸與氮磷鉀三大肥和諧共生

腐植酸是土壤肥料的主要構(gòu)效者，在化肥行業(yè)出現(xiàn)拐點的今天，腐植酸完全可以托起化肥，提氮、解磷、促鉀，與氮磷鉀三大肥和諧共生，形成1+1>2的集合效應(yīng)[73]。

腐植酸與氮肥：二者有機結(jié)合可以減少氮肥損失，抑制硝化，抑制土壤脲酶活性，減緩尿素的分解與揮發(fā)，從而提高氮肥利用率[73]。

腐植酸與磷肥：具有活化磷的作用，可以使難溶性磷轉(zhuǎn)化為枸溶性磷，使水溶性磷轉(zhuǎn)化為不易固定的可溶性磷，從而大大提高磷肥當季的利用率[73]。

腐植酸與鉀肥：具有活化鉀的功能，腐植酸增加了土壤陽離子代換能力及改善了土壤膠體性質(zhì)，從而促進了作物對鉀的吸收[73]。

3.3 腐植酸肥料產(chǎn)品多元化

腐植酸與肥料相結(jié)合，一方面可復合多種元素，包括大量元素、中量元素、微量元素和特種元素；另一方可進行多元復合，包括一元復合、二元復合或三元復合，實現(xiàn)1＋1＞2的復合效果(表1)，不僅有效解決了目前我國化肥生產(chǎn)存在的品種單一、低濃度品種居多、營養(yǎng)元素種類少、不能滿足植物生長所需的多種元素等問題，還省時省工，降低了生產(chǎn)成本[14]。

3.4 腐植酸肥料開發(fā)空間巨大

腐植酸與肥料結(jié)合條件優(yōu)越：(1) 活性基團豐富。腐植酸是一類大分子有機弱酸聚合物，其可能的結(jié)構(gòu)如圖1所示[53]。腐植酸含有多種官能團，如酚羥基、醇羥基、羰基、甲氧基、醌基等，這些活性基團決定了腐植酸的酸性、親水性、離子交換性、絡(luò)合能力及較高的吸附能力等[33]，使其具有很強的化學活性和生理活性。(2) 分子量范圍大。腐植酸主要由小分子黃腐酸、中大分子棕腐酸和高分子黑腐酸三個組分構(gòu)成，分子量從幾百到幾百萬，變化范圍巨大。(3) 研發(fā)空間廣闊。根據(jù)不同區(qū)域、不同土壤、不同作物、不同耕作方式等，充分利用不同來源腐植酸的差異及其組分、結(jié)構(gòu)和功能特點，可以實現(xiàn)專一化、差異化、多元化肥料產(chǎn)品開發(fā)[61]。

3.5 腐植酸肥料提高作物品質(zhì)

腐植酸肥料在改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)方面擔當著重要角色。一方面，腐植酸肥料可以提高營養(yǎng)物質(zhì)的含量，如淀粉、蛋白質(zhì)、氨基酸、可溶性糖、維生素、有益元素等；另一方面，腐植酸肥料可以降低有害物質(zhì)殘留，如某些重金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、殘留農(nóng)藥等，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

研究表明，腐植酸在改善作物品質(zhì)方面具有很好的效果，可以滿足老百姓對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)越來越高的要求[74]。例如，腐植酸肥料可以提高水稻[75～77]、小麥[78，79]、玉米[80]、甘薯[75，81，82]、馬鈴薯[83，84]等糧食作物的蛋白質(zhì)、淀粉、可溶性糖、Vc含量等。腐植酸肥料可以提高番茄[85～88]、黃瓜[89，90]、生菜[91～93]等蔬菜作物中可溶性糖、可溶性固形物、Vc等含量，降低亞硝酸鹽含量。腐植酸肥料可以提高草莓[94]、葡萄[95]、蘋果[96]等水果中蛋白質(zhì)、Vc及可溶性糖的含量，降低總酸度，提高糖酸比，改善口感等。腐植酸肥料提升茶葉中游離氨基酸、咖啡堿、水浸出物含量, 增加可溶性糖含量，下調(diào)酚氨比[97～99]；提高烤煙的感官質(zhì)量，提高烤煙總糖、還原糖、總植物堿、石油醚提取物、蛋白質(zhì)、鉀等含量[100～102]；促進甘蔗糖分增加[103]等，改善經(jīng)濟作物品質(zhì)效果顯著。

表1 腐植酸的復合效應(yīng)及產(chǎn)品Tab.1 Compound effect of humic acid and its products

圖1 腐植酸可能的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Possible molecular structure of humic acid

聯(lián)合國氣候變化報告警告：全球在2100年之前實現(xiàn)零排放，2050年前必須實現(xiàn)減排40%至70%。我國到2020年化肥使用量實現(xiàn)零增長，通過向土壤反哺腐植酸，讓化肥減量，腐植酸肥料增量，確保土壤和糧食安全，著力開展腐植酸肥料“三化效應(yīng)”研究勢在必行。

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