宋 佳 孔令冉 楊天一 孫福海 夏雪蓮 朱瑩雪 周橡棋 馬獻發(fā)

(東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院 哈爾濱 150030)

腐植酸治理鹽堿化土壤的機理與應用研究進展

宋 佳 孔令冉 楊天一 孫福海 夏雪蓮 朱瑩雪 周橡棋 馬獻發(fā)*

(東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院 哈爾濱 150030)

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

腐植酸 鹽堿土 研究進展

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。土壤鹽堿化是一個世界性問題。其原因主要有兩方面：一是面積巨大。據不完全統(tǒng)計，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，導致鹽堿化土壤對農業(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肥[2～4]、水利工程措施[5～7]、農藝措施[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、土壤膠體離子代換反應，以改善土壤理化性質。

腐植酸在土壤、濕地、煤炭和貝巖等有機礦物中都有分布，外觀呈黑色或棕色，是呈酸性的無定型的天然有機高分子物質[11]。經研究證明，腐植酸類肥料具有改良土壤、增進肥效、調節(jié)作物生長、提高作物抗逆性和改善作物品質等功能，為腐植酸在農業(yè)生產中的應用和農用腐植酸產品發(fā)展提供了科學依據和新的思路，推動了腐植酸復混肥料、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節(jié)劑等產品的開發(fā)。近年來，腐植酸作為一種土壤改良劑廣泛應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、高效改良鹽堿化土壤提供參考。

1 腐植酸的結構與性質

腐植酸是從土壤、泥炭、風化煤、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，其基本性能、化學組成、物理化學性質有很多報道[12～19]。從化學組成說，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。腐植酸結構復雜，不能用單一的化學結構式表示，其結構中心是由芳香核(一般是1～3個環(huán))組成，核之間由橋鍵(氧橋、亞甲基，亞胺基)連接，而具有物理-化學作用的關鍵結構部位官能團(羧基、酚羥基、醌基等)圍繞在核的外圍。官能團所占的數量和比例因不同來源的腐植酸結構不同而有所差異，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，促進土壤團粒結構的形成，減弱土壤的堿性。二是直接調節(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，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)有機弱酸性，使其具有較大的緩沖性能，陽離子交換量大，可調節(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

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

腐植酸是一種有機膠體，具有膠體的吸附性能。腐植酸內部大小不一的空間位置可吸附有機和無機物質[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配而成的一種有機-無機膠體的黑色顆粒，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，降低鹽堿土pH值，增強土壤自我凈化與修復能力。

3 腐植酸改良鹽堿土的應用效果

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(即電導率大)，尤其由于鈉離子過多引起的pH高，土壤結構性和通透性差。各地的試驗及生產實踐表明，腐植酸類物質改良鹽堿土的效果明顯。例如，許志坤等[21]改良鎂質鹽堿土試驗發(fā)現(xiàn)風化煤腐植酸效果明顯，水溶性鎂含量降低效果為：風化煤＞石膏＞廄肥。馬獻發(fā)等[22]改良試驗證明，腐植酸類物質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，比對照組降低15.3%～9.88%；同時表明不同來源的腐植酸物質改良效果不同，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土壤，土壤堿性強，導致土粒高度分散，土壤結構性差?？扇苄喳}、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，土壤有機質、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效果顯著

鹽堿土區(qū)草場施用泥炭、褐煤、風化煤等含腐植酸物質，干草增產明顯。從不同鹽漬化程度退化草場的改良效果看，輕度鹽漬化草場腐植酸復合制劑改良效果較好，重度鹽漬化草場以一次性施入大量腐植酸類物質的改良效果明顯[25]。試驗表明，施用腐植酸類改良劑能夠不同程度地提高鹽漬化草場的覆蓋度，促進鹽漬土退化草場向優(yōu)質羊草群落正向演替。從連續(xù)兩年的生物量測定可知，應用腐植酸處理的牧草，其產量都比對照提高了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。腐植酸在鹽漬化程度高的草場上應用效果尤其顯著。

3.3 腐植酸能夠提高作物抗鹽堿性

腐植酸類物質在作物抗鹽堿方面效果明顯。各地許多學者開展了探索性試驗，陳伏生等[26]鹽堿土盆栽試驗表明，泥炭和風化煤腐植酸對水稻分蘗期、拔節(jié)期、結實期的根系活力明顯提高；出穗期和出穗兩周時莖液流速顯著增大；收獲時分蘗數、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，使燕麥保持較高產量[28]。腐植酸類物質對鹽堿化土壤的玉米生長發(fā)育狀況有明顯促進作用，玉米植株生長旺盛、抗倒伏，抗逆性強，抽雄吐絲比對照普遍早3～5天，玉米的穗行數、行粒數、穗粒重及百粒重都有所提高[29]。風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]?？梢?，大量研究均證實了腐植酸對鹽漬化土壤上不同作物的抗鹽堿性和增產作用。

3.4 腐植酸能夠降低設施土壤鹽分，刺激作物生長

設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，嚴重影響設施蔬菜正常生長。試驗研究表明，利用腐植酸、沸石和蛭石來改良設施土壤，影響設施土壤鹽分和白菜產量主次順序為腐植酸＞沸石＞蛭石[31]。雖然設施土壤鹽分積累的成因與自然鹽堿土不同，但腐植酸類物質同樣能夠降低設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、降低因化學肥料施用過多所產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顯著，同時對番茄和黃瓜的Vc含量、糖含量等品質指標改善明顯。設施栽培土壤上，腐植酸鉀(腐植酸含量為40%)與復混肥料配施，表土電導率及水溶性鹽基離子K+、Ca2+、Mg2+、NH4+、NO3-、SO42-、HCO3-明顯降低[32]?？梢?，腐植酸物質具有降低設施土壤鹽分積累，明顯提高蔬菜產量和改善品質的應用效果。

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，促進膠體凝聚過程，促進土壤團粒結構形成，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性質，增加土壤對鹽分的吸收性能，減少鹽分移動，改變土壤的可溶性鹽基成分。這也為腐植酸類物質改良鹽堿化土壤開辟了新的應用領域。

綜上所述，腐植酸可廣泛應用于不同地區(qū)和不同成因的鹽漬化土壤。腐植酸物質具有明顯降低土壤鹽分和pH功能，有利于土壤結構改善，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改良效果存在差異性，故應結合生產實際選擇適合的腐植酸物質。

4 研究展望

近年腐植酸研究取得豐碩的成果，在實際應用過程中還存在許多不足，需要加強以下兩方面研究與實踐。

(1) 加強腐植酸改良鹽堿土的過程中施用技術和效果的評價研究。目前主要根據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價腐植酸改良鹽堿土效果。以評價在鹽堿土上種植業(yè)物質利用和損失為例，主要輸入輸出物質平衡包括氮、磷和鉀的平衡，平衡參數可以用來查找物耗高的生產環(huán)節(jié)。以氮平衡為例，如圖1所示。

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

氮素輸入、輸出的途徑比較復雜，很難測定其揮發(fā)、淋洗、徑流等過程中氮的流失，但是可通過簡易計算方法衡量氮素的利用效率，如通過(1)式計算氮利用效率。通過對比利用率和損失率，評價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地上部分吸氮量；U0為未施腐植酸肥料收獲時地上部分吸氮量；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)計算。

LEN為氮素損失率，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) 加強腐植酸肥料生產過程中基礎問題研究。傳統(tǒng)生產腐植酸的工藝中采用褐煤、泥炭、風化煤等為原料，如何將以大分子聚合物形式存在的原生腐植酸進行更好的活化，其活化技術及原理等基礎問題仍需加強研究。

5 結語

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、化學措施、水利措施等各種相關農業(yè)技術措施對鹽堿化土壤進行改良的基礎上，聯(lián)合腐植酸改良技術，對減輕土壤鹽堿化的危害及增強鹽堿化土壤生產力水平是一項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

黑龍江省科技計劃項目(項目編號YS15B15)。

2016-09-11

宋佳，女，1997年生，在讀本科生，主要研究方向為農業(yè)資源與環(huán)境。*通訊作者：馬獻發(fā)，男，副教授，E-mail：mxf7856@163.com。