張 瑜 王若楠 邱小倩 劉 亮 李寶珍 楊金水 袁紅莉

中國農(nóng)業(yè)大學生物學院 北京100193

腐植酸是由芳香族及其活性官能團構成的天然高分子酸性有機混合物，外觀呈黑色或褐色，在土壤、濕地和煤炭中都有分布。腐植酸復雜結構內(nèi)的芳香核、橋鍵和眾多活性基團賦予了其巨大的比表面積，決定了腐植酸的吸附、絡合、交換、氧化還原等廣泛的生物和非生物活性[1]。經(jīng)研究證明，腐植酸類物質在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有刺激作物生長、增加養(yǎng)分利用、提高作物抗逆和改善農(nóng)產(chǎn)品品質等功效，是一種可高效利用的綠色肥料[2]。

我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大，在糧食生產(chǎn)及安全中最為廣泛關注的就是土壤與肥料問題[3]。近年來，因化肥不合理使用，導致耕地質量大幅度下滑，土壤有效養(yǎng)分含量降低，從而加劇了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的惡化程度[4]。為了降低農(nóng)業(yè)壓力，實現(xiàn)“土肥和諧”，在充分了解土壤肥料重要性的基礎上全面了解土壤肥料的問題尤為重要[5]。腐植酸在農(nóng)業(yè)上“改良土壤，增效肥料，刺激生長，增強抗逆，改善品質”的五大作用已經(jīng)在國內(nèi)外的研究中得到廣泛的證實，近年來研究人員致力于腐植酸通過調(diào)控“植物—土壤—肥料”系統(tǒng)促進植物生長的研究亦取得了很大進展。本文對腐植酸促進植物生長的部分相關研究進行總結，系統(tǒng)分析腐植酸促進植物生長的機理，為腐植酸資源高效利用和科學開發(fā)提供理論基礎。

1 腐植酸直接刺激植物根系生長和對養(yǎng)分的吸收

腐植酸對植物根系生長的刺激作用是其對植物生長促進作用的最初動力。研究表明，經(jīng)腐植酸處理后，番茄側根的數(shù)量增加了2～3倍，側根的長度增加了4～23倍，這種作用的產(chǎn)生主要是由于植物經(jīng)腐植酸作用后表現(xiàn)出類似添加外源生長素的刺激反應，腐植酸作為一種生物刺激素，能顯著提高植物的生物化學活性，對根系產(chǎn)生類似生長素的作用，引起細胞質膜通透性的改變，促進植物蛋白的合成和細胞的生長，從而促進植物根系的生長[6]。腐植酸對植物根系的刺激作用使植物根系中與蔗糖代謝、ATP酶和細胞骨架蛋白合成相關的基因呈現(xiàn)差異性表達[7]。如腐植酸能促進玉米根系中H+-ATP酶的編碼基因MHA2的表達，能夠作為細胞質膜上H+-ATP酶的誘導因子而促進其表達，質膜表面H+-ATP酶數(shù)量的增加能夠增加電化學質子梯度，促進質子跨膜運輸，從而改善植物的營養(yǎng)，刺激植物根系生長[8，9]。此外，腐植酸能通過刺激擬南芥根毛細胞的負調(diào)控因子，使其表達量降低，促使根形態(tài)的重塑，增加吸收營養(yǎng)物質的根系面積，從而達到促生效果[10]。

腐植酸還能促進植物根系對養(yǎng)分的吸收，主要表現(xiàn)為對硝酸鹽吸收的促進作用。腐植酸能夠促進植物根系中與硝酸鹽吸收、同化相關基因的表達。在低分子量的腐植酸作用下，玉米根系中硝酸鹽吸收相關基因MHA2和同化相關基因NR1的表達量均上升[11]。此外，腐植酸能降低植物根細胞質膜表面的pH，中和硝酸根作為氮源所產(chǎn)生的堿性環(huán)境，抑制H+和NO3-的同向轉移，從而促進植物對氮的吸收[12]。因此，腐植酸能通過調(diào)節(jié)植物根系的內(nèi)環(huán)境來刺激植物對硝酸鹽的吸收和同化。腐植酸還能作為營養(yǎng)物質被植物吸收，尤其是小分子量的腐植酸很容易到達高等植物的細胞質膜，被根系細胞吸收利用。有研究發(fā)現(xiàn)，小分子量組分有較高含量的羧基和酚羥基的官能團結構，是腐植酸中最具活性的部分，更易被植物所吸收，且對植物根系生長和養(yǎng)分離子的吸收具有更好的刺激效應[13，14]。

2 腐植酸增強植物的抗逆性

腐植酸能調(diào)節(jié)植物的生理生態(tài)變化，增強植物抗逆性。研究表明，在水分、溫度、鹽分和重金屬等逆境脅迫條件下，腐植酸能增強植物體內(nèi)活性氧代謝相關酶（過氧化物酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等）的活性，并降低植物質膜透性，調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的活性氧含量，減輕膜脂的過氧化程度，使植物保持較快的生長速度[15，16]。例如，腐植酸能增強水稻抵抗水分脅迫的能力，主要是通過修飾水稻根系中液泡膜水通道內(nèi)在蛋白基因OsTIP的表達而實現(xiàn)的[17]。此外，物理作用也是腐植酸增強植物對水分脅迫抗性的重要方面。腐植酸能在植物根系表面、根系表皮細胞和新生根毛中形成腐植酸凝聚體，從而降低根系的滲透系數(shù)，增強植物抗旱能力[18]。

腐植酸提高植物的抗逆性不僅體現(xiàn)在改變植物的形態(tài)及生理特征上，還能通過改變植物的生長環(huán)境來實現(xiàn)。鹽脅迫條件下，腐植酸能降低土壤介質的電導率，還能增加土壤團聚體含量和土壤緊實性，提高土壤的持水性和陽離子交換能力，從而促進植物生長[16]。干旱脅迫條件下，植物根系分泌的有機酸能局部破壞腐植酸膠體，使其釋放能調(diào)節(jié)植物個體生長的小分子，這些分子能進入細胞膜并影響植物抗逆相關基因的表達和酶的活性[19]。此外，腐植酸緩解生物脅迫對植物產(chǎn)生的不利影響，主要表現(xiàn)為其對植物致病菌的抑制作用。研究表明，腐植酸能降低土壤中的鏈格孢菌和尖孢鐮刀菌的分生孢子的存活率，抑制孢子的繁殖和菌絲的伸長，降低植物的發(fā)病率[20]。

3 腐植酸提高土壤和肥料的養(yǎng)分利用率

腐植酸中的羧基、羰基、酚羥基等官能團賦予了其較強離子交換和吸附能力，從而對土壤和肥料中的養(yǎng)分形態(tài)產(chǎn)生調(diào)控效應，能顯著提高植物對氮磷鉀肥和微量元素的利用率[21]。腐植酸能通過自身的羧基和酚羥基與尿素的酰胺基作用生成腐植酸-脲絡合物，該物質具有較高的穩(wěn)定性，能夠抑制尿素分解、提高氮素利用效率，實現(xiàn)尿素的長效緩釋[22]。此外，腐植酸還能降低土壤與肥料養(yǎng)分的損失，通過非生物作用固定土壤中的銨態(tài)氮，即土壤中的尿素水合為銨態(tài)氮時能被腐植酸吸附發(fā)生氨化反應生成解離度較低的腐植酸銨鹽，能減少銨態(tài)氮損失[23]。腐植酸施用到土壤后造成土壤pH的短暫降低，抑制了土壤中尿素的水解，從而使尿素的氨揮發(fā)損失降低了13%～20%。腐植酸還能降低水稻土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮隨農(nóng)田排水的損失[24]。

腐植酸中的活性羥基官能團使其具有表面活性劑的功能，不僅能與肥料中的磷生成水溶性的腐植酸磷，還能吸附和固定肥料中的鉀素或與鉀素反應生成膠體化合物腐植酸鉀[25]。腐植酸作為功能強大的膠體物質，還能與土壤中鐵、鋅、錳、硼等微量元素發(fā)生螯合或絡合反應，生成具有膠體性能的可溶性腐植酸微量元素鹽類，有利于作物根系的吸收和利用[26]。有研究表明，使用腐植酸鋅與硫酸鋅相比，鋅的利用率可提高34%，腐植酸鐵從根部進入植物體的數(shù)量比七水合硫酸亞鐵多32%，在葉部移動的數(shù)量是七水合硫酸亞鐵的2倍，使葉綠素含量增加15%～45%[27]。因此，腐植酸類的農(nóng)作物肥料具有廣闊的應用前景。

4 腐植酸調(diào)控土壤微生物及酶的活性

腐植酸是土壤腐殖質的重要成分，具有穩(wěn)定的碳形態(tài)，對土壤微生物的數(shù)量和多樣性具有重要的調(diào)控作用。研究表明，使用腐植酸肥料的高粱，抽穗期根際土壤細菌數(shù)比使用化肥的處理高45.58%，土壤真菌數(shù)比化肥處理高23.26%。施用腐植酸能改善土壤脲酶和磷酸酶的活性，提高土壤有效養(yǎng)分的時效性，改善植物營養(yǎng)[28]。Dong等[29]研究表明，褐煤腐植酸能夠通過降低土壤中尿素向氨的水解速度和緩沖土壤pH等作用來抑制氨化細菌、氨化古菌等微生物的群落組成和數(shù)量改變，緩沖尿素施用對土壤中細胞多樣性的促進作用，從而降低氨被氧化成亞硝酸和硝酸的速度，降低通過反硝化轉化成氮氣造成的損失，最終能夠使更多的氮為植物所吸收利用，從而促進植物生長。此外，腐植酸還能夠通過增加細胞呼吸和細胞膜對養(yǎng)分的吸收，提高作物二磷酸核酮糖氧合酶/羧化酶的活性，增加植物光合活性，提高豆科作物的生物固氮活性等，從而促進作物生長、增加作物產(chǎn)量[30]。

腐植酸還能夠通過調(diào)控土壤酶活性，對土壤進行改良，為植物根系的生長和肥料養(yǎng)分的保蓄提供有利條件。例如，腐植酸能在施用初期抑制土壤脲酶活性，降低尿素水解速度，從而減少水解產(chǎn)物氨的揮發(fā)，因為腐植酸中大量不飽和鍵可以有效防止脲酶中的活性巰基官能團氧化，另一方面腐植酸還能螯合土壤中脲酶巰基的抑制劑Cu2+和Hg2+，在加入后期能夠穩(wěn)定脲酶活性，使尿素繼續(xù)以相對穩(wěn)定的速度轉化成氨，供給植物生長[31]。

5 結論與展望

腐植酸來源廣泛、功能多樣，是效果顯著的優(yōu)質植物生長調(diào)節(jié)劑。腐植酸對植物生長的促進作用主要包括直接刺激植物根系生長和對養(yǎng)分的吸收、增強植物的抗逆性、提高土壤及肥料的養(yǎng)分利用率、調(diào)控土壤微生物及酶的活性等。本文通過總結腐植酸對植物的促生作用和機理，為腐植酸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的高效應用提供了理論基礎。

值得肯定的是，腐植酸顯著的植物促生功能已經(jīng)得到廣泛驗證，有關腐植酸的研究技術和方法也取得了很大發(fā)展。然而，隨著腐植酸應用目標要求的逐漸提高和研究內(nèi)容的逐漸深入，現(xiàn)有的研究內(nèi)容已不能滿足腐植酸行業(yè)未來發(fā)展的需要，還需在以下3個方面進行深入研究：

（1）腐植酸結構與功能的關系。

盡管國內(nèi)外對腐植酸的結構有一定的研究，但具有高度異質性的腐植酸仍是研究的重點與難點。腐植酸眾多結構官能團賦予其良好的活性，因此，仍需利用核磁共振、光譜分析等技術手段對腐植酸元素組成、分子量、芳香化程度、氧化程度等信息進行表征，且腐植酸結構對植物生長效果的影響具體機理仍需進行深入研究。

（2）腐植酸對土壤微生物功能的影響。

腐植酸能影響土壤微生物的數(shù)量和功能，但目前大多數(shù)研究仍停留在對土壤微生物群落組成影響層面，在腐植酸作用下，闡明土壤功能性微生物作用機理將為腐植酸更深層次的利用提供理論指導。

（3）腐植酸定向轉化的生物學機制。

腐植酸雖有廣泛的生物學活性，但目前的研究廣泛關注于腐植酸的具體作用效果，而微生物定向轉化生產(chǎn)腐植酸的生物學機理仍需深入研究。

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耕地輪作休耕 腐植酸不能閑

2018年2月23日，農(nóng)業(yè)部、財政部聯(lián)合舉行“耕地輪作休耕制度試點”新聞發(fā)布會。2018年，內(nèi)蒙古、遼寧、吉林等9個?。▍^(qū)）耕地輪作休耕試點面積將達到2400萬畝，比2017年翻一番。

輪作休耕，不是棄耕，更不是廢耕，而是通過“控害養(yǎng)地培肥”等模式，重點解決連作障礙、重金屬污染、生態(tài)嚴重退化等問題，以保障耕地資源可永續(xù)利用。

不忘養(yǎng)地初心，回到“土壤有機質-腐殖質-腐植酸”良性循環(huán)上來至關重要。40年來，工業(yè)利用腐植酸在提升耕地質量、解決連作障礙、修復重金屬污染等方面積累了很多成功案例，展現(xiàn)了很好的生態(tài)效應。特別在補充和提升耕地質量方面，最直接、最快速、最安全。當前，國家開展輪作休耕行動，腐植酸以及她的“兄弟姐妹”們更不能閑。