Kwame Ampong，Malinda S.Thilakaranthna，Linda Yuya Gorim 著

孫夢宇2 肖 凡2 繆春語2 宋亞茹2 孫志梅2★ 譯

1 加拿大阿爾伯塔大學(xué)農(nóng)業(yè)、食品與營養(yǎng)科學(xué)系 埃德蒙頓 T6G 2R3

2 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 保定 071000

腐殖質(zhì)（HS）是動植物殘體降解后的殘余物，如木質(zhì)素、單寧、纖維素和角質(zhì)（Tan等，2000；Billingham，2012；Hayes和Swift，2020）。收獲后的作物殘留物還田后，土壤中的HS大量增加（Wiesler等，2016）。養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展以及沼氣產(chǎn)量的增加，減少了大部分耕地上的作物殘體還田量，導(dǎo)致土壤中的HS含量下降。在過去的幾十年里，研究人員試圖通過增施外來的添加物來補充土壤下降的HS（Rose等，2014；Gerke，2018）。HS的外部來源大多為來自于土壤、風(fēng)化煤、褐煤和有機物料的商業(yè)化產(chǎn)品（Gollenbeek和VanDerWeide，2020；Yang等，2021）。

根據(jù)HS組分在水、酸或堿溶液中的溶解度不同，HS被分為腐植酸（HA）、黃腐酸（FA）和腐黑物三部分（DeMelo等，2016）。由于HS中的腐黑物具有難降解性質(zhì)，HA和FA組分具有能夠在短時間內(nèi)改善土壤肥力和健康的作用一直備受關(guān)注。HS中的HA和FA組分具有化學(xué)活性，且能抵抗微生物反應(yīng)，因此在土壤和植物中發(fā)揮著有益作用（Billingham，2012）。HA的長期抗降解能力及其疏水性和親水性使其容易與陽離子形成復(fù)合物（Wood，1996）。HA中含有約60%的有機碳（C），對土壤微生物的生長起著重要作用（Sible等，2021）。除C外，HA中還含有氮（N）、氧（O）、氫（H）和硫（S）。

HA發(fā)揮著以下重要功能，如：通過改善土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、持水量（WHC）和微生物菌群來改善土壤的物理和生物化學(xué)活性（Nardi等，201，2021；Fuentes等，2018；Shah等，2018），通過對養(yǎng)分的螯合作用以及向植物體內(nèi)的協(xié)同運輸提高土壤養(yǎng)分有效性，特別是微量元素（Yang等，2021）；通過形成沉淀作用減少有毒重金屬的運移，從而減少植物對有毒重金屬的吸收（Wu等，2017）。HA還可以通過發(fā)揮植物刺激素（如生長素和細胞分裂素）的作用促進作物生長，這些激素有助于提高作物的抗逆性能、促進營養(yǎng)代謝和光合作用（Billingham，2012；Rose等，2014；Canellas等，2020；Laskosky等，2020；Nardi等，2021；van Tol de Castro等，2021）。但另有一些研究發(fā)現(xiàn)，施用HA對作物生長和土壤健康沒有明顯影響（Albiach等，2001；Bybordi和Ebrahimian，2013；El-Bassiouny等，2014；Mukherjee等，2014；Kelapa和Banyuasin，2016）。盡管高量HA的施用有助于改善土壤的物理特性（Gollenbeek和VanDerWeide，2020），但其對土壤化學(xué)特性和作物的影響仍不確定（Rose等，2014）。Rose等（2014）在分析了大部分溫室試驗效果的影響因素時發(fā)現(xiàn)，HA對根和莖生長均有顯著影響，而施用量只顯著影響莖的生長。DeMelo等（2016）的一篇綜述強調(diào)羧基（COOH）和酚羥基（OH）是HA的主要特征，決定了它們在土壤中的功能。Nardi等（2021）的研究表明，HA的化學(xué)和分子結(jié)構(gòu)、來源和施用量是影響作物和土壤效果的重要因素。更為重要的是，HA的施用可能會對作物產(chǎn)量產(chǎn)生不一致的結(jié)果，這可能與HA的來源不同有關(guān)（Sible等，2021）。

鑒于HA來源和試驗條件的差異，會導(dǎo)致HA施用對作物農(nóng)藝性狀的影響不一致，而且與實驗室試驗相比，關(guān)于田間試驗的相關(guān)報道較少，本文旨在進一步明確HA在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用效果。本文的目的是：（1）明確HA在實驗室和田間試驗條件下對作物農(nóng)藝性狀和土壤健康參數(shù)的影響；（2）明確影響HA效果的因素；（3）明確HA在作物性能和土壤健康方面應(yīng)用的知識空白。

1 腐植酸結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

HA的功能與其結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，而HA結(jié)構(gòu)又取決于其來源（Rupiasih，2005；Garciá等，2016；García等，2019；Nardi等，2021；Van Tol de Castro等，2021）。盡管HA中包含許多官能團，但最主要的是酚羥基（OH）和羧基（COOH）（圖1）（Nardi等，2021）。COOH和OH官能團直接影響著HA的功能，如改善土壤理化性質(zhì)和植物生長（圖1）（DeMelo等，2016；Nardi等，2021）。這些官能團的解離產(chǎn)生極性端和非極性端，分別具備親水性和疏水性（Mirza等，2011）；兩端在賦予HA功能的機制中發(fā)揮著重要作用（圖2A）。親水端主要起螯合作用，疏水端起排斥作用（Billingham，2012）。一旦OH和COOH基團解離，陰離子部分的極性端在土壤中通過靜電與金屬陽離子形成絡(luò)合物，從而將這些金屬離子保留在土壤中（圖2B）。親水部分可以通過促進土壤團聚體的形成，改善土壤的WHC。而非極性端通過對水分子的排斥，減少水的滲透，提高黏土團聚體的穩(wěn)定性（Billingham，2012）。Van Tol de Castro等（2021）的一項研究表明，HA的芳香族和脂肪族官能團可以通過促進水稻對氮的吸收和可溶性糖的合成，提高水稻產(chǎn)量（圖1）；Garciá等（2016）的研究也發(fā)現(xiàn)了HS芳香族和脂肪族官能團能夠促進水稻幼苗根系生長。

圖1 腐植酸的化學(xué)和分子組成及其功能Fig.1 Graphical representation of humic acid, its chemical and molecular constitutes and functions

圖2 模型匯總土壤和植物中的HA機制和功能Fig.2 Model summarizing the mechanisms and functions of humic acids (HA) in soils and plants

HA的低分子量組分（LMW）比高分子量組分（HMW）含有更多的酚羥基和羧基官能團（DeMelo等，2016）。HA的螯合能力也主要體現(xiàn)在LMW上，可以有效改善土壤的生化特性，而HMW則可以有效地改善土壤的物理特性（Yang和Antonietti，2020）。研究發(fā)現(xiàn)，HMW可以刺激質(zhì)膜H+-ATP酶，使得LMW可以協(xié)同運輸營養(yǎng)物質(zhì)到植物體內(nèi)，并在植物體內(nèi)發(fā)揮其他的生物活性功能（圖1）（Nardi等，2021）。蚯蚓糞中HA的HMW和LMW組分應(yīng)用于擬南芥和玉米幼苗時，均表現(xiàn)出了刺激根系生長的作用（Canellas等，2010）。Nardi等（2021）的一篇綜述也指出，HA的分子量大小會影響植物根際有機酸的釋放。HA的化學(xué)和分子組成及功能如圖1所示。HA結(jié)構(gòu)與有機酸之間的相互作用還有待進一步研究，特別是在根際，HA與不同作物的相互作用不同。此外，考慮到已有文獻報道的HA對根系質(zhì)膜的刺激作用，HA分子大小如何影響根系分泌物的釋放還需進一步深入研究（Nardi等，2021）。

2 腐植酸對土壤和植物的影響

2.1 土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和持水量

連作對土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)有負面影響。而施用HA對退化土壤會產(chǎn)生積極影響（Billingham，2012；Yang等，2021）。表1總結(jié)了HA對土壤性質(zhì)的影響。土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性歸因于HA在粘土表面較強的吸附性（Chen等，2017）。HA可以與土壤中的金屬陽離子形成螯合物（Yamaguchi等，2004；Billingham，2012）。這些金屬陽離子為HA和粘土礦物表面之間的橋梁（圖2B）。例如，在連作7年玉米的退化沙質(zhì)土中施用膨潤土—HA增加了大團聚體的比例（Zhou等，2019）。一項對照研究表明，施用腐植酸鉀增加了酸性和堿性壤土的團聚體穩(wěn)定性（Imbufe等，2005）。Piccolo等（1997）進行的類似試驗中也發(fā)現(xiàn)，在24 h控制濕度條件下，煤源HA增加了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，與土壤類型無關(guān)。

表1 腐植酸對土壤性質(zhì)的影響Tab.1 Summary of humic acids on soil properties

當(dāng)然，也有應(yīng)用HA后效果不明顯的報道。Albiach等（2001）發(fā)現(xiàn)，在沙質(zhì)粉質(zhì)沙質(zhì)壤土上連續(xù)施用商業(yè)化生產(chǎn)的HA 5年后對土壤團聚體穩(wěn)定性沒有顯著影響。同樣，在經(jīng)過2個玉米生長周期后，施用煤源HA也沒有明顯提高土壤團聚體的穩(wěn)定性（Mukherjee等，2014）。在上述兩個試驗中，HA的施用量不足可能是導(dǎo)致對土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)影響不明顯的主要原因。此外，如Gerke（2018）的綜述指出的，上述研究中的供試土壤均是中性至堿性土壤，可能也會對HA的分子橋接作用產(chǎn)生負面影響。HA來源也影響土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)（Rose等，2014），因此，對研究人員而言，測試單一HA來源的效率是非常重要的，而不是將結(jié)果外推到其他來源的HA。

HA也具有增加土壤WHC的作用（Billingham，2012；Yang等，2021）。HA的親水部分和對土壤結(jié)構(gòu)的改良增加了土壤WHC。也有報道稱，HA和FA的結(jié)合施用有利于形成膠體或腐殖質(zhì)粘土復(fù)合物，從而增加土壤的WHC（Billingham，2012）。在一項為期7年的膨潤土-HA對土壤持水量影響的田間試驗中，30 Mg/hm2的用量顯著提高了土壤WHC，并且在試驗第4年后就顯示出了明顯的效果（Zhou等，2019）。施用HA可以增加植物中的脯氨酸和甜菜堿，這是植物在水分脅迫下的一種適應(yīng)性反應(yīng)（El-Bassiouny等，2014）。

2.2 土壤陽離子交換容量

土壤的保肥能力取決于它能吸附的陽離子數(shù)量。研究表明，HA可增加土壤的陽離子交換容量（CEC）（圖2D）（Billingham，2012）。Yang等（2021）總結(jié)了HA在提高CEC方面的貢獻：（1）通過為無機膠體提供較大的表面積增加對交換性陽離子的吸附量；（2）COOH和OH基團的解離產(chǎn)生極性端，從而與陽離子結(jié)合形成復(fù)合物；（3）促進土壤礦物質(zhì)的溶解，從而為化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供更大的表面積。一項利用來源于泥炭和風(fēng)化煤的26種HA進行的土壤培養(yǎng)試驗研究表明，所有處理的土壤CEC均有所提高，提高幅度為1%～58%（Giannouli等，2009）。但試驗樣品的基礎(chǔ)CEC與相應(yīng)改良后的土壤CEC的增加比例間無明顯線性相關(guān)關(guān)系。這可能表明，HA的CEC并沒有直接轉(zhuǎn)化為改良土壤的CEC，HA的質(zhì)量可能對土壤CEC的提高有重要影響。Laskosky等（2020）進行的大麥盆栽試驗中，研究了腐殖質(zhì)、泥炭和生物炭對典型灰色淋溶土退化土壤CEC的影響，結(jié)果表明，腐殖質(zhì)改良土壤的CEC高于生物炭改良土壤的CEC。目前尚無更多研究證明HA對非根際土壤和根際土壤CEC的影響。大部分關(guān)于HA對CEC影響的試驗都是在受控環(huán)境下進行的短期研究。因此，需要進行幾種作物的長期田間試驗來進一步探究HA對土壤CEC的影響，以填補此方面的研究空白。

2.3 土壤pH

土壤pH影響?zhàn)B分有效性。HA影響土壤pH變化的能力取決于它們所含羧基和酚羥基官能團的數(shù)量（Rupiasih，2005）。很少有研究報道施用HA后，收獲后土壤pH的變化，且HA對土壤pH影響的研究結(jié)果也不一致。不同HA施用量（0～26.2 g/kg）的大麥盆栽試驗結(jié)果表明，隨著HA用量的增加，收獲后土壤pH呈下降趨勢（Laskosky等，2020）。但連續(xù)3年的花生田間試驗結(jié)果卻表明，施用HA對土壤pH沒有顯著影響（Li等，2019）。采用小麥水培試驗方法研究HA對土壤pH緩沖能力的影響，結(jié)果表明，在初始pH為5.3的情況下，施用HA未能提高營養(yǎng)液的pH緩沖能力（Mackowiak等，2001），作者分析認為是由于試驗中應(yīng)用的HA濃度過低導(dǎo)致的。Pertusatti和Prado（2007）的室內(nèi)試驗研究表明，在pH 5.5到8的范圍內(nèi)HA具有緩沖pH變化的能力?？偟膩碚f，HA對pH的影響取決于試驗條件、植物生長狀況和HA來源。因此，今后還需進行進一步研究以探明各種來源的HA對土壤pH變化影響程度的具體作用條件。

2.4 土壤碳和酶活性

土壤碳含量可直接指示土壤的健康狀況。碳排放導(dǎo)致的氣候變化及其對環(huán)境的不利影響促使研究者開展了對土壤碳固存的研究。HS是短期和長期活性碳的重要碳庫（Rupiasih，2005）。HA和FA組分在自然界中都是可分解的，但分解的速度很慢，因此，成了土壤碳的持續(xù)供應(yīng)源。Sible等（2021）指出：與FA相比，HA含有更多的碳，這說明HA的施用可為土壤微生物額外提供更多的維持活性所必需的碳源。施用HA后對土壤中碳的供應(yīng)取決于HA分解速率、周轉(zhuǎn)率和在土壤中的存留時間（Fontaine等，2007）。HA施入土壤后會進一步轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿咏M分（Grinhut等，2007），而周轉(zhuǎn)率取決于植物和微生物協(xié)同影響的初始效應(yīng)（Dungait等，2012）。除了植物和微生物之間的相互作用外，pH、水分、氧氣和HS性質(zhì)等環(huán)境因素也會影響HA的分解速率（Dungait等，2012）。

當(dāng)前關(guān)于HA對土壤碳儲量的影響已有大量研究。在一項為期3個月的使用13C標記技術(shù)研究HA添加對碳固存影響的土壤培養(yǎng)試驗中，發(fā)現(xiàn)高達58%的添加碳被固持（Spaccini等，2002）。土壤含碳量的增加與HA的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)；HA材料的疏水性越強，固碳量增加就越多。Gümüs和Seker（2015）通過培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，施用HA增加了黏土中有機碳的含量，改善程度取決于其施用量。在另一項關(guān)于巴西黏土上的臂形草/牲畜和珍珠粟/無牲畜系統(tǒng)的研究中，發(fā)現(xiàn)HA含量較高的系統(tǒng)具有較高的碳固存量（Loss等，2013）。在室內(nèi)種植豌豆60天后，與單施化肥及不施化肥和蚯蚓糞的處理相比，使用富含HA的蚯蚓糞通過提高微生物量碳和微生物種群數(shù)量，顯著增加了砂壤土中的碳固存量（Maji等，2017）。當(dāng)前HA對總碳庫影響的研究較多，但沒有對易分解碳和難降解碳影響的報道。我們目前只發(fā)現(xiàn)了一項研究，探討了在田間條件下，有機廢棄物中的HA對富含HS土壤中易分解碳和難降解碳的影響（Hu等，2019），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高HA用量與土壤中易分解碳呈負相關(guān)，而與土壤中難降解碳呈顯著正相關(guān)。HA對輪作系統(tǒng)作物及后茬土壤碳庫組分的長期田間定位研究還鮮有報道，需進一步加強研究（Olk等，2018）。

HA的施用可以增加微生物群落的數(shù)量和活性（Maji等，2017；Li等，2019）。一項為期3年的豌豆連作試驗研究了HA對土壤中酶活性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在溫室條件下，植物生長140天后，施用1000 kg/hm2的HA顯著提高了土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性（Li等，2019）。同樣，在豌豆盆栽試驗中，施用9000 kg/hm2富含HA的蚯蚓糞，植物生長12天后脲酶活性也顯著提高（Maji等，2017）。兩項研究中，施用HA后微生物數(shù)量、C/N比增加是可能導(dǎo)致脲酶活性增加的原因所在。但Shen等（2020b）在土壤培養(yǎng)試驗中發(fā)現(xiàn)，施用風(fēng)化煤中提取的HA會抑制脲酶活性。同樣，也有研究證明風(fēng)化煤提取的HA也抑制了脲酶的活性（AL-Kanani等，1990）。AL-Kanani等（1990）和Shen等（2020b）在研究中沒有關(guān)注微生物量，但非根際土壤中生物活性的降低可能降低了微生物量，并抑制了脲酶活性（Elmajdoub等，2014）。HA中與酚羥基和羧基官能團結(jié)合的酶以及高分子量可能也會抑制脲酶活性（Tomar和MacKenzie，1984）。HA對不同土壤類型不同作物體系土壤酶活性的影響仍需要進一步研究。

2.5 尿素的水解、氨化和硝化作用

尿素因其具有突出的成本優(yōu)勢成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最常使用的氮肥。尿素在被植物吸收之前，必須首先水解成銨，然后通過硝化和反硝化作用將銨分別轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和氮氣（Shen等，2020）。硝酸鹽由于其疏水性容易在土壤中淋失，但銨在土壤中是穩(wěn)定的（Oelmann等，2007）。植物可以以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的形式吸收氮素（Ups等，1990）。但由于硝態(tài)氮會影響氮的利用效率（NUE），銨向硝酸鹽的快速轉(zhuǎn)化一直是農(nóng)學(xué)家關(guān)注的焦點（ALKanani等，1990；巴斯等，2020）。尿素的水解是由土壤中微生物產(chǎn)生的脲酶催化的（Tomar和MacKenzie，1984）。尿素水解的速率也與高濃度的鎳有關(guān)（Tan等，2000）。由于HA的螯合特性，它能夠形成鎳絡(luò)合物，從而減緩尿素水解（Sible等，2021）。

然而，有不少研究報道了HA對尿素水解影響的相互矛盾的結(jié)果（AL-Kanani等，1990；Maji等，2017；Li等，2019）。一項為期90天的土壤培養(yǎng)試驗研究了從煤炭中提取的HA對尿素轉(zhuǎn)化的影響，結(jié)果表明，與對照相比，施用HA使尿素水解減少了兩倍（Shen等，2020），土壤銨態(tài)氮濃度在第3天之前保持穩(wěn)定，之后急劇下降；土壤銨態(tài)氮濃度的降低反映了相應(yīng)的土壤硝態(tài)氮濃度的增加。AL-Kanani等（1990）進行的一項類似研究發(fā)現(xiàn)，從風(fēng)化煤中提取的最高3.4%的HA的施用導(dǎo)致了兩種典型土壤中尿素的水解增加了5%～22%。在上述所有試驗中，施用HA后土壤的pH值都有所下降。也有研究表明，施用HA可減少土壤硝化微生物，從而增加銨態(tài)氮濃度，降低土壤硝化速率（Dong等，2009）。在一個種植大麥的盆栽試驗中研究生物炭、泥炭和腐殖質(zhì)對根際尿素水解和硝化的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)含有較高HA的腐殖質(zhì)促進了尿素水解為銨的過程，同時降低了銨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的硝化作用（Laskosky等，2020）。腐殖質(zhì)處理中高的銨態(tài)氮含量進一步導(dǎo)致了CEC的增加和pH的降低。值得注意的是，不同研究中使用的HA化學(xué)和結(jié)構(gòu)組成不同，施用量也不同。因此，在確定的生長條件下，研究HA來源和施用量對不同作物體系尿素水解及其后續(xù)硝化反硝化作用的影響是很有意義的。

2.6 土壤養(yǎng)分有效性與植物吸收

如圖2A-F所示，HA能夠增加土壤養(yǎng)分有效性和植物吸收養(yǎng)分的能力。許多研究表明HA能夠穩(wěn)定銨，從而提高土壤氮的有效性（Ahmed等，2006；Dong等，2009；Rose等，2014；Zhang等，2019；Laskosky等，2020；Shen等，2020）。HA中也含有氮，施入土壤也成為植物的有效氮源（Billingham，2012）。植物主要以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的形式吸收氮素，但也可以吸收氨基酸態(tài)氮（Nardi等，2002）。高等植物對HA和氮的吸收取決于它們的分子大小和羧基官能團（Nardi等，2000）。Piccolo等（1992）研究表明，植物對氮的吸收與低分子量（LMW）HA和HA的羧基官能團的數(shù)量呈正相關(guān)。Tavares等（2019）研究了來源于蚯蚓糞的HA（80 mg/L）對水稻植株暴露于銨和硝酸鹽48 h后氮吸收的影響，發(fā)現(xiàn)蚯蚓糞顯著促進了水稻對銨和硝態(tài)氮的吸收。

除氮外，磷也是植物的必要營養(yǎng)元素，能協(xié)同促進作物生長。HA和FA的施用已被證明可以提高土壤微生物分泌的磷酸酶活性，從而提高土壤中磷的有效性（Sharma等，2013）。HA還會減少土壤對磷的吸附，促進磷的解吸，從而提高土壤溶液中的磷含量（Zhu等，2018）。HA也可以螯合土壤微量元素并將其協(xié)同運輸?shù)街参锔蹈浇▓D2C）（Sible等，2021）。然而，HA這種協(xié)同運輸養(yǎng)分的能力取決于HA的分子量（Zanin等，2019）。HA還可以增加質(zhì)膜的通透性，從而促進植物對養(yǎng)分的吸收（圖2C）（Nardi等，2002）。HA施用量越高，土壤的CEC就越高（Laskosky等，2020）。雖然高濃度的HA可以改善土壤的物理性質(zhì)，但它的高結(jié)合能力也會使植物無法吸收某些營養(yǎng)物質(zhì)，特別是微量元素。HA羧基和酚羥基作為金屬螯合劑，在土壤中形成金屬-HA螯合物，這可能增加了土壤中微量元素的含量，但卻降低了其植物有效性（Yang等，2021）。例如，Shen等（2020）認為，高濃度的HA可以有效固定土壤中的鐵、鋅和錳等重金屬，從而限制植物對這些重金屬的吸收。Nandakumar等（2004）的研究也表明，在稻田中施用腐植酸鉀（最高20 kg/hm2）增加了土壤中的微量元素含量，但這些微量元素卻無法被植物吸收。另一項研究也表明，10 mL/L從風(fēng)化煤中提取的HA加30 mL霍格蘭溶液，并沒有顯著促進蠶豆對微量元素和鈣的吸收（Bulut和Akinci，2010）。由于不同來源的HA化學(xué)組成和物理性質(zhì)不同，HA對土壤微量元素的有效性和植物對養(yǎng)分吸收的關(guān)系不能被認為就是正線性相關(guān)關(guān)系。因此，需要進行研究以闡明HA用量、養(yǎng)分有效性和植物吸收之間的關(guān)系。

2.7 植物氮同化與蛋白質(zhì)含量

氮是影響植物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的重要營養(yǎng)元素。植物吸收氮的能力是植物氮同化過程的第一個關(guān)鍵步驟。植物對氮的代謝依賴于可以將植物吸收的氮還原為最終的同化產(chǎn)物的相關(guān)酶活性。一項為期2周的水培試驗結(jié)果表明，不同濃度HA（0，1，5 mg/L）的施用顯著提高了玉米中參與氮還原和同化過程的酶活性，與HA用量有關(guān)（Vaccaro等，2015）。但這種受HA用量影響的酶活反應(yīng)并沒有反映在玉米葉片的蛋白質(zhì)含量變化上，較低水平的HA處理蛋白質(zhì)含量卻顯著的高。編碼這些酶的基因是由硝酸鹽供應(yīng)介導(dǎo)的（Vaccaro等，2015）。Haghighi等（2012）進行的一項為期8周的生菜盆栽試驗表明，施用高達1000 mg/L的HA會因其高濃度而提高硝酸鹽濃度和硝酸還原酶活性。與Vaccaro等（2015）的研究不同，Haghighi等（2012）的研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)含量的增加與HA使用量呈正相關(guān)。但也有HA對籽粒蛋白質(zhì)含量的影響不一致的報道。Saruhan等（2011）進行的田間試驗結(jié)果表明，與對照相比，在不施用基肥的情況下，施用高達400 g的液體HA顯著提高了谷子蛋白質(zhì)含量；在施肥方式比較中，土壤施肥和葉面施肥的蛋白質(zhì)含量高于種子處理。然而Shen等（2020）的田間試驗卻發(fā)現(xiàn)，葉面施用高達400 mg/L的HA對谷子蛋白質(zhì)含量沒有顯著影響。伊朗的一項為期2年的田間試驗評估了葉面施用HA和不同水平尿素的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些處理并沒有顯著增加小麥蛋白質(zhì)和面筋含量（Nasiroleslami等，2021）。與僅施用尿素相比，HA施用量為1000 kg/hm2時，第一季花生的蛋白質(zhì)含量顯著提高，但在后2年的田間試驗中對蛋白質(zhì)含量影響不顯著（Li等，2019）。有研究表明，無論施氮量和施氮形式如何，HA對作物氮素吸收均有積極的促進作用，但同化過程取決于氮形態(tài)。另有研究也表明，HA對蛋白質(zhì)含量的影響取決于HA施用量、施用方式和作物類型。當(dāng)前對氮同化以及作物蛋白質(zhì)含量影響方面還缺乏明確答案，可能是HA類型對參與代謝過程的酶的影響不同造成的。但為了得到一個明確的作用過程，還需要開展更多的研究。

2.8 植物農(nóng)藝性狀

HA對植物農(nóng)藝性狀的影響如表2所示。已有很多研究探討了HA對植物根和莖的生長、葉綠素含量等農(nóng)藝性狀以及產(chǎn)量的影響，證明施用HA不僅可以通過刺激植物分泌激素（如生長素和細胞分裂素）和代謝酶來促進根、莖生長（Rose等，2014；Olaetxea等，2020），還能通過促進植物對大量和微量元素的吸收，增加葉片葉綠素含量，刺激幼苗生長（Chen等，2004；Fan等，2014；Sible等，2021）。施用HA后，通過促進植物根、莖重的增加、提高葉綠素含量和光合速率以及刺激植物激素和酶的分泌等提高作物產(chǎn)量（Delfine等，2005；Bybordi和Ebrahimian，2013）。Atiyeh等（2002）發(fā)現(xiàn)，富含HA的蚯蚓糞施用量在0.15～0.4 g/kg之間時，能夠顯著提高黃瓜幼苗的株高和葉面積，而較高的HA濃度反而不能增加根、莖干重。此外，與只施用NPK的處理相比，施用富含HA的蚯蚓糞顯著增加了豌豆根、莖的長度、高度和重量（Maji等，2017）。施用高達40 mL/L的HA對辣椒葉綠素a的濃度沒有顯著影響，但會增加葉綠素b的濃度、果實重量和產(chǎn)量（Karakurt等，2009），施用風(fēng)化煤衍生的HA分別增加了溫室栽培的非洲菊和油菜的根莖生物量（Akinremi等，2000；Nikbakht等，2008）。施用來源于有機廢棄物的HA也顯著改善了菊花的葉綠素含量、葉面積、根和莖干重等農(nóng)藝性狀（Fan等，2014）。Arjumend等（2015）也證明，不同HA水平和推薦的化肥用量對小麥根莖重、葉綠素含量、千粒重和產(chǎn)量均有顯著影響。

表2 腐植酸對作物農(nóng)藝參數(shù)影響的總結(jié)Tab.2 Summary of humic acids effects on crop agronomic parameters

Khan等（2010）通過田間試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，化肥配施HA可顯著提高小麥株高、穗長、千粒重和總產(chǎn)量，且在較高的HA用量和中等氮磷鉀用量下顯著提高。El-Bassiouny等（2014）和Mohammed等（2019）的試驗結(jié)果也表明，HA配施化肥顯著提高了小麥和甜菊莖干重和葉綠素含量，而對小麥株高、穗長和產(chǎn)量無顯著影響。在伊朗進行的一項為期2年的田間試驗中，評估了葉面施用HA與不同氮水平配施的效果，與施用225 kg/hm2的尿素相比，在施用量為150 kg/hm2時，HA處理顯著提高了小麥的穗數(shù)、生物量和產(chǎn)量（Nasiroleslami等，2021）。在伊朗進行的另一項為期2年的油菜田間試驗結(jié)果表明，不同用量的尿素與富含HA的沸石配合施用對油菜的農(nóng)藝性狀沒有影響，但尿素和沸石單獨使用的油菜農(nóng)藝性狀卻顯著改善（Bybordi和Ebrahimian，2013）。

在上述研究中觀察到的不同結(jié)果表明，推薦使用HA來改善作物的農(nóng)藝性狀只有在特定的試驗條件下進行才是可靠的。HA和礦物肥料的配合施用會形成復(fù)合物，起到緩慢釋放養(yǎng)分的作用，但相互作用效應(yīng)主要取決于HA來源、施用量和作物類型（Rose等，2014）。因此，在確定的生長條件下，闡明特定的HA來源、最佳施用量和氮肥用量是十分必要的。

3 影響腐植酸效率的因素

3.1 HA來源

HA對土壤和作物的影響取決于其來源（Rose等，2014；Gollenbeek和Van Der Weide，2020）。而HA的功效則取決于其營養(yǎng)成分、生產(chǎn)方式、官能團組成和預(yù)期用途。對5種來源不同的HA對作物農(nóng)藝性狀的影響進行分析發(fā)現(xiàn)，影響效果表現(xiàn)為泥炭＞褐煤＞土壤＞綠色廢棄物堆肥＞糞便堆肥（Rose等，2014）。不同有機材料提取的HA具有不同的生物活性（Martinez-balmori等，2014），而且商業(yè)化生產(chǎn)的HA不如從廢棄物中抽提的HA更有效（Arancon等，2006），來源于堆肥材料的HA能有效改善植物的農(nóng)藝性狀，提高其生理活性（Jindo等，2020）。然而，Khan等（2018）卻發(fā)現(xiàn)，來源于植物和煤炭的HA對小麥產(chǎn)量的影響沒有顯著差異。不同來源的HA營養(yǎng)成分和化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，這可能影響它們在土壤中的施用效果。García等（2019）發(fā)現(xiàn)來源于Elliot土壤、泥炭、風(fēng)化煤、Su Wanee河和Hill土壤中的HA官能團數(shù)量明顯不同。Hamad和Tantawy（2018）提取了3種不同來源的HA進行盆栽試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高粱根系和莖稈的生長與各種來源HA中存在的芳香族、脂肪族和羧基官能團的數(shù)量相關(guān)，而且氮的吸收與HA的羧基官能團數(shù)量呈正相關(guān)（Piccolo等，1992；Nardi等，2000）。然而，當(dāng)對幾種來源的HA（褐煤、土壤、堆肥、風(fēng)化煤和泥炭）對真菌的影響進行測試時，發(fā)現(xiàn)其效果與HA具有的高芳香官能團呈負相關(guān)（Wei等，2018）。這表明HA來源的選擇應(yīng)該有針對性。Laskosky等（2020）用3種不同來源、具有不同化學(xué)特性的HA進行盆栽試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與生物炭相比，N和P初始濃度較高的腐殖質(zhì)和泥炭來源的HA處理大麥植株的N和P濃度也顯著高。當(dāng)前在實驗室和田間條件下評價和比較不同來源HA對作物農(nóng)藝性狀影響的研究還非常有限，值得進一步探討。

3.2 HA施用量

有人認為，在存在環(huán)境脅迫的條件下，HA的施用效果是最好的（Rose等，2014）。HA施用量的有效性也取決于其來源和作物類型（Olk等，2018）。在缺水條件下，植物會對水分虧缺做出反應(yīng)，如導(dǎo)致脯氨酸產(chǎn)生。在缺水條件下，不同HA施用量對谷子產(chǎn)量有顯著影響，但增產(chǎn)效應(yīng)不依賴于HA用量（Shen等，2020）。同樣，HA可以提高水分脅迫條件下玉米幼苗的過氧化氫酶活性和脯氨酸含量，但促進效果沒有表現(xiàn)出與施用量很好的相關(guān)性（Canellas等，2020）。然而，Lotfi等（2015）的一項早期研究報告稱，在缺水條件下，油菜籽中的脯氨酸和過氧化氫酶活性隨HA用量的增加而增加。在鹽脅迫條件下，HA改善了豆類植物的農(nóng)藝性狀（如株高、葉面積、莖粗、葉綠素含量和產(chǎn)量）和脯氨酸含量（Taha和Osman，2018）。Yousif等（2020）發(fā)現(xiàn)，在類似的鹽脅迫條件下，玉米農(nóng)藝性狀和脯氨酸含量的增加與HA的施用量增加相關(guān)。Mohammed等（2019）在一項田間試驗中發(fā)現(xiàn)，在最佳土壤水鹽（Na+、Ca2+和Mg2+）條件下，甜葉菊的生長和農(nóng)藝性狀都得到了改善，且改善程度與HA施用量的增加有關(guān)。而Bybordi和Ebrahimian（2013）卻未發(fā)現(xiàn)不同HA施用量對油菜農(nóng)藝性狀的顯著影響。營養(yǎng)豐富的HA的施用對土壤和植物均會產(chǎn)生影響，可能是因為來自HA的營養(yǎng)物質(zhì)補充到土壤中的結(jié)果（Sible等，2021）。Karakurt等（2009）發(fā)現(xiàn)適量施用HA后辣椒產(chǎn)量增加，但未施用HA的對照處理和較高的HA施用量處理產(chǎn)量相似。HA的施用量取決于環(huán)境和土壤條件（表3）、來源、成分以及作物類型，因此很難預(yù)測其對不同作物的影響。

表3 影響腐植酸（HA）功效的因素和條件Tab.3 Factors and conditions that affect humic acids (HA) efficacy

3.3 土壤類型

土壤類型是影響HA吸附和分解的重要因素。HA在淋溶作用較弱的土壤中存留時間長，更容易發(fā)揮作用（Chen等，2017）。沙質(zhì)土壤質(zhì)地粗，結(jié)構(gòu)性差，因此施用的養(yǎng)分和其他土壤改良劑不宜保留在土壤中（Sarlaki等，2021）。有利于HA保留在土壤中的粘粒含量在不同土壤類型之間差異很大（Singh等，2017）。不同黏土礦物影響著土壤表面對HA的吸附。高嶺土為1∶1型黏土礦物，易與HA發(fā)生相互作用，使其附著在黏土礦物表面。Feng等（2005）和Chen等（2017）發(fā)現(xiàn)，高嶺土與蒙脫石的物理和化學(xué)特性不同，與蒙脫石相比，HA在高嶺土表面的吸附量更多。Zhang等（2013）的另一項研究評估了HA對3種粘土礦物（高嶺土、蒙脫石和伊利石）的影響，他們發(fā)現(xiàn)，在HA的作用下，蒙脫石的比表面積減小，因此與其他粘土礦物相比，CEC也相對降低，而蒙脫石中的氫鍵作用增強，從而也增加了對NH4+的吸附能力。

HA的施用效果取決于黏土礦物表面的吸附能力，因此，不同地區(qū)黏土組分的差異對HA的功能以及土壤性質(zhì)、作物性能產(chǎn)生很大影響。例如，Tahir等（2011）發(fā)現(xiàn)，相對于鈣質(zhì)土壤，施用HA改善了非鈣質(zhì)土壤地區(qū)的小麥農(nóng)藝性狀。Khan等（2018）發(fā)現(xiàn)，與砂壤土相比，黏壤土上的小麥穗重和籽粒產(chǎn)量更高。Nardi等（2021）的研究表明，施用HA后，不同土壤中的玉米對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮吸收以及氮代謝的影響不同。雖然Rose等（2014）認為土壤類型對HA性能的影響很小，但他們的樣本量過小，不具有代表性。土壤類型對HA功效影響的文獻總結(jié)如表3所示。

3.4 HA溶解度

HA的溶解度取決于介質(zhì)的pH值（MacCarthy等，1990）。其在水和堿性介質(zhì)中都能部分溶解，但在極低pH下沉淀（De Melo等，2016）。有研究表明，用堿提取HA會改變其結(jié)構(gòu)，因此堿溶提取的HA用于研究是不合適的（Kleber和Johnson，2010），但Olk等（2019，以及其中的參考文獻）的觀點正好相反。HA可與土壤陽離子相互作用形成復(fù)合物，這些復(fù)合物的溶解度影響了陽離子的釋放和植物有效性（Sible等，2021）。因此，HA在水、酸、堿中的溶解度會影響其對植物的作用效果。Pinton等（1999）發(fā)現(xiàn)水溶性HA通過激活根細胞質(zhì)膜上的H+-ATP酶來促進植物對硝酸鹽的吸收。用硝酸鹽和水提取的HA處理玉米根系，通過促進對硝酸鹽的吸收使硝酸鹽同化酶上調(diào)（Zanin等，2018）。Savy等（2017）發(fā)現(xiàn)，因酚羥基官能團的存在，從蘆竹中提取的水溶性HA提高了水芹幼苗中的赤霉素活性。施用水溶性HA可通過增加根毛、皮層細胞和內(nèi)胚層切向壁來增加擬南芥的根表面積（Schmidt和Santi，2007）。

此外，酸溶HA可與土壤中的陽離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物（Liu等，2008；De Melo等，2016），從而增加土壤養(yǎng)分有效性，改善土壤理化特性（Billingham，2012）。當(dāng)前，關(guān)于酸溶HA組分的效應(yīng)，實驗室研究還非常有限，堿溶和水溶HA組分對農(nóng)作物生長和農(nóng)藝性狀的影響，田間試驗研究也比較有限。因此，今后應(yīng)加強對該領(lǐng)域的研究，以填補這方面的知識空缺。

4 腐植酸研究進展

4.1 提取方法

高效的HA提取方法仍然是許多科學(xué)家面臨的挑戰(zhàn)。由于來源于泥炭、土壤和湖泊的HA數(shù)量少，較大規(guī)模的田間應(yīng)用受到了一定限制（Yang和Antonietti，2020）。而由于褐煤和風(fēng)化煤的儲量更豐富，特別是在產(chǎn)油區(qū)，因此大多數(shù)商品HA都來源于褐煤和風(fēng)化煤。這些來源的HA往往含碳量較高，但氧、氮以及羧基和酚羥基官能團含量較低，而這些官能團正是有助于HA的物理、化學(xué)和生物活性的（Fatima等，2021）。近年來對如何獲得更高產(chǎn)率，且具有更多的促進植物生長的活性官能團（羧基和酚羥基）的HA高效提取方法關(guān)注較多。用酸對褐煤和風(fēng)化煤進行預(yù)處理，將復(fù)合的化合物分解，從而將它們還原為較弱的酸性官能團（Barhoumi等，2019）。在堿法提取褐煤和煙煤后，進一步使用硝酸（HNO3）來提高HA的產(chǎn)率（Zara等，2017；Boral等，2021；Fatima等，2021）。除了HA產(chǎn)率增加外，氮、氧含量及羧基、酚羥基和胺基等官能團的含量也均有所增加。Sabar等（2020）還使用了HNO3、H2O2和微生物技術(shù)（真菌）來提高煤源HA的產(chǎn)率、分子量和芳香官能團數(shù)量。當(dāng)前對HA高效提取方法的研究仍主要集中在如何提高有助于HA生物有效性的官能團數(shù)量方面。

4.2 HA的分子機制

過去幾十年來，HA因其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對植物生長、農(nóng)藝參數(shù)、抗逆性和土壤健康方面的顯著影響而被人們所熟知。直到最近，當(dāng)研究人員開始闡明植物如何在分子水平上對HA作出響應(yīng)時，才知道這些積極影響背后的分子機制。Shah等（2018）在綜述中詳細介紹了HA促進植物生長和適應(yīng)脅迫條件的分子響應(yīng)機制。在本文中，我們重點介紹了植物對HA的分子響應(yīng)機制最新進展。Cha等（2020）表明，用HA處理擬南芥后，其耐熱基因和熱激蛋白（HSP）上調(diào)，而當(dāng)HSP被敲除后，擬南芥則無法在高溫逆境下生存。Zandonadi等（2019）在HA中發(fā)現(xiàn)了一種植物生長素，可以誘導(dǎo)產(chǎn)生玉米細胞分裂素的蛋白基因的過度表達。HA的施用導(dǎo)致小麥干旱易感基因GRF下調(diào)，表明在干旱條件下，HA可以作為信號分子刺激小麥生長（Arslan等，2020）。用HA處理玉米根系，分別上調(diào)了參與抗氧化功能和氮同化途徑的VHS/GAT和2-cys過氧化物酶BAS1基因（Nunes等，2019）。識別和了解由HA引起的這些分子響應(yīng)，將有助于植物育種者強化對HA能做出響應(yīng)的相關(guān)基因的精準定位。

4.3 知識空白及未來研究需求

在全球背景下，為減少糧食生產(chǎn)系統(tǒng)中氮肥的施用量，需要在不同作物、不同土壤類型和不可預(yù)測的氣候條件下，優(yōu)化氮肥施用技術(shù)。而HS是進一步優(yōu)化作物施肥和提高氮素利用效率的有效手段。我們已經(jīng)明確了一些有待于進一步探討的知識空白（圖3）。對適用于不同作物的特定的HA來源及其施用量和施用方式還有待加強研究。HA、N形態(tài)、地點和氣候條件對作物產(chǎn)量、品質(zhì)以及土壤健康和質(zhì)量的相互作用也缺乏充分認識，不同試驗條件下HA-土壤-植物養(yǎng)分有效性與植物養(yǎng)分吸收之間的相互關(guān)系研究也存在空白。加強對這些方面的認識將有助于農(nóng)學(xué)家和作物生產(chǎn)者了解HA與不同作物之間的相互作用方式，為可持續(xù)種植系統(tǒng)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。本文明確了水溶和堿溶HA組分以及化學(xué)和分子結(jié)構(gòu)對作物產(chǎn)量/品質(zhì)和土壤健康的影響還缺乏盆栽和田間條件下的評價。此外，關(guān)于HA化學(xué)和分子結(jié)構(gòu)（羧基、酚羥基、脂肪族、芳香官能團、HMW和LMW化合物）如何影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)、土壤質(zhì)量、土壤養(yǎng)分有效性、植物吸收和根系分泌物的信息也較為缺乏。這些問題的研究將有助于HA生產(chǎn)行業(yè)更加關(guān)注給作物帶來顯著效益的HA組分和官能團。HA對蛋白質(zhì)含量影響的實驗室和田間試驗研究大多數(shù)都是通過分析籽粒蛋白質(zhì)含量進行的，但數(shù)據(jù)仍然有限，無法得出可靠的結(jié)論。此外，大多數(shù)谷物和豆類作物都需要獲得較高的蛋白質(zhì)含量，但HA在促進氮同化和蛋白質(zhì)合成方面的機制研究還比較有限。認識HA如何提高作物蛋白質(zhì)含量對HA行業(yè)的研究者和作物生產(chǎn)者都是至關(guān)重要的。

圖3 模型顯示了采用盆栽和田間試驗對作物產(chǎn)量和質(zhì)量、土壤質(zhì)量進行的已知和未知的研究以及需要闡明的研究空白Fig.3 Model showing known and unknown research that have been conducted under pot and field experiments on crop yield and quality, soil quality and research gaps that need to be elucidated

5 結(jié)論

本文揭示了HA的施用對作物農(nóng)藝性狀和土壤質(zhì)量具有潛在的顯著影響，明確了HA在作物和土壤上發(fā)揮效果的影響因素，其中影響最大的是HA的來源。HA的化學(xué)和分子結(jié)構(gòu)、溶解度以及其他因素（例如施用量、土壤和作物類型）也會影響HA在作物上的施用效果。本文通過對實驗室和田間試驗的評估，明確了HA對作物農(nóng)藝性狀和土壤健康的影響，也明確了HA方面亟待研究探討的知識空白。在確定的田間條件下，優(yōu)化HA不同用量和礦質(zhì)養(yǎng)分的復(fù)合效應(yīng)研究還需要加強。更重要的是，為了真正揭示HS的好處，適宜于不同土壤類型、作物和不同氣候類型的長期研究還有待于加強。

參考文獻（略）