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腐植酸与绿色、有机农业

现代农业以高投入与高产出为重要特征，其中化肥、农药等合成化学品的大量使用，无疑对我国农业增产做出了重大贡献，但也引起了一系列严重问题：如土壤养分不平衡，农药、重金属对土壤污染严重，土壤质量下降，农产品质量下降，水体富营养化等，严重影响农业可持续发展。有机农业在此背景下盎然兴起，以农业可持续发展、食品与环境安全为其主要特征。但是，现有的有机农业生产中完全不施用或很少施用肥料、农药，会导致病虫害严重、抗逆性差、产量低。因此，急需研究开发出一种适合有机农业生产的产品，加快有机农业的发展。
腐植酸是动、植物残体经过微生物的分解与转化，以及地球化学的一系列过程所形成的组成结构、分子大小都不均一的多种有机弱酸混合物。以芳香核为主体，含有酚羟基、醌基、甲氧基等多种官能团，广泛存在于土壤、煤炭、水体等自然环境中。由于其来源和固有的特性，具有提高土壤肥力、增强作物抗逆性等特性，非常适用于有机农业生产。腐植酸特有的一些官能团可促进植物生长、土壤团粒的形成， 或者是其自身与一些金属离子螯合， 从而达到去除污染物的作用，对环境污染起到一定的改良作用。近年来， 世界各国对其研究和应用在不断扩大，被广泛应用于农业。在欧洲及北美地区，腐植酸被认为是土壤与肥料的缓冲剂，可用来增进肥效、平衡土壤养分。腐植酸的抗旱、抗寒、抗病虫害等功能在中东、以色列等沙漠旱作地区也得到推广应用。我国腐植酸的研究起步于20世纪50年代末，其在农业上的应用也在不断地扩大。我国腐植酸资源非常丰富，其资源储量大、分布广、品位好。
1 腐植酸
1.1 腐植酸的来源和分类
一般认为腐植酸是复杂的、分子量不均一的羟基苯羧酸的混合物。褐煤、草炭和风化煤的腐植酸含量较高，是提取腐植酸的主要来源。腐植酸的提取率以草炭最高，褐煤次之，风化煤最低。煤化程度越高，腐植酸含量越低。
根据土壤学的传统方法，可将腐植酸分为胡敏酸、富里酸和胡敏素3个组分。也有人将腐植酸分为3类：不溶解在碱性溶液中，能溶解在酸性溶液中的叫黑腐酸；只溶解在碱性溶液中，不能溶解在酸性溶液中的叫棕腐酸；既能溶解在碱性溶液中，又能溶解在酸性溶液中的叫黄腐酸。
1.2 腐植酸的特点
腐植酸是由芳香族及多种官能团构成的高分子有机酸，具有良好的生理活性和吸收、络合、交换等功能。腐植酸可以促进土壤团粒结构形成， 增强土壤通透性， 增强土壤保水、保肥能力；也可以对植物生长产生刺激效果，增强其抗旱、抗寒、抗病虫害等能力，此外还能提高农产品品质；刺激土壤微生物的活动，并提高充足的碳、氮元素，改善微生物生活环境，增加土壤有益微生物的数量和土壤酶活性。
2 腐植酸肥料及其特点
2.1腐植酸肥料的分类
按制备工艺的不同，腐植酸肥料一般分为以下几类：
—腐植酸盐(钾、钠、钙、镁、铵、硼等)
—腐植酸衍生物(硝基腐植酸、硝基腐植酸盐、腐植酸脉络合物等)
—腐植酸一树脂共聚物(腐植酸高吸水树脂、腐植酸土壤改良剂)
—黄腐酸类肥料(黄腐酸抗旱剂、黄腐酸营养液肥、黄腐酸颗粒复合肥)
—长效腐植酸单质肥(长效腐植酸尿素、长效腐植酸磷肥)
—腐植酸有机无机复合肥(各种专用肥)
腐植酸生物肥按施用方式的不同，腐植酸肥料又可分为以下几类：
—浸种、蘸根用肥(腐植酸钠、腐植酸钾、黄腐酸抗旱剂)
—叶面喷洒或根部冲施肥(腐植酸钠、腐植酸钾、黄腐酸抗旱剂、黄腐酸营养液肥、腐植酸液肥)
—大田用基肥或追肥(腐植酸盐、腐植酸衍生物、长效腐植酸单质肥、腐植酸有机无机复合肥、腐植酸生物肥)
—改土肥田用肥(腐植酸高吸水树脂、腐植酸土壤改良剂)
2.2腐植酸肥料的特性
腐植酸由土壤中有机物分解而得，是构成土壤腐殖质的主要成分，由于腐植酸的结构及组成的特殊性，因此其本身并不是作为肥料使用，更多的是植物生长刺激素、土壤调节剂和改进剂。具体性能如下：
2.2.1生理活性
—含有植物生长所需的多种营养元素、多种氨基酸及生理活性强的多种生物活性基团，刺激植物生长。
—用于作物叶面喷洒，能有效控制叶片气孔的开张度，减少水分蒸腾，并促进根系生长，提高根系活力，对抵御季节性干旱和干热风有十分显著的效果。
—能提高植株体内多种酶的活性和叶绿素含量，提高作物产量，改善作物品质。
—增强作物抗逆性能，并促使作物提早成熟。
—增加根的生长和呼吸作用，增强根的渗透性，通过叶面和根部促进营养吸收。
—改善农药的功效，降低农药毒性。
2.2.2对化肥的增效作用
—与氮肥有机结合，减少氮肥损失以及由此造成的氨污染，提高氮肥利用率，抑制硝化。长效腐植酸尿素可使尿素氮利用率提高10个百分点，作物增产巧%以上，硝化抑制率达30%以上。
—具有活化磷的作用，可使难溶性磷转化为拘溶性磷，使水溶性磷也转化为不易被固定的构溶性磷，从而极大提高磷肥的当季利用率。
—具有活化钾肥的功效。
2.2.3改良土壤
—改善土壤团粒结构，提高土壤阳离子交换能力，调节土壤pH值，提高土壤保墒能力。
—腐植酸还有助于保留水使其溶解根部周围的无机肥料并在植物需要时使养分释放出来。
—腐植酸同时还影响土壤微生物区系，刺激土壤酶的活性及有益微生物的繁殖。
3 腐植酸在绿色、有机农业中的应用前景
由于腐植酸所具有的各种特性，如天然生理活性、对化肥及农药的增效性、改土肥田等，所以其绿色环保效应已被应用到绿色农业及有机农业实践中。
3.1 腐植酸具有改良土壤的作用
腐植酸是一种良好的土壤改良剂。腐植酸是大分子材料，不仅具有巨大的表面积，而且带有大量的电荷，是土壤颗粒团聚最理想的胶结物质。它能够改良土壤结构，增加多级团聚体数量及质量，由于良好的土壤结构式土壤肥力的基础，多级团聚体是肥沃土壤的重要标志，也就是说其间接增加了土壤的肥力。腐植酸对土壤中多种微生物和酶都有激活作用。这是由于腐植酸系高分子有机化合物，气容量大，能提供充足的碳氮元素给土壤微生物，从而促进微生物代谢及生长发育，增强微生物活性；同时腐植酸还能促进土壤团粒结构的形成，降低土壤容重，提高阳离子代换量，缓冲酸碱度，从而提高了土壤保水、保肥、保温和通气能力，最终改良了土壤结构，培肥了地力。
3.2 腐植酸作为肥料增效剂
　目前我国氮肥利用率约为20% ～50%；磷肥利用率10% ～20%；钾肥利用率50% ～70% ，如何提高化肥利用率，已经成为全世界非常重视的研究课题。腐植酸中的少量N、P、K、S及微量元素具有一定的营养功能。腐植酸可作为碳源物质而被微生物利用，释放出养分，可以作为微生物生存所需的有效食物等。另外，腐植酸是比较弱的有机酸，不仅对酸碱具有很强的缓冲能力，而且酸根解离时所产生的大量的电荷能够吸附、络合、螯合养分离子，一方面可减少养分离子如一些微量营养元素被土壤矿物质胶体吸附固定，另一方面可避免养分离子随水流失，同时在适当条件下还可以保持养分离子处于水溶性状态，以便于植物吸收利用。腐植酸还具有很强的络合与螯合能力，能够与金属离子结合，对其生物有效性产生显著的影响，最显著的事例是腐植酸借助与Fe、Al、Ca离子结合，从而提高土壤磷素有效性。腐植酸还可刺激植物根系生长，提高根系吸收利用土壤养分的能力。因此，腐植酸尽管不是有机肥料，但可作为N、P、K以及生物肥料的增效剂，改善肥料物理性状，提高其稳定性和有效性。
以泥炭、褐煤、风化煤为原料，填加氮、磷、钾及微量元素制成的腐殖酸类肥料，可以不同程度地提高化肥利用率，这个结果已被国内外大量研究报告所证实。其中在农业应用中较稳定、质量较好的腐肥主要有硝基腐植酸铵、腐植酸铵、高氮腐肥、腐植酸复合肥等。如以尿素和碳铵为代表的氮素肥，挥发性强，一般利用率较低，而和腐植酸混合制成腐植酸类肥料后，可提高其吸收利用率20% ～40%。在泥炭、褐煤、风化煤中添加碳铵制成的腐铵，可使碳铵在6天中氮素挥发率从13.1%降为2.04%。在农田试验中碳铵肥效维持20多天，腐铵可达60多天。在尿素中添加硝基腐植酸，可以生成腐植酸尿素络合物，使尿素分解减缓，肥效延长，损失降低，使尿素的增产效果相对提高30% ，肥效增加15%以上。氮肥利用率测定结果，添加腐植酸后利用率从30.1%提高到34.1% 。由此可见腐植酸在绿色农业中的广阔前景。
3.3 腐植酸作为农药及农药增效剂
腐植酸类物质具有很好的抑菌、防病、抗病作用，可以通过影响作物的代谢，促进光合作用及物质的合成、运送和积累，增强作物抗病虫害的能力。有时“预防比治疗还要重要”。腐植酸的这一特性，在某些情况下可直接作为农药使用，但这个农药概念并不是传统的农药概念，应该将这类腐植酸农药生动地比喻为农作物的病虫害“疫苗”。 腐殖类肥料含有高效生物活性物质，对作物生长发育及体内生理代谢有刺激作用，这种特性是一般肥料所不具备的。有文献曾把腐植酸类肥料称为“呼吸肥料”、“根系肥料”等。大量研究试验表明，采用腐植酸类肥料按一定浓度浸种、浸根、喷洒、浇灌、做底肥等方式，对各种作物都有明显的刺激效果。利用腐植酸类肥料促进种子发芽，出苗率提高10% ~30%；利用它蘸根、浸根，已成为扦插或移栽中提高成活率的一项农业技术措施；施用腐植酸类肥料，作物普遍生长旺盛，产量提高，品质良好。施用腐植酸类肥料还可有效提高作物的抗旱、抗寒性能，有效防治地下病虫害和植物病害及病菌。
黄腐酸防治猕猴桃黄化病的功能和机理研究表明，黄腐酸能抑制病菌生长。腐植酸防治苹果轮纹病的试验表明，腐植酸中的活性物质能刺激果树改变生理生化指标，提高果树自身营养调控能力和对环境的适应能力，增强酶活性(SOD)，改善新陈代谢过程，致使果树内固有抗菌物质酚酸成分明显增加，提高了果树的抗病性，有效地控制了轮纹病的发病率。
生物农药作为有机农业可以应用的农药，现在越发地受到人们的关注。生物农药种类颇多，主要有苏云金芽孢杆菌杀虫剂、农用抗生素杀虫剂、农用抗生素杀菌剂和昆虫杆状病毒杀虫剂等。当腐植酸与微生物农药(活菌制剂)结合后，因为腐植酸是高分子有机化合物，结构疏松，不仅给微生物提供大量的C、N元素，而且可以改善微生物的生活环境，促进微生物生长繁殖，提高微生物的活性。微生物农药中的有益微生物对腐植酸成分有进一步的降解和合成作用，形成更有利于植物吸收和植物生长的物质，提高腐植酸的作用效果。腐植酸与生物农药结合已经成为开发新型高效环保农药的新途径，但是目前对其二者结合机理的研究很少，在以后的研究当中，应该在腐植酸与生物农药的最佳结合方式，使用后生物农药在植物体表及体内的定居、存活和数量消长，以及影响作用效果的其他制约因素等方面进行深入的研究。
3.4 腐植酸作为植物生长抗逆剂
腐植酸还具有强大的吸持水分性质，可吸持超过其自身质量几十到几百倍的水分，对水分高效利用具有重要的作用。腐植酸类物质能以螯合剂的形式，与对气孔开闭和保卫细胞运动起重要作用的K+螯合，缩小气孔开张度，降低蒸腾作用，因此可以作为植物抗旱剂。我国在黄腐酸抗旱剂的研究和应用上已居国际先进行列。研究表明，在干旱胁迫下，黄腐酸能明显降低烟草叶片的气孔导度和蒸腾速率，减少植物蒸散量，提高根系活力、叶片水势和净光合速率，增加根苗比，从而有效改善烟株水分状况，提高烤烟的抗旱性及其产量和品质。在油菜的开花期，用不同浓度的黄腐酸溶液喷洒油菜，可提高叶绿素含量，降低叶片电导率，提高叶片相对含水量，从而增强了油菜抗旱能力，并且油菜的抗旱能力随着黄腐酸浓度增加而提高，当浓度为200 mg/L时达最高。
喷施腐植酸类物质，还可以提高作物的抗寒性。小麦抗寒生理研究表明，植株可溶性糖、蔗糖含量和分布、营养器官中游离脯氨酸含量和细胞膜相对透性等与其抗寒性有密切关系。有实验从叶片细胞膜相对透性、叶片游离脯氨酸含量、可溶性糖和蔗糖含量3方面出发，证明了小麦冬前适期喷施黄腐酸可以提高抗寒性。
由于腐植酸具有上述特性，其绿色环保效应已被应用到有机农业实践中。近年来，日本、泰国、马来西亚等国家都采取政府行为，要求所有耕地必须加入腐植酸以改良土壤。腐植酸与黄腐酸所具有的抗旱、抗寒、抗病虫害等功能在中东、以色列等沙漠旱作地区也得到推广应用。德国在有机食品生产中，施用腐植酸以补充有机质，保持土壤肥力。
在国内，黄腐酸制剂已应用于抗旱节水，各类腐植酸专用肥也在大面积推广使用。尽管如此，腐植酸的各种特性还未得到最充分的发挥，还应加大其他腐植酸肥料技术的开发及在有机农业上的应用力度并加快产业化进程，如改土肥田、腐植酸生物肥料、高吸水剂以及农药增效剂等高新技术，以使腐植酸能最大限度地改善肥料及农药的性能，使这些对人类粮食安全保障做出巨大贡献的腐植酸类物质在有机农业中继续发挥其应有的作用。

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