腐植酸在現代農業綠色發展中的應用前景

楊雪貞 康鎖倩 孫志梅

河北農業大學資源與環境科學學院 保定 071001

在現代農業生產中，由于過度追求作物產出而過量增加農業投入，不僅增加了生產成本，降低了經濟效益，而且對環境造成了嚴重污染，甚至導致農產品食用安全度下降，嚴重影響人們的身體健康和生活質量，制約了現代農業的可持續發展。

腐植酸是動植物遺骸，主要是植物遺骸，經過微生物分解和轉化以及地球化學的一系列過程形成的，是一類在來源上和行為上有共同性的天然有機物質的總稱，是一種富含有醌基、羧基、酚羥基等活性官能團的大分子有機化合物的復雜混合物。大量研究表明，施用腐植酸類物質具有改良土壤理化性質、刺激作物生長發育、提高作物抗逆性和產量、改善作物品質等作用[1～4]。因此，腐植酸資源在農業領域的科學開發利用必將在實現高產、優質、高效現代化農業中發揮重要作用。

本文對現代農業發展中存在的主要問題，如肥料、農藥、地膜、農業水資源的現狀及環境效應等進行了分析，旨在明確實現農業綠色發展中的主要制約因素，并解析了腐植酸類物質在助推現代農業實現綠色發展中的可行性及應用前景。

1 現代農業發展中存在的主要問題

1.1 肥料施用、利用現狀及環境效應

1.1.1 化肥施用、利用現狀及環境效應

（1）化肥施用、利用現狀。

我國農業生產對化肥的依賴程度很高，從1980年起，我國化肥施用量以年均4%的速度增長，單位面積施肥量是世界平均水平的3 倍多，我國用占全球9%的土地消耗了占世界總量32%的化肥[5]。目前，每年的化肥施用量（折純）達4300 萬噸，居世界第一[6]。1980—2018 年的化肥施用量如圖1所示，可以看出，2015 年之前的化肥施用量基本呈現逐年上升的趨勢，2015 年以后隨著國家兩減政策的出臺和實施，全國化肥施用總量得到了有效控制。馮永軍等[7]研究表明，越冬栽培的芹菜施肥量已超過芹菜理論需求量的50%～70%。張彥才等[8]研究表明，河北大棚番茄的施氮量是推薦量的3.5 倍，最高達15.2 倍；施磷量是推薦量的10.3 倍，最高達39.9 倍；施鉀量是推薦量的1.2 倍，最高達7.0 倍。長期大量施用化肥不僅浪費資源，增加農業生產成本，還造成了一系列的環境污染問題，如溫室氣體CH4和N2O 的排放、地下水硝酸鹽含量超標、水體富營養化以及土壤理化性狀惡化等，嚴重影響了人們正常的生產和生活。

圖1 1980—2018 年化肥施用量變化圖（數據來源于《中國統計年鑒2019》[9]）Fig.1 Variation of fertilizer application amount from 1980 to 2018 (data from China Statistical Yearbook 2019[9])

（2）化肥施用的環境效應。

農業生產中施用的氮肥如尿素、碳酸氫銨等進入土壤后，若不能及時被作物吸收利用，特別是在施肥量大的情況下，部分氮將以氨氣的形式揮發損失到大氣中，部分氮則將通過硝化作用和反硝化作用以氮氧化物和N2的形式揮發進入大氣，造成大氣的污染；或隨水發生淋溶損失和徑流損失，使水體質量變壞[10]。研究表明，我國農田氨揮發損失的氮量可占到氮肥施用總量的10%以上，農業源氨排放量占氨總排放量的90%左右，其中種植和牲畜養殖業排放大約各占一半[11]。

化肥施用量增加對土壤產生的不良影響，主要表現在土壤重金屬含量的增加及硝酸鹽含量的積累，改變了土壤的理化性狀，降低了土壤肥力和再生產能力，最終導致追施化肥的惡性循環[12]。據調查，由于長年重用地輕養地，華北平原土壤有機質的含量已降到1%左右，全氮含量不到0.1%；東北三江平原土壤有機質的含量從10%～11.5%下降到3%～5%[13]。由于肥料投入量大和管理不當等原因，土壤出現不同程度的次生鹽漬化，嚴重影響了作物的產量和品質。中國鹽漬土總面積約3600 萬公頃，占全國可利用土地面積的4.88%。耕地中鹽漬化面積達到920.9 萬公頃，占全國耕地面積6.62%[14]。有研究顯示，大棚菜地土壤全鹽含量平均值為3.38±0.22 g/kg，有69.84%超過安全水平，其中51.59%為輕度鹽土，10.32%為中度鹽土，5.56%為重度鹽土，甚至局部地區存在次生鹽漬化和重金屬雙重污染的威脅[15]。

化肥的不合理施用還會使過量的營養元素隨地表徑流進入水體，使水中的營養物質增加，導致水生生物大量繁殖、水中溶解氧降低、水質惡化，甚至引起魚類大量死亡。從全國情況來看，化肥氮素的平均損失率約為45%，溶入水體中的氮素約有60%來自化肥[16]。對京、津、唐地區69 個觀測點的地下水調查表明，半數以上觀測點地下水硝態氮含量超標，高者達67.7 mg/kg。北京市郊菜田因施用氮肥過多，地下水硝態氮含量已達61.6 ～124.0 mg/kg[17]。

過量施用化肥，不但造成養分資源的損失，而且還對植物的新陳代謝產生不利影響。氮肥過量施用可能造成植物體內硝酸鹽的過量累積，其結果雖然一般不會使植物直接受害，但動物和人食用含有硝酸鹽的食物后，會在體內轉化為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽與胺類結合會形成強致癌物質，其生物毒性比硝酸鹽大5 ～10 倍[18]。

1.1.2 有機肥施用、利用現狀及環境效應

（1）有機肥施用、利用現狀。

20 世紀中期以來，隨著化肥工業的迅速發展，有“衛生肥”之稱的化肥在農業生產中被大量施用，而費工費時又費力的“臟、亂、臭”的有機肥施用量逐漸減少，導致土壤肥力和農產品品質下降，施肥效益遞減。隨著市場經濟的發展和人們對綠色食品需求的不斷提高，對農產品品質也有了更高的要求。因此，有機肥的施用引起了人們的廣泛關注[19]?？梢宰鳛橛袡C肥原料的種類很多，如畜禽糞尿、作物殘體、綠肥、餅粕、草木灰、污泥、生活垃圾、污水等。郭全忠[20]研究發現，安康市大棚蔬菜有機肥的施用量在6 ～28 t/hm2，平均為20 t/hm2。張學軍等[21]報道，甘肅蘭州安寧區設施蔬菜年有機肥施用量高達14.08 t/hm2，寧夏設施蔬菜一般年有機肥施用量達7.5 t/hm2。有機肥的大量施用，一定程度上提高了土壤有機質含量，起到了培肥地力的作用，但不科學施用同樣也會帶來較大的環境污染風險。

（2）有機肥施用的環境效應。

現如今，無論是以農業廢棄物為原料，還是工業廢棄物、生活垃圾等為原料生產的有機肥，如果沒有得到科學堆制和發酵腐熟，都可能會對農業生產和人類賴以生存的環境產生一定的負面影響。如畜禽糞便、作物秸稈等有機廢棄物由于可能含有較多的病菌、蟲卵、草籽等，未經嚴格處理會加重農作物病、蟲、草害；以城市污泥、生活垃圾等為原料的有機肥，以規模養殖場的畜禽糞便為原料制成的廄肥等，可能含有較高的重金屬和鹽分，長期大量施用以此為原料的有機肥則會造成土壤重金屬污染、鹽分累積和作物重金屬含量超標等問題；由于藥物具有生物效應，動物用藥以后，藥物以原形或代謝物的形式隨糞尿等排出，以此為基礎生產的有機肥便會存在藥物的毒副作用。施用未腐熟的有機肥如作物秸稈、新鮮綠肥等，還會促進農田CH4、N2O 等溫室氣體的排放[22，23]。樊羿等[24]研究表明，一個年產10.8 萬頭豬的養豬場，每小時可向大氣排放15 億個菌體、159 kg 氨、14.5 kg 硫化氫、25.9 kg 飼料粉塵，并與水、塵埃相結合懸浮在空氣中，形成氣溶膠而隨風飄散，大氣污染半徑可達4.5 ～5.0 km。在太湖流域氮素對水體面源污染的貢獻率中，人與畜禽的排泄物和生物廢棄物貢獻率占到了82.39%，由農田徑流和淋失的貢獻率雖然僅占到了7.46%，但其中約80%來自有機肥的礦化[25]。郝慧娟等[26]對抽檢的54 個商品有機肥中Pb、Cd、Cr、As、Hg、Cu、Zn、Ni含量的分析發現，Cu、Zn 含量超標的樣品數較多，其次是As、Hg 、Cd 和Cr。不同原料生產的有機肥中重金屬含量最高的原材料是工業污泥，其次是畜禽糞便、餅粕、作物秸稈。長期施用含有重金屬的糞肥，由于累積效應，也必然會給農田生態環境健康帶來安全隱患。

1.2 農藥施用、利用現狀及環境效應

（1）農藥施用、利用現狀。

為防治植物病蟲害，全球每年農藥噴施量高達560 多萬噸。我國每年的農藥使用面積2.8 億公頃以上，施用量達50 ～60 萬噸，但其中約80%的農藥直接進入了環境[27]。據統計，中國在2006 年的農藥總產量為129.6 萬噸（100%有效成分），其中殺蟲劑、殺菌劑和除草劑產量各為50.5、11.2和38.7 萬噸，分別占總消費量的39.0%、8.6%和30.0%[28]。根據聯合國糧食與農業組織（FAO）的統計，2014 年我國農藥用量達到峰值，使用量達180.7 萬噸，約占世界總用量的1/2，使用強度約為美國2012 年水平的3.4 倍[29]。

（2）農藥施用的環境效應。

當前種植業使用的農藥面積廣、數量多，因此成為大氣中農藥污染的主要來源。進入大氣的農藥或被大氣飄塵吸附，或以氣體、氣溶膠的形式懸浮在空氣中，隨著氣流的運動使大氣污染的范圍不斷擴大。進入土壤的農藥被粘土礦物或有機質吸附，其中有機質吸附的農藥約占土壤總吸附量的70%～90%，成為導致土壤酸化、有機質含量下降、土壤微生物種群失衡等土壤質量惡化的重要因素[30，31]。研究顯示，目前我國地表水中農藥殘留狀況表現為單一農藥殘留濃度較低，但殘留農藥品種多、檢出頻率高，部分水體中復合存在的殘留農藥已對水生生態系統產生危害。農藥在地下水中的殘留狀況也不容樂觀，河北省盧龍縣100 個地下水樣品中涕滅威及其代謝物涕滅威砜、甲拌磷和特丁硫磷的檢出率分別達到12%、11%和4%[32]。浙江省青田縣近1 萬個蔬菜樣品中樂斯本、毒死蜱、敵敵畏等有機磷農藥的超標率達到了7.8%[33]。

1.3 地膜施用、利用現狀及環境效應

（1）地膜施用、利用現狀。

目前，我國地膜產量和覆蓋面積均居世界首位，地膜已經成為繼化肥和農藥后的第三大農業生產資料。但地膜屬高分子化合物，殘留在土壤中的地膜很難降解。研究表明，地膜在土壤中完全分解，大約需要一兩百年時間，殘留地膜對土壤結構、耕地質量和生態環境都會造成很大危害，影響農業的可持續發展。歐陽春華等[34]研究表明，2011—2014 年，新疆博樂市平均地膜殘留量為343.35 kg/hm2，最高殘留量達496.95 kg/hm2，殘留率達81.65%。張恒等[35]研究表明，1997—2015 年間黃淮海地區地膜使用量總體呈增長態勢，從1997 年的43.17 萬噸增長到2015 年的83.37 萬噸，年增長量為負值的年份僅有3 年（2008 年、2014 年和2015 年），如果按照目前地膜回收率60%計算，黃淮海地區地膜殘留量從1997 年的17.27 萬噸上升到2015 年的33.35 萬噸，地膜年殘留量增長接近一倍，而且地膜殘留量會年復一年的不斷累積。

塑料在給人類生活帶來便利的同時，也給環境帶來嚴重污染，當前海洋微塑料問題十分突出。有統計顯示，海洋中塑料碎片有75%～90%來自陸地，只有10%～25%直接來自海洋[36]。2017 年，在包括美國、歐洲和非洲等國家和地區的126 個飲用水樣品中檢出了不同材質的微塑料（纖維）[37]。海洋微塑料不僅危害海洋生物的生命安全，還通過食物鏈直接威脅到人類的健康。

（2）地膜施用的環境效應。

地膜回收率低導致大量廢舊薄膜長期存在于農田土壤中難以降解，容易造成“白色污染”，是農田土壤中微塑料的一個重要來源[38]。研究表明，微塑料具有不同的形狀，例如纖維狀、碎片狀和球狀顆粒等，尺寸較小，疏水性強，性質相對穩定，可長期存在于環境中。作為海洋微塑料的主要來源，土壤中的微塑料污染問題越來越受到關注，已被列為環境與生態領域的第二大科學問題[39]。Arkatkar等[40]研究表明，聚丙烯塑料在土壤培養1 年后，重量損失僅為0.4%?？梢?，塑料在土壤中的降解效率低，殘留時間長。Gaylor 等[41]以蚯蚓為研究對象，發現微塑料中的化學物質可以進入土壤并在土壤生物中富集，同時土壤生物可以將積聚的化學物質轉化，進一步對土壤環境造成污染。微塑料本身也可能含有聚合物單體、塑化劑、阻燃劑等有毒物質，隨徑流或淋溶進入水體后將這些污染物逐漸釋放出來，吸附各種化學物質后可形成復合污染物，這類污染物重量大，可通過重力作用沉降到底泥中，對水體產生持久性的污染[42]。此外，土壤中較多的殘留地膜還會影響種子的發芽率和出苗率，直接影響農業生產水平。

1.4 農業水資源現狀及環境效應

（1）農業水資源現狀。

水資源是指可以利用或有可能會被利用的水源，可以用的水源必須具有足夠的數量和較高的質量，并且必須是可以得到定期更新補充、可持續利用的[43]。中國水資源總量約2.8 萬億立方米，居世界第六位，但人均占有量少，在世界排第122 位，屬于缺水國家[44]。當前，我國的農業生產以家庭為單位，農民為了追求自己的利益最大化，生產中缺乏節水意識，不僅造成了水資源的浪費，也降低了水資源的利用效率。而且，我國地域遼闊，水資源空間分布不均衡，間接導致了區域利用數量上的差異。隨著農業科技的不斷進步，農藥化肥等工業用品使用量呈現上升趨勢，農業水資源的水質污染也隨著農藥化肥施用量的增加日益嚴重。金巍等[45]研究表明，2015 年中國30 個省份農業用水量均存在不同程度的增減，北京、上海、浙江、河北等17 個省份的農業用水量出現不同幅度的下降趨勢，北京降幅最大，達61.19%；其他省份農業用水量則出現不同幅度的上升趨勢，其中黑龍江增幅最大，達68.39%?？梢?，中國農業用水量總體呈上升趨勢，且地區間差異顯著增強。2013 年，水利部對我國主要河流、湖泊與水庫水質進行了評價，結果顯示我國主要農業水資源水質的整體質量不容樂觀[46]。提高農業用水效率成為建設中國節水型社會和保障糧食安全的關鍵[47]。

（2）農業水資源的環境效應。

農業水資源的不合理利用造成了很多問題，典型的就是地下水漏斗區的出現。以河北省為例，河北省是我國資源型缺水省份之一，人均水資源量僅為全國的1/7。作為一個農業大省，很長一段時間內，部分糧食主產區都依賴過度抽取地下水支撐糧食生產，全省80%以上農田是井灌區。多年超采地下水，讓河北省付出了巨大的生態代價，華北平原出現了世界上最大的地下水漏斗區，其中河北省又是全國最大的地下水漏斗區，并且地下水水質在不斷惡化[48]。除此之外，還存在污水灌溉問題，2006 年環保部門公布的數據顯示，污水灌溉污染的耕地面積達到216.7 萬公頃。通過對河北省石家莊污灌區小麥、玉米籽粒進行重金屬含量分析，發現污灌區農作物均出現一定程度的重金屬積累，并有不同程度的超標，其中小麥Cr的最高超標率達42.4%，玉米Pb 的最高超標率為33.3%[49]。

2 腐植酸在現代農業綠色發展中的應用前景

2.1 在提高化肥利用率、緩解肥料污染方面的應用前景

眾所周知，腐植酸是非均一性的、沒有固定的化學構型，是在隨成煤植物分布和地質變遷而改變著的以芳香核為基礎的有機聚集體，是一類褐色或黑色的無定形高分子膠態聚合物，是土壤有機質的主要組成成分。但在當前土壤有機質含量普遍較低的情況下，外源腐植酸類物質的施用可以為微生物提供有效碳源，也能夠增加微生物細胞膜透性，促進其有效利用土壤中的營養物質，增強微生物細胞內部的生理活動和生化反應，從而刺激土壤微生物的生長增殖和代謝。而微生物數量和活性的增加，則可以間接起到培肥地力，促進土壤團粒結構的形成和植物生長的作用[50，51]。

腐植酸能明顯提高化肥利用率、作物抗逆能力，促進作物的正常生長。大量研究表明，利用腐植酸與化肥減量配施能夠起到改良土壤，增加作物產量與品質的作用，而且能使化肥施用量減少10%～30%[52]。趙滿興等[53]研究發現，化肥減量配施腐植酸肥能夠顯著增加土壤中有機質的質量分數，而且相對于常規施用化肥而言，化肥減量配施腐植酸肥或生物有機肥顯著增加了紅棗的Vc、蛋白質、黃酮、還原糖和總可溶性糖含量。中國農業科學院研究了腐植酸尿素對氮肥的增效減量效應，結果表明，在等肥料量施用條件下，當腐植酸尿素施用量較普通尿素減少20%時，小麥的籽粒產量仍顯著高于普通尿素處理，玉米的籽粒產量與普通尿素處理相當；在等氮量條件下，與普通尿素相比，施用腐植酸尿素后小麥和玉米籽粒產量分別提高9.71%～16.76%和6.32%～17.32%[54]。

2.2 在提高農藥藥效、緩解農藥污染方面的應用前景

腐植酸可以提高農藥利用率。一方面，腐植酸可提高農藥的溶解能力和植物細胞膜透性，從而加速藥劑在植物體內的傳導，提高藥效；另一方面，腐植酸可通過自身具有類似激素的作用或者通過官能團激活農藥活性基團，進一步激活植物體內多種酶，促進植物體對藥劑的吸收、傳導等來增效農藥。近些年，越來越多的綠色農藥增效劑應用到農業生產中，如植物油、生物堿、萜烯、茶皂素、腐植酸等。腐植酸類物質在結構單元組成上包含大量的活性基團，如羧基、羰基、醇羥基、醌基、酚羥基等，這些活性基團使得腐植酸-農藥復配體系在殺菌、殺蟲等過程中發揮了重要的作用[55～57]。研究發現，腐植酸類物質可作為甲基托布津、多菌靈、殺蟲脒等農藥的增效劑[58]。金平等[59]用1%氫氧化鈉提取泥炭的腐植酸，將其與克露復配噴施黃瓜葉片，從生理機制上證明了腐植酸對克露的增效作用。魏世平等[60]研究表明，腐植酸對低濃度百菌清存在顯著的緩釋增效作用。而且，腐植酸不僅可以增加部分農藥的緩釋性，還可以加速部分農藥的速效性，降低農藥毒性與殘留量。有研究表明，腐植酸可延長農藥甲胺磷、久效磷、嘧磺隆、草甘膦的藥效5 ～15 天[61]，不同程度地降低草甘膦、乙草胺、三唑磷3 種藥劑的殘留量[62]。何秀院等[63]通過田間試驗發現，腐植酸銨與除草劑草甘膦配伍，可提高除草劑藥效10%～15%，藥效進程提前2 ～5 天。

2.3 在替代不可降解地膜方面的應用前景

近些年，腐植酸地膜已經應用到了農業生產中，腐植酸可降解黑色液態地膜不僅有塑料地膜的吸熱、增溫保墑、保苗作用，還有較強的黏附能力，可將土粒聯結成理想的團聚體。腐植酸液態地膜主要以腐植酸和植物秸稈等有機生物質為主要原料，對造紙黑液、海藻廢液、糖蜜廢液、釀酒廢液或淀粉廢液進行改性，腐植酸、木質素、纖維素和多糖在交聯劑的作用下形成高分子，與各種添加劑、硅肥、微量元素、農藥和除草劑混合制取[64]。田原宇等[65]的研究發現，應用腐植酸降解黑色液態地膜后，可提高地溫1 ～4 ℃，蒸發抑制率達30%以上，土壤含水量提高20%以上，土壤容重降低6%～10%，作物生育期提前3 ～10 天，作物增產20%以上。喬英云等[66]的研究結果表明，與不用地膜相比，噴施腐植酸液態地膜后可使作物抗旱、增溫、早熟、增產，而且在2 ～3 個月內可降解為腐植酸類物質，不會產生任何污染。但腐植酸地膜當前還存在一定的局限性，其開發利用技術還有待進一步研究探索。

2.4 在提高水資源利用效率、應對干旱氣候方面的應用前景

土壤保水劑的應用是解決我國農業干旱缺水的主要途徑之一。土壤保水劑號稱植物“微型水庫”，是一種獨具三維網狀結構的有機高分子聚合物。在土壤中能將雨水或灌溉水迅速吸收并緩慢釋放，以保證根際水分充足。腐植酸是一種吸水與蓄水極強的膠體物質，粘土顆粒吸水率一般為50%～60%，而腐植酸類物質吸水率可達350%～600%，是粘土顆粒吸水率的7 ～10 倍[67]。此外，腐植酸通過刺激作物根系生長增加作物根長、根量和根系活力等，間接促進作物對土壤深層水分的吸收利用，從而增強作物的抗旱能力。鄒德乙等[68]研究發現，施腐植酸水稻育秧劑后，水稻根長比等養分量的常規育秧劑增加1.47%～6.63%，根鮮重增加12.36%～47.19%，根干重增加25.0%～37.5%，根系活躍吸收面積增加0.44%～74.69%。李淑琴等[69]研究表明，腐植酸保水劑能有效促進植物生長，提高植物水分利用效率，特別是在高水分條件下，與對照相比，腐植酸保水劑處理的玉米生物量和葉面積提高36%和24.8%。薛世川等[70]研究發現，土培條件下腐植酸復合肥比等養分量化肥能更顯著提高小麥體內超氧化物歧化酶活性與脯氨酸含量，降低質膜透性，有效提高小麥抗旱與防衰能力，增加干物質量累積。此外，腐植酸的施用還可以通過調節氣孔的開閉，降低葉片氣孔導度，從而降低作物的水分蒸騰損耗，提高水分利用效率，進而增強作物抗干旱能力。項國棟等[71]研究表明，適宜濃度的腐植酸噴施甘藍可以使產量顯著提高16.0%，原因就是噴施腐植酸葉面肥提高了甘藍的抗旱性。

3 小結

綜上所述，現代農業生產中存在肥料、農藥、地膜過量使用及農業水資源短缺的問題，制約了農業的可持續發展。在扎實推進“碧水、藍天、凈土保衛戰”的大背景下，實現農業綠色發展已成為未來農業發展的大趨勢。而在助推農業綠色發展的過程中，如何充分發揮土壤本源性物質腐植酸的重要作用，加快構建腐植酸農業綠色發展模式，加強腐植酸類資源的高效開發利用和相關機理研究，仍是今后應該關注的重點。