佘 歡 吳雨函

（1.四川大學(xué)錦城學(xué)院 四川成都 611731；2.四川黑璞生物科技有限公司 四川攀枝花 617000）

從化學(xué)結(jié)構(gòu)的角度分析，腐植酸是以芳香族為基礎(chǔ)組合形成的高分子混合物，是一種有機(jī)弱酸。從化學(xué)特性的角度分析，其具有良好的生物活性，能夠同其他多種類型的物質(zhì)發(fā)生絡(luò)合、交換等反應(yīng)。天然生成的各種腐植酸主要分布在土壤中，相關(guān)的研究表明，腐植酸是土壤有機(jī)質(zhì)的主要組成部分之一，其在土壤中的平均含量小于1%[1]。在咸水和淡水中也存在大量的腐植酸，但是其平均濃度更低。在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)用的腐植酸是熱值較低的煤炭類腐植酸，廣泛分布于泥炭、褐煤以及風(fēng)化煤之中，這些是工業(yè)生產(chǎn)過程中提取腐植酸的主要來源。現(xiàn)階段相關(guān)部門發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，我國已經(jīng)探明的資源儲(chǔ)量：泥炭的儲(chǔ)量為50 億噸，褐煤的儲(chǔ)量為1 265 億噸，風(fēng)化煤的儲(chǔ)量為1 000 多億噸。

腐植酸這一特殊的高分子混合物中包含了超過20 種官能團(tuán)，因此其能夠?qū)崿F(xiàn)多種類型的化學(xué)反應(yīng)，在實(shí)踐過程中具備多種用途。20世紀(jì)80年代，我國相關(guān)科學(xué)技術(shù)人員開始深入研究腐植酸在農(nóng)業(yè)種植過程中所發(fā)揮的積極作用并取得了一系列豐碩的成果。本文分析總結(jié)了過去一個(gè)時(shí)間段內(nèi)與腐植酸相關(guān)的研究成果，進(jìn)一步概括綜述了腐植酸在土壤改良過程中所發(fā)揮的積極作用，為腐植酸在農(nóng)業(yè)種植和環(huán)保方面的進(jìn)一步應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。

1 腐植酸保水劑應(yīng)用

1.1 基本應(yīng)用原理

土壤保水劑在實(shí)踐過程中能夠發(fā)揮保水作用的根本原因，是自身特殊的分子結(jié)構(gòu)。土壤保水劑通常是具有獨(dú)特三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠吸收大量的雨水和灌溉水，并在此后的一段時(shí)間內(nèi)逐步將水資源釋放出來，進(jìn)而保證植物獲得充足的水資源。相關(guān)的研究結(jié)果表明，保水劑在土壤之中應(yīng)用時(shí)主要能夠發(fā)揮四個(gè)方面的作用。

（1）自身能在水資源較為豐富的環(huán)境中大量吸水，并在環(huán)境中水資源減少時(shí)不斷釋放水資源。

（2）提升土壤的水土保持能力。

（3）提高植物對(duì)肥料的利用率。

（4）能夠?qū)Ω鞣N植物的水資源利用產(chǎn)生一定的調(diào)節(jié)作用[2]。

從物理化學(xué)層面對(duì)腐植酸進(jìn)行分析，其是一種膠體，微觀結(jié)構(gòu)為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)中包含大量的親水基團(tuán)，能夠有效地與水分子形成氫鍵，并在這一過程中吸收大量的水分。依據(jù)相關(guān)科學(xué)研究，腐植酸的平均吸水率可達(dá)到500%，是土壤顆粒吸水性能的10 倍。腐植酸在大量吸水之后自身結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗z，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水分子的有效固定，避免了水分子在較短的時(shí)間內(nèi)快速流失，有效地降低了水分的蒸發(fā)速率，表現(xiàn)出了較為優(yōu)異的保水效果。腐植酸類保水劑的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)的吸水效果，即其在吸水、釋水、干燥之后能夠再次實(shí)現(xiàn)吸水。相關(guān)研究人員對(duì)腐植酸的吸水效果進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，其有效吸水倍率為615 倍，綜合保水效果隨著使用次數(shù)的增加而下降，在重復(fù)使用5 次后保水效果降為原來的68%。

1.2 腐植酸混合作用

近年來，隨著對(duì)腐植酸及相關(guān)產(chǎn)物的研究不斷深入，相關(guān)研究結(jié)果表明，將該類物質(zhì)引入到保水劑中能夠有效發(fā)揮以下三個(gè)方面的作用。

（1）顯著降低保水劑的制造成本。

（2）對(duì)保水劑的耐鹽和吸水性能有較好的改善作用。

（3）能夠有效刺激農(nóng)作物的生長[3]。

有研究采用以褐煤為原料制備的腐植酸，通過相關(guān)的工藝制備保水劑，對(duì)其成品進(jìn)行相關(guān)測試發(fā)現(xiàn)，保水劑具有良好的吸水效果，且隨著保水劑中腐植酸濃度的增大，保水劑的綜合性能得到了有效的提升。腐植酸的使用還顯著改善了保水劑的耐鹽性能。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)證實(shí)，腐植酸的使用能夠增強(qiáng)植物對(duì)光和水分子的利用率。在水分較為充足的環(huán)境中，腐植酸刺激農(nóng)作物生長的作用更為明顯。

2 腐植酸液態(tài)地膜應(yīng)用

地膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著較為廣泛的應(yīng)用，能夠發(fā)揮保溫、防凍、保水等多個(gè)方面的作用，對(duì)農(nóng)作物的增收有著非常重要的作用?，F(xiàn)階段，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用的地膜通常為聚乙烯地膜，其在使用過程中存在回收利用困難、容易造成白色污染等問題。腐植酸技術(shù)的快速發(fā)展為破解地膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所形成的困局創(chuàng)造了全新的途徑。借助褐煤、釀酒廢液、淀粉廢液等原材料，結(jié)合各種類型的木質(zhì)素和微量元素，能制備可降解液態(tài)地膜。相關(guān)的實(shí)踐研究結(jié)果表明，液態(tài)地膜在應(yīng)用過程中能夠顯著提升地面溫度，抑制水分蒸發(fā)。與不使用地膜相比較，液態(tài)地膜的應(yīng)用產(chǎn)生了增產(chǎn)、抗旱以及催熟的效果，并且不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問題。液態(tài)地膜已經(jīng)成為未來一段時(shí)間我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展過程中重點(diǎn)應(yīng)用的技術(shù)之一。

3 腐植酸在鹽堿地中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用范圍

目前我國西北、華北以及東北地區(qū)分布有大量的鹽堿地，根據(jù)鹽堿地的pH值，可以將其劃分為輕度、中度以及重度鹽堿地。鹽堿地由于土壤的含鹽量過高，植物無法有效吸收土壤中的水分，或者是土壤中某一種離子的濃度遠(yuǎn)大于其他離子的濃度，使得植物無法正常吸收其他離子，對(duì)植物的正常生長造成了較大的損害。消除鹽堿地中的過量離子是改善鹽堿地的有效方式，得益于腐植酸自身特殊的物質(zhì)構(gòu)成和結(jié)構(gòu)，其是用于鹽堿地改良的優(yōu)良改良劑。

3.2 應(yīng)用原理

腐植酸是一種帶負(fù)電的膠體物質(zhì)，其在與土壤作用的過程中能夠同土壤中的陽離子相結(jié)合，進(jìn)而有效地發(fā)揮隔鹽和吸鹽的作用，降低土壤中各種鹽分的含量。腐植酸是一種弱酸，能夠與土壤中的陽離子發(fā)生反應(yīng)進(jìn)而轉(zhuǎn)化成腐植酸鹽，其能夠發(fā)揮較好的緩沖作用，有效地調(diào)節(jié)土壤的酸堿度。相關(guān)研究結(jié)果顯示，腐植酸對(duì)各種類型的礦物質(zhì)的交換能力是土壤的5 倍以上。腐植酸良好的保水效果能夠有效降低鹽堿地的水分蒸發(fā)和流失速率，對(duì)于提升農(nóng)作物產(chǎn)量發(fā)揮了非常重要的作用。相關(guān)學(xué)者的專業(yè)研究數(shù)據(jù)表明，腐植酸在鹽堿地中的應(yīng)用能夠有效降低土壤中鈉離子的含量，提升農(nóng)作物的成活率。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，通常將腐植酸和脫硫石膏結(jié)合制作專用的改良劑，其能夠有效調(diào)節(jié)土壤的酸堿度。腐植酸為一種有機(jī)物質(zhì)，其在土壤中的應(yīng)用還能夠強(qiáng)化土壤的有機(jī)活性，提升土壤中各種微生物的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的有效改良。

4 腐植酸在重金屬污染土壤中的應(yīng)用

4.1 重金屬污染

重金屬污染是人類在社會(huì)生產(chǎn)過程中將含有重金屬的各種物質(zhì)輸入到土壤中，日積月累造成了某一地區(qū)土壤中的重金屬含量顯著高于其他地區(qū)，并使土壤質(zhì)量下降，生態(tài)環(huán)境惡化，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來諸多負(fù)面影響的一種現(xiàn)象。重金屬污染形成的主要原因有兩種：一是在工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水未經(jīng)過有效的處理就排放到外部環(huán)境中，在雨水以及河流的匯集作用下，最終使重金屬元素富集到某一區(qū)域的土壤中，造成了土壤的重金屬污染；二是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中過量使用各種類型的農(nóng)資產(chǎn)品，進(jìn)而導(dǎo)致了土壤重金屬超標(biāo)。依據(jù)我國統(tǒng)計(jì)部門發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段我國受重金屬污染的土地面積在逐步擴(kuò)大，截至2018年，我國受重金屬污染的土地面積占土地總面積的16.1%，受重金屬污染最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)楦兀湮廴久娣e占比達(dá)到了20%。土壤重金屬污染在形成過程中具有一定的隱蔽性，無法在較短時(shí)間內(nèi)直接有效地判斷土壤被污染的狀況。并且，土地一旦遭受重金屬污染就很難恢復(fù)，短時(shí)間內(nèi)無法有效地消除土地的重金屬污染，將長期對(duì)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來一定的負(fù)面影響。土壤重金屬污染的不斷加重會(huì)對(duì)地下水、地表水以及農(nóng)作物等產(chǎn)生一定的影響，在食物鏈的富集作用下將對(duì)人體健康造成較大的危害。針對(duì)我國土壤的重金屬污染狀況，國務(wù)院相關(guān)部門在2016年制定了相關(guān)的計(jì)劃用于改良受重金屬污染的土地，保證土壤的安全合理利用。

4.2 應(yīng)用原理

在生產(chǎn)實(shí)踐過程中已經(jīng)探索出了多種改善重金屬污染的方法，包括物理法、化學(xué)法、工程技術(shù)法以及生物法等。其中，應(yīng)用效果較好的方法為化學(xué)法。這一方法的具體操作過程是向受污染的土地中增加改良劑，以此有效改變土壤的理化性質(zhì)，借助相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)使土壤中的重金屬離子實(shí)現(xiàn)沉淀或降低各種重金屬的影響力。

腐植酸具有多種化學(xué)特性，能夠同多種物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)、絡(luò)合反應(yīng)、離子反應(yīng)等。其作為改良劑的有效組成成分被投入到土壤中時(shí)，能夠通過絡(luò)合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種離子的有效固定，減少農(nóng)作物對(duì)重金屬離子的吸收量，消除重金屬對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和自然環(huán)境帶來的諸多負(fù)面影響。深入分析總結(jié)相關(guān)的研究文獻(xiàn)，腐植酸主要從以下幾種渠道實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬污染的消除。

（1）通過離子反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的還原，將其轉(zhuǎn)化為植物無法直接吸收的螯合物，消除重金屬離子對(duì)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的負(fù)面影響。

（2）通過與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)生成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體（生成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的反應(yīng)過程極為復(fù)雜，現(xiàn)階段的研究表明這一反應(yīng)過程蘊(yùn)含了氫鍵的生成、靜電吸附等機(jī)理），實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的有效吸附，避免其被植物吸收。

（3）優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)組成，提升土壤中各種微生物的活性，壓縮重金屬離子的活動(dòng)空間及活動(dòng)能力。腐植酸作為一種有機(jī)酸，能夠與土壤中的有機(jī)物、微生物和植物形成一定的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，強(qiáng)化對(duì)土壤中重金屬的吸收能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)受污染土壤的有效修復(fù)。腐植酸應(yīng)用于受污染土地中還能夠顯著提升土壤肥力，并避免在對(duì)重金屬污染的治理過程中生成二次污染，具有良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

4.3 應(yīng)用效果

近期的相關(guān)研究也表明，腐植酸對(duì)不同重金屬離子的吸收和處理能力存在一定的差異，從不同原材料中提取出的腐植酸對(duì)同一種類型的重金屬離子的處理效果也呈現(xiàn)出一定的差異，如從風(fēng)化煤中提取的腐植酸能夠顯著降低土壤中的鉛含量、由泥煤之中所提取的腐殖酸可以吸收土壤中的汞。土壤的酸堿度也會(huì)對(duì)腐植酸的改良效果產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)土壤呈現(xiàn)一定的酸性時(shí)，腐植酸對(duì)銅、鋅等重金屬的處理效果明顯提升。綜上所述，在采用腐植酸改良土壤時(shí)，應(yīng)綜合考慮各個(gè)方面的因素，進(jìn)而采用最適宜的改良方法。

5 腐植酸應(yīng)用建議

5.1 完善行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)土壤改良應(yīng)用中不同腐植酸產(chǎn)品效果差異大的問題，需要加強(qiáng)針對(duì)鹽堿地改良、重金屬陽離子鈍化、退化土壤結(jié)構(gòu)改良和有機(jī)無機(jī)復(fù)合肥等不同應(yīng)用途徑和范圍的腐植酸產(chǎn)品的研發(fā)，特別是相關(guān)產(chǎn)品的加工技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)，并通過中國腐植酸工業(yè)協(xié)會(huì)等行業(yè)組織建立相應(yīng)的應(yīng)用規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 加大資金投入，豐富相關(guān)產(chǎn)品類型

針對(duì)煤炭腐植酸基礎(chǔ)產(chǎn)品種類偏少，不同地區(qū)來源和工藝生產(chǎn)的腐植酸基礎(chǔ)產(chǎn)品的有效養(yǎng)分差異大，堿法、酸法和氧化法等生產(chǎn)的腐植酸產(chǎn)品的特點(diǎn)分析等問題，需要加強(qiáng)對(duì)煤炭腐植酸的加工工藝、產(chǎn)品的理化特征、對(duì)土壤作用和生物作用效果等方面的綜合分析；同時(shí)，加強(qiáng)研究腐植酸在土壤、水體和大氣等不同界面的存在形式，腐植酸與氮磷鉀和重金屬元素的化學(xué)結(jié)合形態(tài)，腐植酸微生物降解的機(jī)理和調(diào)控途徑，關(guān)注腐植酸產(chǎn)品的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。建議國家設(shè)立相關(guān)科研專項(xiàng)和基金，鼓勵(lì)協(xié)會(huì)及企業(yè)積極出資開展腐植酸相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。