综述：现代农业中的腐殖质：从原料和提取技术到可持续作物生产的高级肥料技术

《Agronomy》：Humic Substances in Modern Agriculture: From Raw Materials and Extraction Techniques to Advanced Fertilizer Technologies for Sustainable Crop Production

　　

确保长期农业可持续性在很大程度上依赖于保持土壤健康，这一过程从根本上由腐殖质（HSs）及其重要的物理化学和生物学功能所调控。然而，由于集约化农业迅速消耗天然HSs储备，外部补充变得至关重要，推动了腐殖质制剂市场的扩张。本文对腐殖质制剂的整个技术链进行了全面综述：从原料的识别，经过先进提取技术，直至土壤-植物系统中的农业化学机制。研究人员讨论了传统化石沉积物（褐煤、褐煤、泥炭）以及符合循环经济理念的可再生废物来源。经典碱法提取与绿色方法（如超声辅助提取（UAE）、微波辅助提取（MAE）或高压电脉冲放电提取（HVED））进行了对比，这些方法可缩短操作时间并减少试剂消耗。详细描述了将HSs与矿物肥料整合的策略（包膜、液体配方、有机矿物产品）及其对提高养分利用效率（NUE）、缓解植物非生物胁迫、农业表现和环境影响的直接影响。还提出了研究展望，包括扩大腐殖质技术规模的经济方面以及评估以HSs功能化的创新纳米肥料的发展潜力。

**1. 引言**
在气候变化加剧和农业生产集约化的时代，优先考虑土壤健康和肥力日益重要。土壤有机质（SOM）在此背景下发挥关键作用，其最佳水平和质量是生态系统稳定性和恢复力的基础。在减缓气候变化方面，SOM作为重要的碳汇，减少温室气体排放。同时，维持足够的SOM水平对于减少土壤侵蚀和调节水文循环至关重要。腐殖质（HSs）构成天然土壤有机质的主要部分，在塑造其物理化学性质中起关键作用。从化学角度看，HSs包含高度异质的有机化合物集合，其特征是复杂、不规则的分子结构和大量多样化的官能团（如羧基、酚基、羟基、羰基和甲氧基），这些决定了其物理化学性质和生物活性。HSs通过酶和土壤微生物作用下有机物的长期转化而形成，这一过程称为腐殖化。同时，矿化过程发生，部分有机物转化为无机化合物和离子。腐殖化受局部条件（如起始生物质类型、pH水平、湿度、温度和氧气可用性）影响，这些条件也影响碳和氮含量以及所得HSs的大小。主要解释腐殖质形成机制的概念包括木质素-蛋白质理论和多酚理论。由于HSs分子结构的巨大多样性，其确切结构无法明确界定。基于共同特征和元素组成，已开发出理论模型代表腐殖酸和黄腐酸的可能结构，包括经典大分子模型和超分子模型。HSs的主要分类基于其在不同pH值水溶液中的溶解度，分为胡敏素（Hs）、腐殖酸（HAs）和黄腐酸（FAs）。胡敏素不溶于酸和碱溶液；HAs溶于碱但不溶于酸（pH<2）；FAs在整个pH范围内可溶。尽管对HSs形成和化学表征有广泛基础认识，但现有文献综述多集中于孤立方面。为填补这一空白，本综述旨在通过提供对整个腐殖质基肥料和土壤改良剂生产链的全面评估，连接理论化学与实际农艺应用。

**2. 腐殖质获取的原料**
HSs是植物生物质来源有机残留物长期复杂分解的产物，广泛存在于矿物土壤、泥炭、褐煤、褐煤以及河流和海洋水体及沉积物中。从技术和工业角度看，大规模提取HSs的主要原料传统上是化石沉积物，如泥炭、褐煤和褐煤，因其富含稳定腐殖质组分。然而，近年来，科学界日益关注开发利用非可再生资源及破坏生态重要泥炭地所带来的环境影响，研究方向转向从替代性和废物衍生前体合成类腐殖质（HLSs）和人工腐殖质（AHSs）。这一转变不仅减少对地质沉积物的依赖，还通过资源化有机废物流，符合循环经济的战略目标。然而，原料中污染物对产品质量的影响需关注，废物衍生原料可能带来重金属、病原体、药物残留、微塑料和持久性有机污染物（POPs）等风险。因此，评估废物衍生腐殖质产品的安全性和农业功效不能仅依赖有机质腐殖化程度，还需进行全面的生态毒理学筛选。
**2.1 化石沉积物**
传统HSs来源通常具有高浓度生物活性腐殖酸和黄腐酸组分，但不同形式间分子结构和组分分布差异显著，取决于矿床地理位置和地质转化程度。泥炭是转化程度最低的原料，定义为有机矿物沉积物，含碳40%-60%、氧20%-40%、氢4%-6%、氮达5%，水分高，pH 4.0-7.0。泥炭分为矿质营养（fen）泥炭和雨养（bog）泥炭，前者HSs含量中等，后者HSs浓度较高。褐煤是中等煤化程度的化石燃料，含碳50%-70%、氧25%-45%、氢4%-6%、硫1%-3%，水分20%-60%，含多种官能团。其风化变种褐煤（leonardite）是褐煤最上层氧化层，含更多含氧官能团，利于碱提取。
**2.2 有机废物和副产品**
对可持续施肥策略的需求增长及非可再生腐殖质来源的不可避免枯竭，促使系统探索可再生和废物衍生前体。废物生物质利用实现闭环资源管理，同时将有机碳稳定在土壤圈中。废弃咖啡渣（SCG）年产量约600万吨，富含多糖、蛋白质和酚类化合物，超声辅助碱提取可回收约20%类腐殖酸。废弃蘑菇基质（SMS）含高有机质和氮，回收的类腐殖酸（HLAs）以脂肪族结构为主，促进土壤物理性质改善。堆肥和蚯蚓粪是类腐殖质关键来源，蚯蚓粪因含稳定类腐殖酸和更高微生物多样性被视为优质肥料，其类腐殖酸具有类似生长素的生物刺激活性。污水污泥需通过水热处理等先进技术克服重金属和病原体限制。农业副产品如畜禽粪便和沼渣，作为堆肥共基质或直接使用，可提取低重金属含量的类腐殖质（HLSs）。

**3. 提取技术：从传统到绿色方法**
不同原料分离腐殖质和类腐殖质的过程产生三种技术路径：路径A从传统化石沉积物直接碱提取；路径B从废物衍生原料（如成熟堆肥、蚯蚓粪、沼渣）提取类腐殖质；路径C在水热条件下基于前体（如葡萄糖、酚类、氨基酸）生产人工腐殖酸（AHSs）。碱提取是通用且基本步骤，通过去质子化作用使官能团（羧基和酚基）赋予大分子阴离子特性，提高水溶性。
**3.1 传统碱提取**
国际腐殖质学会（IHSS）标准方法采用0.1 M NaOH，固液比1:10（w/v），在惰性氮气（N₂）保护下连续机械振荡至少4小时，以确保高纯度。但该方法需长时间、低效率（低于30%-50%总有机碳），产生大量废试剂，促使研究者探索更绿色的替代方法。
**3.2 先进提取技术**
**3.2.1 超声辅助提取（UAE）**
UAE通过声空化效应产生极端温度（高达5000 K）和压力（高达100 MPa），破碎固体基质，增加传质面积，同时产生羟基自由基增加含氧官能团。UAE大幅缩短提取时间（如泥炭56.7%产率需90分钟，传统方法不到一半），可使用更温和的提取剂（如木灰提取物、深共熔溶剂）。但需控制超声强度避免大分子降解，并需冷却系统防止温度升高。
**3.2.2 微波辅助提取（MAE）**
MAE利用微波辐射诱导极性分子偶极旋转，产生体积加热，破坏颗粒结构，增强传质。例如，使用KOH-尿素溶液在950 W、180秒内获得腐殖酸产率39.2%和黄腐酸产率9.1%。MAE效率依赖于原料类型，如海相沉积物仅3.27%。优势包括缩短时间、降低溶剂和能耗、提高产率，但需专用设备，存在局部过热风险。
**3.2.3 电场和放电辅助提取**
高压电脉冲放电（HVED）基于电击穿现象，产生非线性空化、冲击波和活性自由基（羟基自由基、过氧化物），严重破碎固体基质，可将碱浓度降低至1% wt，产率达52.33%，处理时间仅数分钟，且非热性质保证热不稳定化合物稳定性。交替电场和电磁场方法通过焦耳效应加热和阳极氧化环境，形成额外含氧官能团。但规模化应用面临参数优化复杂、场强均匀性难维持、高电压设备成本高等挑战。

**4. 腐殖质整合入肥料产品**
HSs与植物生长刺激物质的整合旨在提高NUE。现代市场产品包括颗粒和液体肥料、生物刺激剂和灌溉施肥产品。主要技术方向包括：
**4.1 腐殖质包膜肥料**
通过喷涂、浸渍或封装技术在肥料颗粒表面形成薄层。喷涂使用转鼓或流化床，HSs含量通常低于1 wt.%；浸渍法效率低且能耗高；封装技术（如离子凝胶化）可调控养分释放，但规模化困难。包膜组分中常添加木质素磺酸盐、淀粉、羟乙基纤维素（HEC）、海藻酸钠、壳聚糖等粘合剂和交联剂（如柠檬酸）。包膜通过迷宫效应延缓离子扩散，减少氨挥发，抑制脲酶活性，并防止磷退化。
**4.2 液体腐殖质生物刺激剂**
稳定液体配方需精确控制物理化学参数。优先使用氢氧化钾作为提取剂，形成稳定腐殖酸盐溶液。先进技术如“Folhum”型液体肥料采用85%磷酸与98%碳酸钾中和，再加入氮源、螯合微量元素和浓缩腐殖酸钾。叶面施用时黄腐酸（FAs）因低分子量更易穿透角质层；土壤施用时液体形式加速离子传输。但面临絮凝、与硬水反应（Ca²⁺、Mg²⁺形成不溶性腐殖酸盐）、盐析等问题。通过添加瓜尔胶等流变改性剂、海藻提取物等缓冲组分、螯合剂如Na₂EDTA可稳定系统。最大稳定HSs浓度约20%，热稳定性可通过添加5%氨基酸浓缩液改善。
**4.3 有机矿物复合体**
HSs通过羧基、酚基等官能团与金属离子形成螯合物，防止微量元素沉淀（如Fe、Zn、Mn、Cu），尤其在碱性或钙质土壤中。对于磷，HSs通过形成三元腐殖质-金属-磷酸盐（HMP）复合体（以Al(III)或Fe(III)为桥），限制磷固定，维持其在pH 4-8范围内的可溶性。同时，HSs通过内球络合、离子交换和物理吸附固定有毒重金属（如Pb(II)、Cd(II)），降低其生物有效性和植物毒性，并可通过还原Cr(VI)至Cr(III)实现解毒。这些性质使HSs可设计为根际控制肥料和复合过磷酸钙，作为智能缓冲系统响应植物生理信号。

**5. 土壤-植物系统中的作用机制**
HSs对土壤-植物系统的影响通过间接和直接两条途径实现。
**5.1 对土壤物理和化学性质的影响**
HSs通过阳离子桥（Ca²⁺、Fe³⁺、Al³⁺）连接矿物颗粒形成稳定团聚体，改善土壤结构，提高持水能力（羧基和羟基结合水分子），同时疏水域产生适度斥水性稳定团聚体。效果受初始土壤状况和管理措施影响。化学方面，HSs通过去质子化产生永久负电荷，增加阳离子交换量（CEC），保留K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、NH₄⁺等阳离子。HSs还作为天然pH缓冲剂，中和酸性或碱性土壤，调节元素有效性和重金属毒性。
**5.2 对作物的生理效应**
**5.2.1 根系形态和养分吸收**
HSs中低分子量组分具有激素样活性，激活早期生长素响应基因，刺激侧根起始和根毛发育，增加根系总生物量、长度和分支度。同时，HSs激活质膜质子泵（H⁺-ATP酶），产生电化学梯度驱动次级主动运输，提高NUE。质子泵引起的细胞壁酸化激活膨胀素，促进细胞伸长。根际中，质子泵激活阴离子通道，增加有机酸（柠檬酸、草酸）分泌，这些有机酸分解HSs大分子，释放小分子生物活性物质，形成正反馈循环。
**5.2.2 胁迫缓解**
HSs作为化学适压源，通过引发（priming）机制准备细胞应对后续胁迫。在水分亏缺下，HSs刺激脯氨酸、甜菜碱和可溶性糖等相容性渗透调节物质合成，降低细胞质渗透势，并调节水通道蛋白基因表达，提高根系水力导度。在盐胁迫下，HSs激活SOS级联反应，促进Na⁺/H⁺反向转运蛋白和HKT1型转运蛋白活性，维持高K⁺/Na⁺比。对于氧化胁迫，HSs诱导抗氧化酶（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、抗坏血酸过氧化物酶）活性，并通过酚基直接清除自由基。激素水平上，HSs协调脱落酸（ABA）、茉莉酸和乙烯信号，优化气孔开度和诱导系统抗性。
**5.2.3 初级代谢的分子调控**
在氮代谢方面，HSs诱导NRT家族高亲和力硝酸盐转运蛋白（如ZmNRT2.1）和质子泵基因表达，提高NO₃^?和NH₄⁺吸收。细胞内，HSs增加谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合酶、硝酸还原酶和谷氨酸脱氢酶活性，加速氨基酸和蛋白质合成，并与TOR激酶激活相关。在碳代谢方面，HSs促进光合色素（叶绿素a、b和类胡萝卜素）生物合成，提高光系统II有效量子产量和电子传递速率，降低非光化学猝灭。同时刺激Rubisco活性和卡尔文循环基因表达，通过淀粉酶和转化酶促进淀粉转化为可溶性糖。

**6. 农业表现和环境效益**
**6.1 对主要作物产量和品质的影响**
HSs应用使作物产量平均提高约12%（荟萃分析），并诱导“营养和商业富集”，增加蛋白质、碳水化合物、维生素、黄酮类等次生代谢产物含量，提高可溶性固形物（TSS）和果实硬度，延长采后货架期。
**6.2 养分利用效率（NUE）**
HSs通过提高CEC、形成稳定螯合物、抑制脲酶活性等机制提高NUE。研究表明，HSs共施可减少20%以上矿物NPK施肥量，同时维持或增加产量。例如，小麦试验中减少25%氮肥并配合腐殖酸，获得更高产量和NUE；玉米中尿素加HSs使总氮积累和籽粒产量增加5%-15%。
**6.3 环境影响**
HSs减少养分淋溶（如无机氮淋溶降低约25%），降低氨挥发（减少20%以上，特定包膜肥料达87%），减少N₂O排放（累积排放减少近30%）。HSs作为电子穿梭体，促进完全反硝化将N₂O还原为N₂，并介导湿地甲烷厌氧氧化。同时，HSs通过疏水保护增加碳封存，形成稳定团聚体，结合有机碳超过理论饱和极限，并刺激光合细菌固定CO₂。

**7. 当前挑战、未来展望和结论**
HSs研究和开发面临分析标准问题，目前基于溶解度的分类方法导致测定值依赖于提取程序，传统重铬酸钾氧化法误差大且选择性低，ISO 19822标准采用重量法和疏水树脂吸附提高精度，但需进一步改进。工业化方面，高水分含量导致运营支出高，运输成本大，需先进热集成系统。绿色提取技术（如HVED、PEF）虽缩短时间，但规模化面临工程难题。未来方向包括HSs功能化的纳米肥料，可控制养分释放并增强抗逆性，但合成成本高、规模化困难，且需评估生态风险。总之，HSs作为多功能剂，结合营养、生物刺激和保护功能，但需解决原料污染物风险和技术经济限制，以充分发挥其在可持续作物生产中的潜力。