摘要
磷资源的有限性和磷在土壤中的难移动性，使粮食和人口之间的供需关系更加紧张。腐植酸含有丰富的官能团，通过络合土壤中的金属离子与磷、在矿物表面产生位阻减少磷吸附、直接参与植物吸收磷的代谢过程以及参与微生物介导的磷吸收等过程间接参与植物吸收磷，对提高磷在土壤中的有效性和作物磷吸收能力具有一定意义。然而，腐植酸在土壤磷活化和高效利用中的作用机制研究仍面临挑战，需要进一步探讨腐植酸不同官能团结构的功能差异如何影响磷的解吸和活性。通过简述腐植酸在提高石灰性和酸性土壤中磷有效性以及作物高效利用磷肥方面的研究，提出未来关于腐植酸提高磷肥利用率方面研究的建议，为磷肥高效利用提供理论依据。
Abstract
The limited availability of phosphorus resources and its low mobility in soil exacerbated the supply-demand relationship between food production and population growth. Humic acid，which contained a variety of functional groups， could enhance phosphorus availability in soil and crop phosphorus uptake through several mechanisms. These included complexing metal ions with phosphorus in the soil，reducing phosphorus adsorption by steric hindrance on mineral surfaces， directly participating in the metabolic processes of plant phosphorus absorption，and indirectly promoting phosphorus uptake through microbial mediation. These processes were crucial for improving phosphorus availability in soil and enhancing crop phosphorus absorption. However，the mechanisms by which humic acid activated soil phosphorus and improves its efficient utilization still face challenges. For example，further research was needed to explore how the structural differences of various functional groups in humic acid affect phosphorus desorption and activity. This review outlined research on the role of humic acid in enhancing phosphorus availability in both alkaline and acidic soils and improving crop efficiency in utilizing phosphorus fertilizers. It also offered suggestions for future research on improving phosphorus fertilizer use efficiency with humic acid，providing a theoretical basis for innovations in efficient phosphorus fertilizers.
磷（P）作为作物重要的营养物质之一，在提高作物产量和品质等方面起着重要作用[1]。磷肥中的正磷酸盐易与土壤中的铝离子（Al3+）、铁离子 （Fe3+）、钙离子（Ca2+）等金属阳离子产生化学沉淀或被土壤吸附固定[2-3]。因此磷在土壤中移动性差，其移动距离仅为 3～5 cm[4]。该机制导致磷肥利用效率偏低。此外，“一炮轰”等不科学的施用方式不仅大大降低了磷肥利用效率并造成资源浪费，还污染了环境。因此，提高磷在土壤中的移动性，减少土壤对磷的固定是提高磷肥利用效率的有效途径。
腐植酸（HA）是动植物残体经过一系列生物化学以及微生物代谢过程产生的一大类含碳且结构复杂的大分子有机酸聚合物[5]。腐植酸含有的大量羟基（-OH）、羧基（-COOH）及羰基（-C=O） 等官能团决定了其具有丰富的特性，例如酸性、离子交换性、络合性、氧化还原性以及作为生物刺激素的一系列刺激信号通路[6-7]。腐植酸的这些性质决定了其在改良土壤、活化土壤养分和促进作物吸收养分方面具有较好的效果。腐植酸可以与磷元素形成 HA-P 复合物，HA-P 可减缓磷释放，也能提高磷的有效性。腐植酸也能抑制土壤中金属阳离子对正磷酸盐的吸附，从而提高磷的有效性。综上所述，外源添加腐植酸是活化土壤中矿物营养和提高作物养分吸收能力的有效途径[8]。
腐植酸在土壤改良和修复方面的应用对促进磷资源高效利用具有重要的理论参考价值，对开发应用于农业的含腐植酸的功能性肥料或者植物生长调节剂也具有现实意义。本研究将针对腐植酸提高石灰性土壤和酸性土壤中磷利用效率以及腐植酸促进作物吸收磷的过程进行阐述，为磷资源高效利用和磷肥创新提供参考。
1 磷在土壤中无效化过程以及潜在的活化途径
植物主要吸收 H2PO4-和 HPO4 2- 两种形态的磷[9]，这两种形态最易被土壤固定，主要以物理吸附（非专性吸附）和化学沉淀（专性吸附）两种机制被固定[10]。当土壤中磷酸盐和金属阳离子浓度较低，土壤对磷的固定以物理吸附为主，当土壤溶液中磷浓度和金属阳离子浓度均较高且土壤 pH 较高时，主要发生化学沉淀作用[11-12]。物理吸附是指磷酸根离子由于静电引力而被吸附，专性吸附主要以 H2PO4- 为配位体，第一步为单键吸附，随着时间逐渐形成双键吸附，结晶度增强，磷酸根的有效性将大幅降低。化学沉淀主要发生在土壤矿物和黏粒表面，分为磷酸盐通过取代其他阴离子的交换吸附和磷酸盐作为配位体与土壤胶体表面-OH 的配位吸附（又称专性吸附）两种。
腐植酸促进高等植物磷吸收有两种途径。途径一：参与土壤中养分形态变化。腐植酸首先与土壤中的 Fe3+ 和 Al3+ 形成配合物，配合物又与土壤中的有效磷结合起来形成 HA-金属-P 的配合物。此外，腐植酸还可以与磷酸盐争夺土壤中的铁（铝） 氧化物的吸附位点[13]。途径二：腐植酸通过释放具有激素性质的生物活性分子来刺激植物生长[14]，从而直接影响多种代谢途径的酶活性，最终影响养分吸收[15]。另外，腐植酸通过影响土壤微生物群落来促进磷的转化和代谢[16]。
2 腐植酸将不同 pH 土壤中植物难吸收的磷转化为可利用形态
腐植酸对不同 pH 的响应有所不同，例如腐植酸对矿物离子的作用机制存在差异。pH=7 时，腐植酸与铁的结合量是 pH=5 时的两倍。当 pH=7 时，随着-COOH 和-OH 含量的增加，腐植酸结合铁的数量增加。腐植酸和铁的配位模式也随 pH 的变化而有所差异，在 pH=5 时双配位基团主导，而在 pH=7 时共价键普遍存在[17]。所以在考虑腐植酸的应用场景时需要考虑酸碱性差异。
2.1 腐植酸对酸性土壤中磷有效性的影响
酸性土壤的磷肥利用率以及土壤有效磷的本底值高于石灰性土壤，但酸性土壤中仍存在磷的固定。腐植酸对磷肥利用效率的作用体现在多方面，例如络合和生物刺激作用[5，18]。腐植酸在酸性土壤中能与多种金属发生络合反应。Al3+ 等离子能够桥接磷酸盐离子和腐植酸分子[19]，通过生成 HA-金属离子络合物或 HA-金属-P 络合物吸附金属离子，从而减少磷肥的固定[20]，而这些被吸附的无机磷对植物的有效性和没被吸附的无机磷是一样的[21]，简而言之，这种观点认为，HA-金属-P 的络合物容易被植株吸收（图1a）。Boguta 等[17]的研究结果恰好为上述观点提供证据，他们发现在 pH 为 5 时，HA-Fe 配合物完全可溶，且 Fe 浓度与-COOH 和-OH 含量呈正相关，这说明HA-金属-P 的络合物在土壤溶液中可溶。有研究表明，在向日葵根系中腐植酸与 Fe3+ 形成的配合物可与天然向日葵植物螯合剂进行交换反应，从而将其运输到植株的地上部分[22]。与此同时，HA-金属-P 络合物的形成也减少了闭蓄态磷 （O-P）的形成（图1b），进而提高土壤中有效磷的含量[9]。
图1不同土壤类型中腐植酸对磷有效性的影响
注：
为闭蓄态磷，
为腐植酸（HA），
表示根系吸收，
表示抑制，
表示促进。
为闭蓄态磷，为腐植酸（HA），表示根系吸收，表示抑制，表示促进。
2.2 腐植酸对石灰性土壤中磷有效性的影响
石灰性土壤含有大量的 Ca2+（碳酸钙或者碳酸氢钙），Ca2+ 与土壤磷结合形成磷酸二钙（Ca2-P）、磷酸八钙（Ca8-P）和磷酸十钙（Ca10-P），其中 Ca8-P 和 Ca10-P 无法被植物吸收利用，严重抑制磷的有效性[23]。腐植酸富含的多聚阴离子使得土壤的阳离子交换量提高，进而减少磷酸钙沉淀的产生，使石灰性土壤中磷的有效性得到提高[24]。腐植酸中存在的-COOH、-OH 与钙、磷元素发生配位吸附，形成 HA-Ca-P 复合体，从而减少磷酸钙沉淀的生成[25]，这与在酸性土壤中形成的 HA-金属-P 类似。另外，腐植酸酸性溶液与磷酸钙发生复分解反应，使部分磷释放出来，并且腐植酸根离子与磷酸根离子竞争土壤中部分钙离子的结合位点，从而保护了石灰性土壤中的磷[26]。杨家和等[27]研究发现，腐植酸生成过程中由于本身带有的酸性基团未完全分解，因此，在溶解过程中产生的氢离子（H+）能够溶解部分磷酸钙形成可溶的磷酸氢钙[即腐植酸与 Ca2+ 络合后使土壤中 Ca2+ 浓度降低，此时溶解平衡受到破坏。导致土壤溶液中 PO4 3- 溶解出来以达到新的平衡（图1c、d）]。
3 腐植酸对作物磷吸收的影响
腐植酸对作物的直接影响之一就是作为营养物质被根系吸收，但是这一点仍存在争议，相关研究的尺度并不统一，并且腐植酸中几乎不含磷。有研究表明，低分子量腐植酸可以直接作为营养物质被植物吸收利用，参与体内代谢[14，28]，但是这类研究很少在生产问题上进一步探究，关于作物吸收腐植酸的数量以及腐植酸转化为直接营养物质的效率并没有广泛共识。腐殖质类物质占土壤有机质的 60% 以上，其与土壤团聚体结合后矿化速率缓慢，从这个角度看腐殖质对植物生长的促进与其营养含量没有直接关系，而是与腐殖质中负责营养吸收的植物膜转运蛋白和调节生长发育的相关信号转导级联的相互作用有关[5]。
腐植酸的作用效果与其用量、官能团结构及分子量大小密切相关[29]。有关不同分子量腐植酸对环境的影响也有许多深入的研究[30-32]。腐植酸影响高等植物从土壤中获取铁、磷等矿质养分的若干生理过程，可能影响生根方式、质子和羧基阴离子释放、质膜铁还原酶活性，并可能激活铁 （II）和磷转运蛋白[7]。本节总结了腐植酸促进植物吸收磷的几种途径并阐述了可能的机制，包括腐植酸促进根系生长发育以加强作物对磷的吸收； 腐植酸对植物获取磷以及磷在细胞中转运的直接作用；腐植酸促进根系释放有机酸，保持磷的活性或调动可溶性磷，提升利用效率；以及其他可能存在关联的途径（磷代谢相关酶、微生物介导的磷代谢等）。
腐植酸对根系的促生作用已有一定的共识，对其中的关键过程和机制有不同的研究结果。一些研究表明，腐植酸能够代替天然生长素对根系生长产生影响[33]。有研究发现，生长素抑制剂能够影响腐植酸对侧根发育的作用[34]，并且施用腐植酸能够提高根部吲哚-3-乙酸（IAA）的浓度[35]。腐植酸对根系生长发育的一些影响可以通过生长素-NO 依赖途径解释。此外，根据酸生长理论，腐植酸通过促进根系质膜氢离子腺苷三磷酸酶（H+-ATPase）活性，进一步介导根系生长[36]，H+-ATPase 系统的二次转运也会激活和诱导高亲和力磷转运蛋白的差异表达[37]，这为作物吸收磷奠定了生物学基础。 Olaetxea 等[38]进一步研究表明，腐植酸提高根质膜 H+-ATPase 活性的能力直接参与了其促进根生长的作用。另一方面腐植酸介导的对根系发育的某些方面的影响是通过 IAA、NO 和乙烯信号通路表达的，但与整个根生长有关的其他方面则涉及 ABA 信号通路[38-39] （图2）。Canellas 等[7] 表明， 100 mg/L 的腐植酸对根的促进作用最大，这将为腐植酸的施用提供参考。
腐植酸影响植物吸收磷的直接代谢过程。在植物处在磷饥饿状态下时，碳水化合物会从地上部转移到根，叶片中磷酸化中间体（如葡萄糖-6-P、果糖-6-P、肌醇-6-磷酸和甘油-3-磷酸）的水平降低，这将导致磷形态发生变化以节省植物对磷的消耗[40]。Jindo 等[37]研究表明腐植酸处理下，甘油磷酸二酯和磷酸胆碱在植物体内积累，表明在低磷浓度下，植物经济性磷消耗途径发生了改变。在低磷和高浓度的腐植酸处理下根的磷转运蛋白（LePT2）转录物积累量均较高。由于磷转运体利用 H+ 梯度来驱动共转运过程，通过腐植酸处理激活 H+-ATPase 来增强电化学梯度，即使在低营养浓度下也可以支持磷转运[41]。因此，腐植酸在植物磷获取及其细胞转运中发挥了关键作用。
腐植酸间接影响根系周围磷的有效性。腐植酸可以促进根系排放草酸和柠檬酸等有机酸，从而提高磷的有效性[42]，但是关于腐植酸刺激根系释放有机酸的分子机制仍不明确（图2）。腐植酸也能诱导盐胁迫的特定功能和调控基因反应[47]。研究发现，腐植酸可诱导拟南芥中的高亲和力钾离子转运蛋白Ⅰ，并参与耐盐机制[43]，但这种现象在不同的作物中鲜有报道。腐植酸有助于提高磷酸烯醇丙酮酸羧化酶、ATPase 和丙酮酸磷酸二激酶的活性来改善光合作用，并影响光合作用中重要的代谢途径[44]。腐植酸和植酸酶的羧基直接作用后，通过氢键断裂活性催化域的有序 β-折叠结构展开，进而改变酶的二级结构来增强其生物活性，从而提高磷利用率[45]。从微生物的角度考虑，外生菌根真菌可能会招募一些细菌，这些细菌可以促进螯合磷的矿化，促进作物对磷的吸收[16]。因此，可以考虑腐植酸和微生物有机肥配施或者直接接种相关微生物，芽孢杆菌 B5 菌株（Bacillus sp. strain B5） 与苦粉孢牛肝菌（T. neofelleus）的协同作用可以促进螯合无机磷吸收[16]。
图2腐植酸提高作物磷吸收的机制
注：
表示酸生长理论途径，
表示其他途径。
表示酸生长理论途径，表示其他途径。4 腐植酸与磷肥复配效果的影响因素
腐植酸的作用不仅体现在提升作物的生理机能，还体现在磷肥保活。早期研究表明，腐植酸直接施入土壤后能够抑制 O-P 形成[46]，所以腐植酸也常作为添加剂与磷肥配施，并得到一定的成效 （表1）。腐植酸与磷酸一铵（MAP）配合施用后能够降低根际 pH，这有助于作物吸收磷[47-48]。此外，施用腐植酸增加了磷酸酶活性，进而增加了土壤固相或磷肥释放的磷量[49-50]。向磷肥中添加微量腐植酸施入土壤后可以提高磷肥的有效性和在土壤中的迁移距离[51-52]。在腐植酸分解过程中产生的 H+ 有助于保持磷的活性[53]。从物理角度来讲，腐植酸比磷肥优先吸附于矿物表面上，并产生排斥的负电势，在矿物表面产生位阻，进一步抑制磷与土壤表面的结合[54]。
研究表明，腐植酸的胶体悬浮液可以通过静电和范德华力相互作用并在细胞壁表面积聚，导致根的导水性、蒸腾作用和抗旱性降低，从而抑制根系对磷的吸收[55]，由此更加强调小分子腐植酸的作用。小分子量腐植酸具有较多的烷基碳、氧烷基碳、羧基 / 酰胺基结构，这些官能团具有较强的缓冲能力，因此其促生效果优于大分子腐植酸[29]。黄腐酸（FA）是一种小分子量的腐植酸，其与氮肥联合施用可提高玉米的碳同化效率[56]，实现了硝酸盐应答基因和磷饥饿应答基因的协同激活，从这个角度看，腐植酸对氮、磷营养平衡也具有一定贡献[57]。腐植酸与磷肥复配对作物的影响与腐植酸的官能团种类及其丰富度有关[58]，具有更多活性官能团的腐植酸可在较低浓度下刺激根系，而具有顽固性结构的腐植酸则需要提高浓度才能达到类似的刺激[59]。此外，腐植酸的施用量也影响其与磷肥的复配效果，腐植酸与磷肥复配对植物生长和养分吸收的最佳用量可能低于 C 10 mg/L，值得注意的是腐植酸添加量＞ C 15 mg/L 时将抑制玉米生长[60]，因为当过多的腐植酸物质附着在根系将阻断根系对矿质养分的吸收通道，导致养分吸收减少[58]。此外，较低浓度的磷肥和腐植酸复配能够提高根系活力、质膜 H+-ATPase 和硝酸还原酶活性，这对腐植酸和磷肥的复配施用有一定的指导意义[61]。
表1腐植酸与磷肥复配对作物以及磷移动性的影响
5 总结与展望
腐植酸具有弱酸性，分子结构中含有的大量羟基、羧基、羰基等官能团使其具有离子交换性、络合性、氧化还原性以及生物刺激作用[6-7]。腐植酸在提高磷肥利用率方面具有显著的作用，可以与金属离子形成络合物或螯合物以减少磷的固定，直接参与和间接参与植物代谢磷的过程，具有调节土壤酸碱度和促进植物生长的作用。腐植酸与磷肥复配有助于推动资源全量利用，解决磷资源利用率低的问题[73-74]。然而，腐植酸类型较多，导致腐植酸及其衍生产品的质量参差不齐，有必要开展腐植酸资源化利用的评估，研发适用于不同土壤类型的腐植酸及其衍生产品，多途径加大技术转化和推广力度。
综上所述，未来在腐植酸提高磷肥利用率方面的研究建议从以下几个方面着手：
（1）腐植酸与土壤中磷的相互作用机制尚未完全清楚。腐植酸可能通过络合作用与磷发生作用。然而，具体的作用途径、反应条件以及腐植酸与土壤矿物、微生物等的交互作用如何影响磷的有效性，仍需要进一步深入研究。尤其是腐植酸中不同分子结构（如芳香环、羧基、酚羟基等官能团）的功能差异如何影响磷的解吸和活性，仍需要进一步探讨。
（2）腐植酸的复杂性和多样性是其研究中的一大挑战。未来的研究应聚焦于腐植酸的分子结构与其功能之间的关系，通过高分辨率质谱、核磁共振 （NMR）等先进技术，解析其结构特征，尤其是功能基团的组成和分布。这将有助于理解腐植酸在土壤中对磷养分保活、重金属结合及微生物相互作用等功能的机制。同时，也应探讨不同来源和处理条件下腐植酸的结构差异及其对功能的影响，以优化腐植酸的制备和应用。
（3）腐植酸在土壤生态系统中扮演着关键角色，深刻影响土壤的物理、化学及生物特性。因此，未来研究应更加重视腐植酸在不同环境中的生态功能，尤其是在土壤健康、磷盈余及污染治理中的作用。通过长期田间试验和系统监测，评估腐植酸对土壤微生物群落结构、作物磷素吸收的影响及其相互作用，揭示其在土壤生态恢复以及磷资源高效利用中的潜力。
（4）为了推动腐植酸在农业生产和环保领域的应用，未来的研究还应加强基于腐植酸的技术开发。例如，由天然或者合成的腐殖物质和羟基磷灰石组装而成的材料，利用腐殖质物质的多酚基团与纳米羟基磷灰石表面的相互作用，可同时作为营养物质和信号物质促进作物生长[75]。在土壤改良、植物营养与病害防治中，探讨腐植酸与其他改良剂或肥料的协同效应，以提高肥料利用率和作物产量。同时，研究腐植酸的包裹技术，促进其在缓释肥料和土壤改良剂中的应用，提升其使用效率和环境友好性。