貝殼類土壤調(diào)理劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

顏墩煒 武小霞 郭媛貞 黃強(qiáng) 陳芝 陳海玲 黃枝

摘 要：貝殼類土壤調(diào)理劑是以貝殼廢棄物為原料的一種成本較低的綠色土壤調(diào)理劑。該文闡述了貝殼類土壤調(diào)理劑在改變土壤理化性質(zhì)、鈍化土壤和作物中重金屬、提高作物產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)、降低作物病害、改變土壤微生物多樣性等方面作用的研究進(jìn)展，分析了存在的問題并對未來研究進(jìn)行了展望，為今后貝殼類土壤調(diào)理劑的生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：貝殼類土壤調(diào)理劑;土壤改良;鈍化重金屬;土壤微生物多樣性

中圖分類號 S156 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）10-0102-04

Research Progress on Application of Shellfish Soil Conditioner in Agricultural Production

YAN Dunwei? ?WU Xiaoxia? ?GUO Yuanzhen? ?HUANG Qiang? ?CHEN Zhi? ?CHEN Hailing? ?HUANG Zhi

（Putian Institue of Agricultural Sciences， Putian 351106， China）

Abstract： Shellfish soil conditioner is a kind of green soil conditioner with lower cost， which uses shell waste as raw material. We elaborated on its applications in changing the pHysical and chemical properties of soil， passivating heavy metals in soil and crops， increasing yields and improving quality of crops， reducing crop diseases， and changing soil microbial diversity. The existing problems and future research directions aslo were expounded to provide a reference for the application of shellfish soil conditioners in the future.

Key words： Shellfish soil conditioner; Soil improvement; Passivate heavy metals; Soil microbial diversity

貝殼類廢棄物主要是牡蠣、扇貝、貽貝、文蛤、海螺等的外殼，是一種天然的生物礦物材料，化學(xué)成分為95%的CaCO3，5%的有機(jī)質(zhì)，具有較強(qiáng)的吸附、交換等能力[1-2]，且煅燒后吸附性能增強(qiáng)[3]。近年來，隨著市場需求的增加和貝類養(yǎng)殖場養(yǎng)殖技術(shù)的提高，貝類產(chǎn)量劇增，2019年我國貝類產(chǎn)量達(dá)1457.94萬t[4]，比2010年（1108.23萬t）增長31.55%，同時產(chǎn)生了大量的貝類廢棄物。研究表明，每加工1kg牡蠣一般會產(chǎn)生300～700g的貝殼廢棄物[5]。因此，如何合理開發(fā)、利用貝殼廢棄資源，已得到各相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注。

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，近年來對其不合理地開發(fā)利用使我國遭受了不同程度農(nóng)藥、有機(jī)毒物、重金屬等污染的農(nóng)田達(dá)到2500萬hm2[6]，對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)造成了極大危害。土壤調(diào)理劑是指加入土壤中用于改善土壤的物理和（或）化學(xué)性質(zhì)及（或）其生物活性的物料[7]，可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提高保水能力，調(diào)節(jié)土壤酸堿性，修復(fù)污染土壤，調(diào)節(jié)土壤微生物區(qū)系[8-9]，是目前解決土壤問題有效措施之一[10]。截至2021年7月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種植業(yè)管理司登記備案的土壤調(diào)理劑產(chǎn)品已達(dá)到205條，相比于2017年增長20%[11]。貝殼類因具有特殊的化學(xué)成分和物理結(jié)構(gòu)，使其作為土壤調(diào)理劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

1 貝殼類土壤調(diào)理劑研究進(jìn)展

1.1 調(diào)節(jié)土壤pH值和改變土壤理化性質(zhì) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，由于復(fù)種指數(shù)過高，大水漫灌，大量施用化肥等不合理的作業(yè)方式，加速了土壤酸化[12-14]。土壤酸化是其質(zhì)量退化的重要表現(xiàn)之一[15]，使土壤中質(zhì)子和膠體平衡被打破，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)受到破壞，導(dǎo)致養(yǎng)分流失和土壤板結(jié)，造成種子萌發(fā)困難，根系延展受阻，養(yǎng)分難以吸收，植株長勢減弱、產(chǎn)量低等現(xiàn)象[16-17]。在土壤中添加生石灰、白云石、磷石膏等石灰類改良劑，可在一定程度上提高土壤pH值，緩解土壤酸化趨勢[18]，但長期施用會導(dǎo)致土壤復(fù)酸化、板結(jié)、營養(yǎng)元素失衡等[19-20]。貝殼粉主要成分為CaCO3，煅燒后為CaO，且含有K、Mg等堿性化合物，可作為石灰類改良劑的替代品[21]。國外學(xué)者研究表明，在酸性、風(fēng)沙性、泥炭土等土壤中施用貝殼粉后均能夠使土壤pH上升，且土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷含量和土壤陽離子交換量均有所提高[22-25]。目前，國內(nèi)貝殼類土壤調(diào)理劑以牡蠣殼為原材料的居多，在水稻、玉米、花生、小白菜、甜瓜、蜜柚等[21，26-31]作物栽培中施用牡蠣殼粉均能有效抑制土壤交換性H+和Al3+含量的增加，減緩?fù)寥浪峄?。貝殼粉對土壤pH的影響效果與其種類差異不大，但與用量、粒徑大小和是否經(jīng)過高溫煅燒有關(guān)。王沛文等[32]研究表明，不同種類貝殼粉（扇貝殼粉和蟶子殼粉）處理的土壤pH升高差異不大，但隨著添加比例的增加，土壤pH升高較為明顯。潘麗萍等[21]研究顯示施用不同粒徑貝殼粉均顯著提高了土壤pH，且添加貝殼粉的粒徑越小，效果越顯著[33]。同時，有研究指出，相比未煅燒的牡蠣殼粉，施用煅燒后的牡蠣殼粉能夠更顯著地修復(fù)酸性土壤[34]。施用貝殼粉土壤調(diào)理劑不僅能夠提高土壤的pH，還能減小土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤活力，有助于防止大棚土壤的次生鹽漬化[34-36]。

1.2 鈍化土壤和作物中重金屬 隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，重金屬污染問題不斷加重，我國每年因重金屬污染而減產(chǎn)的糧食量達(dá)到數(shù)千萬t，經(jīng)濟(jì)損失逾百億，嚴(yán)重影響到糧食安全[37]。目前，土壤中重金屬污染物主要有鎘（Cd）、鉛（Pb）、汞（Hg）和鉻（Cr）等[38]。Cd污染是我國最嚴(yán)重的土壤污染類型[39]，其主要破壞植物葉片的葉綠素結(jié)構(gòu)，減少根系對水分和養(yǎng)分的吸收，抑制根系生長，造成植物生理障礙而降低產(chǎn)量[40]。相比于麥飯石、蒙脫石、硅鈣礦，牡蠣殼粉對重金屬Cd的吸附能力最強(qiáng)，土壤和菜體中的重金屬含量都明顯降低[28]。研究表明，貝殼粉可以顯著降低土壤中Cd的有效性[41-43]，降低土壤Cd的酸可溶態(tài)含量，提高殘渣態(tài)含量，同時可有效減少水稻各組織對Cd的吸收[21]，減少蘿卜根和芽中Cd含量[44]，大幅度降低芥菜可食部分吸收積累的Cd[45]，使油菜可食部位Cd含量降低[46]，在一定程度上降低了重金屬對農(nóng)作物和人體的生物有效性。Pb污染使葉綠素含量降低，植物呼吸及光合作用受阻，也直接影響到細(xì)胞代謝，破壞活性氧代謝酶系統(tǒng)[47-48]。徐熙等[49]研究表明，施用貝殼粉能夠有效地減少土壤有效態(tài)Pb，緩解Pb對小白菜的生理脅迫，提高小白菜葉片葉綠素含量，促進(jìn)光合作用，促進(jìn)小白菜的生長。羅漢華等[27]研究認(rèn)為，施用牡蠣殼粉能顯著降低稻田中有效Pb含量。譚駿[50]研究指出，貝殼粉能顯著降低水稻籽粒Cd和Pb的含量，提高產(chǎn)量。除吸附Cd和Pb外，還有研究證明貝殼粉可以去除廢水中Cr、AS和Hg等其他重金屬[51-53]，Bi等[54]指出施用牡蠣殼粉能夠使土壤和白菜可食用部位中的As含量降低。

1.3 提高作物產(chǎn)量和改善作物品質(zhì) 農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)與經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)。鈣是植物必需的營養(yǎng)元素之一，當(dāng)土壤pH低于5.5時，會造成土壤中的鈣淋溶較多，降低作物對鈣的吸收，從而影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[55]。貝殼粉含有大量的鈣，且在雨后淋失率較低，遷移深度小，在耕層土壤中鈣的有效性較好[56]。羅元軍等[57]研究表明，蜜橘的品質(zhì)與果實含鈣量密切相關(guān)，在紅壤中施用貝殼粉蜜橘的含糖量、含鈣量等品質(zhì)和產(chǎn)量均高于施用石灰的處理。Hong等[44]將牡蠣殼粉加入土壤能使蘿卜產(chǎn)量升高，在蘿卜根與芽鈣含量均升高。許玲玲等[29]研究指出，隨著牡蠣殼粉施用量的增加，甜瓜果實單果質(zhì)量、硬度和脆度、維生素C含量均有不同程度的提高，且糖酸比有所下降，口感明顯改善。李雁喬等[34]指出，施用煅燒牡蠣殼粉可降低果實糖酸比，顯著增加維生素C、固酸比含量，減小果實汁胞的硬度，改良后的土壤更適宜南溪蜜柚果實的生長與成熟。周恩生[58]將殼灰、石膏、貝殼粉3種鈣肥按等價量進(jìn)行田間試驗，結(jié)果顯示施用貝殼粉能顯著提高產(chǎn)量，且畝產(chǎn)經(jīng)濟(jì)純效益最高。施用牡蠣殼粉土壤調(diào)理劑可顯著提高小白菜[49]、上海青[59]、空心菜[59]、茄子[60]、小油菜[39]等蔬菜的產(chǎn)量;同時能降低花生空秕率，提高果實中的鈣含量，從而提高產(chǎn)量[61];可在一定程度上提高東南沿海丘陵地酸性土壤中甘薯的品質(zhì)和產(chǎn)量[62]。

1.4 降低農(nóng)作物病害 農(nóng)作物土傳病害逐年加重給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重制約著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展[63]。煙草青枯病是由青枯雷爾氏菌侵染引起的一種土傳細(xì)菌性維管束病害，pH是影響青枯病發(fā)生的主要因素之一，pH值下降會增加青枯病的發(fā)病率[55，64]。牡蠣殼粉改良酸性土壤技術(shù)在煙草種植上的示范應(yīng)用，證明其可以有效提升土壤pH值，促進(jìn)煙草生長發(fā)育，降低煙草青枯病的發(fā)病損失，提高煙葉的產(chǎn)量產(chǎn)值[61];相比于蚯蚓糞、碳基肥和緩控肥，牡蠣粉土壤改良劑更能夠有效防止煙草青枯病、黑脛病、空莖病及花葉病的發(fā)生[65];一定程度上減輕了大蒜葉枯病的發(fā)生[36]。十字花科根腫病的發(fā)生和流行與土壤環(huán)境有著緊密聯(lián)系[66]，研究表明，牡蠣殼粉相比于生物炭和草木灰對榨菜根腫病的防治效果最好，能顯著降低發(fā)病率和病情指數(shù)，增強(qiáng)土壤微生物群落多樣性[67]。

1.5 改變土壤微生物多樣性 土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)植物多樣性和生產(chǎn)力的重要驅(qū)動者，直接參與了植物獲得養(yǎng)分和土壤養(yǎng)分循環(huán)2個過程，而且在土壤重金屬和有機(jī)污染修復(fù)、土傳病害防治、抵抗酸性土壤等方面具有重要作用[68]。趙曉紅等[31]研究了加入3種不同粒徑的貝殼粉調(diào)理劑后土壤微生物群落豐富度指數(shù)（Ace指數(shù)和Chao指數(shù)）、多樣性指數(shù)（Simpson指數(shù)和Shannon指數(shù)）和Beta多樣性，結(jié)果表明，貝殼粉土壤調(diào)理劑改變了酸化土壤中科分類水平細(xì)菌的豐富度、多樣性及真菌的多樣性，改善了平邑甜茶長勢。董曉偉等[35]研究顯示，施用牡蠣殼土壤調(diào)理劑有效增加了作物根際細(xì)菌、固氮菌和放線菌的數(shù)量，有助于土壤中總氮素的積累。孫薊鋒[69]研究表明，施用牡蠣殼粉后，土壤微生物類群向細(xì)菌化方向發(fā)展，出現(xiàn)了具有解磷、解鉀和固氮作用的功能菌群，有利于作物吸收利用養(yǎng)分，增加土壤肥力。

2 展望

貝殼類廢棄物作為綠色生物調(diào)理劑，能提高土壤pH、改變土壤理化性質(zhì)，鈍化重金屬，提高作物產(chǎn)量和改善品質(zhì)，降低作物病害和改變提高土壤微生物多樣性，具有良好的治理應(yīng)用前景，同時在保證糧食安全和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮了一定作用。但仍存在一些問題需要進(jìn)一步探究。

土壤調(diào)理劑一般需長期施用，且同等面積下其施用量可達(dá)化肥施用量的1.5～2.5倍[70]，時間久了之后會導(dǎo)致改良障礙土壤的效率可能有所下降。前人的研究已證明，貝殼類土壤調(diào)理劑可鈍化土壤和作物中Cd、Pb和Cr等重金屬，但貝類產(chǎn)品在人工養(yǎng)殖的過程中，也會富集海水中的Pb、Cr等重金屬，導(dǎo)致以此為原料生產(chǎn)的土壤調(diào)理劑產(chǎn)品重金屬元素超標(biāo)[71]，貝殼自身含有的少量重金屬元素很難在生產(chǎn)中消除，長期施用可能導(dǎo)致土壤發(fā)生重金屬污染。因此，使用貝殼粉作為土壤調(diào)理劑時需對其影響做出評估，選擇品質(zhì)較好、重金屬含量較低的材料，且應(yīng)避免容易富集重金屬的作物中使用，否則將產(chǎn)生弊大于利，甚至是得不償失的結(jié)果。

目前，國內(nèi)有關(guān)貝殼土壤調(diào)理劑的應(yīng)用主要集中在酸性土壤和盆栽試驗，施用作物主要以煙草、花生、水稻等為主，而在其他土壤類型和作物中的使用效果還有待進(jìn)一步探究。研究顯示，雖然貝殼類土壤調(diào)理劑對作物品質(zhì)的提高效果略高于生石灰處理，但二者之間無顯著差異[57]，這可能與用量有關(guān)，因此在后續(xù)的研究中，應(yīng)對不同用量對土壤和作物的影響進(jìn)一步研究。研究表明，施用石灰有效提高土壤pH，但單施石灰易產(chǎn)生鈣鎂鉀拮抗及土壤肥力下降的問題[72]，而采用“石灰+菌棒+常規(guī)化肥”“石灰+腐殖酸”能有效提高土壤微生物數(shù)量和土壤中酶的活性，增加土壤肥力，降低土壤重金屬有效態(tài)含量，提高作物產(chǎn)量[73-74]，但目前針對貝殼粉和其他調(diào)節(jié)劑的搭配施用的對比研究還比較少。因此，今后在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)深入探究貝殼類土壤調(diào)理劑施用方法，在變廢為寶的同時為農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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（責(zé)編：張宏民）