贝壳类土壤调理剂在农业生产中的应用研究进展

2022-06-30颜墩炜武小霞郭媛贞黄强陈芝陈海玲黄枝

安徽农学通报 2022年10期

颜墩炜武小霞郭媛贞黄强陈芝陈海玲黄枝

摘要：贝壳类土壤调理剂是以贝壳废弃物为原料的一种成本较低的绿色土壤调理剂。该文阐述了贝壳类土壤调理剂在改变土壤理化性质、钝化土壤和作物中重金属、提高作物产量和改善作物品质、降低作物病害、改变土壤微生物多样性等方面作用的研究进展，分析了存在的问题并对未来研究进行了展望，为今后贝壳类土壤调理剂的生产应用提供参考。

关键词：贝壳类土壤调理剂;土壤改良;钝化重金属;土壤微生物多样性

中图分类号 S156 文献标识码 A 文章编号 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

貝壳类废弃物主要是牡蛎、扇贝、贻贝、文蛤、海螺等的外壳，是一种天然的生物矿物材料，化学成分为95%的CaCO3，5%的有机质，具有较强的吸附、交换等能力[1-2]，且煅烧后吸附性能增强[3]。近年来，随着市场需求的增加和贝类养殖场养殖技术的提高，贝类产量剧增，2019年我国贝类产量达1457.94万t[4]，比2010年（1108.23万t）增长31.55%，同时产生了大量的贝类废弃物。研究表明，每加工1kg牡蛎一般会产生300～700g的贝壳废弃物[5]。因此，如何合理开发、利用贝壳废弃资源，已得到各相关领域的关注。

土壤是人类赖以生存和发展的物质基础，近年来对其不合理地开发利用使我国遭受了不同程度农药、有机毒物、重金属等污染的农田达到2500万hm2[6]，对农业生态系统造成了极大危害。土壤调理剂是指加入土壤中用于改善土壤的物理和（或）化学性质及（或）其生物活性的物料[7]，可有效改善土壤结构，提高保水能力，调节土壤酸碱性，修复污染土壤，调节土壤微生物区系[8-9]，是目前解决土壤问题有效措施之一[10]。截至2021年7月，农业农村部种植业管理司登记备案的土壤调理剂产品已达到205条，相比于2017年增长20%[11]。贝壳类因具有特殊的化学成分和物理结构，使其作为土壤调理剂在农业生产中广泛应用。

1 贝壳类土壤调理剂研究进展

1.1 调节土壤pH值和改变土壤理化性质农业生产过程中，由于复种指数过高，大水漫灌，大量施用化肥等不合理的作业方式，加速了土壤酸化[12-14]。土壤酸化是其质量退化的重要表现之一[15]，使土壤中质子和胶体平衡被打破，团粒结构受到破坏，导致养分流失和土壤板结，造成种子萌发困难，根系延展受阻，养分难以吸收，植株长势减弱、产量低等现象[16-17]。在土壤中添加生石灰、白云石、磷石膏等石灰类改良剂，可在一定程度上提高土壤pH值，缓解土壤酸化趋势[18]，但长期施用会导致土壤复酸化、板结、营养元素失衡等[19-20]。贝壳粉主要成分为CaCO3，煅烧后为CaO，且含有K、Mg等碱性化合物，可作为石灰类改良剂的替代品[21]。国外学者研究表明，在酸性、风沙性、泥炭土等土壤中施用贝壳粉后均能够使土壤pH上升，且土壤有机质、有效磷含量和土壤阳离子交换量均有所提高[22-25]。目前，国内贝壳类土壤调理剂以牡蛎壳为原材料的居多，在水稻、玉米、花生、小白菜、甜瓜、蜜柚等[21，26-31]作物栽培中施用牡蛎壳粉均能有效抑制土壤交换性H+和Al3+含量的增加，减缓土壤酸化。贝壳粉对土壤pH的影响效果与其种类差异不大，但与用量、粒径大小和是否经过高温煅烧有关。王沛文等[32]研究表明，不同种类贝壳粉（扇贝壳粉和蛏子壳粉）处理的土壤pH升高差异不大，但随着添加比例的增加，土壤pH升高较为明显。潘丽萍等[21]研究显示施用不同粒径贝壳粉均显著提高了土壤pH，且添加贝壳粉的粒径越小，效果越显著[33]。同时，有研究指出，相比未煅烧的牡蛎壳粉，施用煅烧后的牡蛎壳粉能够更显著地修复酸性土壤[34]。施用贝壳粉土壤调理剂不仅能够提高土壤的pH，还能减小土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤的有机质含量，改善土壤理化性质，提高土壤活力，有助于防止大棚土壤的次生盐渍化[34-36]。

1.2 钝化土壤和作物中重金属随着工农业的迅速发展，重金属污染问题不断加重，我国每年因重金属污染而减产的粮食量达到数千万t，经济损失逾百亿，严重影响到粮食安全[37]。目前，土壤中重金属污染物主要有镉（Cd）、铅（Pb）、汞（Hg）和铬（Cr）等[38]。Cd污染是我国最严重的土壤污染类型[39]，其主要破坏植物叶片的叶绿素结构，减少根系对水分和养分的吸收，抑制根系生长，造成植物生理障碍而降低产量[40]。相比于麦饭石、蒙脱石、硅钙矿，牡蛎壳粉对重金属Cd的吸附能力最强，土壤和菜体中的重金属含量都明显降低[28]。研究表明，贝壳粉可以显著降低土壤中Cd的有效性[41-43]，降低土壤Cd的酸可溶态含量，提高残渣态含量，同时可有效减少水稻各组织对Cd的吸收[21]，减少萝卜根和芽中Cd含量[44]，大幅度降低芥菜可食部分吸收积累的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属对农作物和人体的生物有效性。Pb污染使叶绿素含量降低，植物呼吸及光合作用受阻，也直接影响到细胞代谢，破坏活性氧代谢酶系统[47-48]。徐熙等[49]研究表明，施用贝壳粉能够有效地减少土壤有效态Pb，缓解Pb对小白菜的生理胁迫，提高小白菜叶片叶绿素含量，促进光合作用，促进小白菜的生长。罗汉华等[27]研究认为，施用牡蛎壳粉能显著降低稻田中有效Pb含量。谭骏[50]研究指出，贝壳粉能显著降低水稻籽粒Cd和Pb的含量，提高产量。除吸附Cd和Pb外，还有研究证明贝壳粉可以去除废水中Cr、AS和Hg等其他重金属[51-53]，Bi等[54]指出施用牡蛎壳粉能够使土壤和白菜可食用部位中的As含量降低。

1.3 提高作物产量和改善作物品质农作物的产量和品质与经济效益密切相关。钙是植物必需的营养元素之一，当土壤pH低于5.5时，会造成土壤中的钙淋溶较多，降低作物对钙的吸收，从而影响作物产量和品质[55]。贝壳粉含有大量的钙，且在雨后淋失率较低，迁移深度小，在耕层土壤中钙的有效性较好[56]。罗元军等[57]研究表明，蜜橘的品质与果实含钙量密切相关，在红壤中施用贝壳粉蜜橘的含糖量、含钙量等品质和产量均高于施用石灰的处理。Hong等[44]将牡蛎壳粉加入土壤能使萝卜产量升高，在萝卜根与芽钙含量均升高。许玲玲等[29]研究指出，随着牡蛎壳粉施用量的增加，甜瓜果实单果质量、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，口感明显改善。李雁乔等[34]指出，施用煅烧牡蛎壳粉可降低果实糖酸比，显著增加维生素C、固酸比含量，减小果实汁胞的硬度，改良后的土壤更适宜南溪蜜柚果实的生长与成熟。周恩生[58]将壳灰、石膏、贝壳粉3种钙肥按等价量进行田间试验，结果显示施用贝壳粉能显著提高产量，且亩产经济纯效益最高。施用牡蛎壳粉土壤调理剂可显著提高小白菜[49]、上海青[59]、空心菜[59]、茄子[60]、小油菜[39]等蔬菜的产量;同时能降低花生空秕率，提高果实中的钙含量，从而提高产量[61];可在一定程度上提高东南沿海丘陵地酸性土壤中甘薯的品质和产量[62]。

1.4 降低农作物病害农作物土传病害逐年加重给农业生产带来了巨大的经济损失，严重制约着我国农业生产发展[63]。烟草青枯病是由青枯雷尔氏菌侵染引起的一种土传细菌性维管束病害，pH是影响青枯病发生的主要因素之一，pH值下降会增加青枯病的发病率[55，64]。牡蛎壳粉改良酸性土壤技术在烟草种植上的示范应用，证明其可以有效提升土壤pH值，促进烟草生长发育，降低烟草青枯病的发病损失，提高烟叶的产量产值[61];相比于蚯蚓粪、碳基肥和缓控肥，牡蛎粉土壤改良剂更能够有效防止烟草青枯病、黑胫病、空茎病及花叶病的发生[65];一定程度上减轻了大蒜叶枯病的发生[36]。十字花科根肿病的发生和流行与土壤环境有着紧密联系[66]，研究表明，牡蛎壳粉相比于生物炭和草木灰对榨菜根肿病的防治效果最好，能显著降低发病率和病情指数，增强土壤微生物群落多样性[67]。

1.5 改变土壤微生物多样性土壤微生物是陆地生态系统植物多样性和生产力的重要驱动者，直接参与了植物获得养分和土壤养分循环2个过程，而且在土壤重金属和有机污染修复、土传病害防治、抵抗酸性土壤等方面具有重要作用[68]。赵晓红等[31]研究了加入3种不同粒径的贝壳粉调理剂后土壤微生物群落丰富度指数（Ace指数和Chao指数）、多样性指数（Simpson指数和Shannon指数）和Beta多样性，结果表明，贝壳粉土壤调理剂改变了酸化土壤中科分类水平细菌的丰富度、多样性及真菌的多样性，改善了平邑甜茶长势。董晓伟等[35]研究显示，施用牡蛎壳土壤调理剂有效增加了作物根际细菌、固氮菌和放线菌的数量，有助于土壤中总氮素的积累。孙蓟锋[69]研究表明，施用牡蛎壳粉后，土壤微生物类群向细菌化方向发展，出现了具有解磷、解钾和固氮作用的功能菌群，有利于作物吸收利用养分，增加土壤肥力。

2 展望

贝壳类废弃物作为绿色生物调理剂，能提高土壤pH、改变土壤理化性质，钝化重金属，提高作物产量和改善品质，降低作物病害和改变提高土壤微生物多样性，具有良好的治理应用前景，同时在保证粮食安全和农业的可持续发展中发挥了一定作用。但仍存在一些问题需要进一步探究。

土壤调理剂一般需长期施用，且同等面积下其施用量可达化肥施用量的1.5～2.5倍[70]，时间久了之后会导致改良障碍土壤的效率可能有所下降。前人的研究已证明，贝壳类土壤调理剂可钝化土壤和作物中Cd、Pb和Cr等重金属，但贝类产品在人工养殖的过程中，也会富集海水中的Pb、Cr等重金属，导致以此为原料生产的土壤调理剂产品重金属元素超标[71]，贝壳自身含有的少量重金属元素很难在生产中消除，长期施用可能导致土壤发生重金属污染。因此，使用贝壳粉作为土壤调理剂时需对其影响做出评估，选择品质较好、重金属含量较低的材料，且应避免容易富集重金属的作物中使用，否则将产生弊大于利，甚至是得不偿失的结果。

目前，国内有关贝壳土壤调理剂的应用主要集中在酸性土壤和盆栽试验，施用作物主要以烟草、花生、水稻等为主，而在其他土壤类型和作物中的使用效果还有待进一步探究。研究显示，虽然贝壳类土壤调理剂对作物品質的提高效果略高于生石灰处理，但二者之间无显著差异[57]，这可能与用量有关，因此在后续的研究中，应对不同用量对土壤和作物的影响进一步研究。研究表明，施用石灰有效提高土壤pH，但单施石灰易产生钙镁钾拮抗及土壤肥力下降的问题[72]，而采用“石灰+菌棒+常规化肥”“石灰+腐殖酸”能有效提高土壤微生物数量和土壤中酶的活性，增加土壤肥力，降低土壤重金属有效态含量，提高作物产量[73-74]，但目前针对贝壳粉和其他调节剂的搭配施用的对比研究还比较少。因此，今后在农业生产上应深入探究贝壳类土壤调理剂施用方法，在变废为宝的同时为农业发展带来更大的经济效益。

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