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        海藻活性物質(zhì)在改良土壤中的應(yīng)用功效

        2023-02-16 01:23:42秦益民朱長俊耿志剛
        農(nóng)業(yè)與技術(shù) 2023年3期
        關(guān)鍵詞:海藻物質(zhì)生物

        秦益民朱長俊耿志剛

        (1.嘉興學(xué)院,浙江 嘉興 314001;2.海藻活性物質(zhì)國家重點實驗室,山東 青島 266400;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部海藻類肥料重點實驗室,山東 青島 266400;4.青島明月藍(lán)海生物科技有限公司,山東 青島 266400)

        生物強(qiáng)化是指通過加強(qiáng)生物多樣性和土壤肥力,在最小的面積上獲得更多、更好的農(nóng)產(chǎn)品。生物強(qiáng)化的生產(chǎn)體系以可持續(xù)性和營養(yǎng)循環(huán)為特征,其中農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境中的有益生物和害蟲之間的有效平衡使生產(chǎn)投入降低,從而減少農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。生物強(qiáng)化生產(chǎn)體系的管理涉及農(nóng)作物的綜合管理戰(zhàn)略,在生產(chǎn)過程中使用生物刺激劑和生物保護(hù)劑,而不是用傳統(tǒng)的農(nóng)化制品為作物提供營養(yǎng)和保護(hù)。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式向生物強(qiáng)化生產(chǎn)的演變過程中,生物刺激劑在改良土壤、促進(jìn)生長、防治生物和非生物脅迫中發(fā)揮重要作用[1]。

        2011年6月成立的歐洲生物刺激劑產(chǎn)業(yè)理事會(European Biostimulants Industry Council,EBIC)把生物刺激劑定義為一種包含某些成分和微生物的物質(zhì),其中這些成分和微生物在施用于植物或者根圍時,產(chǎn)生的功效是對植物的自然進(jìn)程起到刺激作用,包括強(qiáng)化或有益于營養(yǎng)吸收、營養(yǎng)功效、非生物脅迫抗力以及作物品質(zhì),而與營養(yǎng)成分無關(guān)。2018年美國農(nóng)業(yè)法案指出,生物刺激劑是一種物質(zhì)或微生物,當(dāng)應(yīng)用于種子、植物或根際時,能刺激其自然過程以促進(jìn)或增強(qiáng)營養(yǎng)吸收、營養(yǎng)效率以及對非生物脅迫的耐受性或作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[2]。

        海藻是生物刺激劑的一個重要來源。生長在海洋中的藻類生物包括褐藻、紅藻、綠藻門約10000種在形態(tài)、化學(xué)組成上很不相同的海洋生物,富含促進(jìn)植物生長的多糖、多酚、多肽、含氮化合物等很多種類的生物活性成分,可作為生物肥料、土壤調(diào)節(jié)劑、生物刺激劑等應(yīng)用于土壤和作物,具有調(diào)節(jié)作物內(nèi)源激素平衡、提高光合作用效率、誘導(dǎo)抗生物和非生物脅迫、促進(jìn)作物生長發(fā)育等很多優(yōu)良的使用功效[3]。

        1 海藻活性物質(zhì)

        海藻活性物質(zhì)是一類從海藻生物體中提取的,可以通過化學(xué)、物理、生物等作用機(jī)理對生命現(xiàn)象產(chǎn)生影響的生物質(zhì)成分,包括海藻細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞壁及原生質(zhì)體的組成部分以及細(xì)胞生物體內(nèi)的初級和次級代謝產(chǎn)物,其中初級代謝產(chǎn)物是海藻從外界吸收營養(yǎng)物質(zhì)后通過分解代謝與合成代謝,生成的維持生命活動所必需的氨基酸、核苷酸、多糖、脂類、維生素等物質(zhì),次級代謝產(chǎn)物是海藻在一定的生長期內(nèi),以初級代謝產(chǎn)物為前體合成的一些對生物生命活動非必需的有機(jī)化合物,也稱天然產(chǎn)物,包括生物信息物質(zhì)、藥用物質(zhì)、生物毒素、功能材料等海藻源化合物。

        由于海藻長期處于海水這樣一個特異的閉鎖環(huán)境中,并且海洋環(huán)境具有高鹽度、高壓力、氧氣少、光線弱,甚至局部深海的高溫等特點,海藻類生物的進(jìn)化過程中形成的代謝和機(jī)體防御系統(tǒng)與陸上生物不同,使海藻生物體中蘊藏許多結(jié)構(gòu)新穎、功效獨特的生理活性物質(zhì)。相對于海綿、海鞘、軟珊瑚等其他海洋生物,海藻代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)相對簡單,其最大特點是富含溴、氯、碘等鹵素,尤其是含有大量多鹵代倍半萜、二萜以及溴酚類代謝產(chǎn)物,具有拒食、抗微生物、抗附著和生物毒性等特殊功效。到2017年,全球各地從紅藻、褐藻和綠藻中發(fā)現(xiàn)的海藻活性物質(zhì)分別為2000種、1500種和450多種[4]。在大型藻類中,褐藻和紅藻是生物活性物質(zhì)最豐富的種群,其中紅藻中鹵代產(chǎn)物更為豐富,這些物質(zhì)主要包括海洋藥用物質(zhì)、生物信息物質(zhì)、海洋生物毒素、生物功能材料等,是大量海洋生物天然產(chǎn)物的一部分。

        2 海藻活性物質(zhì)的生物刺激作用

        海藻酸、卡拉膠、瓊膠、巖藻多糖、褐藻淀粉等海藻源多糖是海藻的主要生物質(zhì)成分,具有優(yōu)良的生物刺激作用,在生態(tài)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有很高的商業(yè)化利用價值[2]。表1總結(jié)了海藻多糖和寡糖在植物生長中的刺激作用[5]。

        表1 海藻多糖和寡糖在植物生長中的刺激作用

        除了多糖,在制備海藻肥過程中得到的海藻提取物的組成非常復(fù)雜,含有結(jié)構(gòu)多樣、種類豐富的植物生長刺激素[6,7]。表2總結(jié)了海藻中的各種植物激素和類植物激素及其對植物生長的刺激作用[5]。

        3 海藻活性物質(zhì)在生物強(qiáng)化中的應(yīng)用

        海藻活性物質(zhì)獨特的結(jié)構(gòu)和性能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價值。古羅馬時代海藻已經(jīng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,被直接加入土壤,或者作為改良土壤的堆肥[8-10]。對海藻肥料最早的記載是公元1世紀(jì)后半期的羅馬人科魯美拉(Collumella),其建議卷心菜應(yīng)該在有第6片葉子的時候移植,其根用海藻覆蓋施肥[11]。古代英國人也把海藻加入土壤作為肥料,在不同的地區(qū)有的直接把海藻與土壤混合,有的把海藻與稻草、泥炭或其它有機(jī)物混合后作肥料,其中一個常用的做法是把海藻堆積在農(nóng)田里使其風(fēng)化后降低有毒的硫氫基化合物[12]。

        到公元12世紀(jì)中葉,在歐洲的一些沿海國家和地區(qū),特別是法國、英格蘭、蘇格蘭和挪威等地,人們已經(jīng)廣泛應(yīng)用以海藻為原料制作的肥料。在16世紀(jì)的法國、英國、德國、日本、加拿大等地,人們開始采集海藻制作堆肥,其中大不列顛島的南威爾士和德國的一些地區(qū)則用海岸邊腐爛的海藻或海藻灰種植各種農(nóng)作物,效果頗佳,產(chǎn)品供不應(yīng)求。進(jìn)入17世紀(jì),法國政府在其沿海地區(qū)推廣使用海藻類的肥料,并明文規(guī)定海藻的收割時間、采集條件以及海域等,當(dāng)時法國布列塔尼(Britany)和諾曼底(Normandy)沿海幾百英里的區(qū)域由于施用海藻提取物作為肥料,其農(nóng)作物和蔬菜品質(zhì)優(yōu)異,遠(yuǎn)近聞名,享有“金海岸”的美稱,至今仍然流傳。

        以海藻為原料通過化學(xué)、物理、生物等技術(shù)加工后制備的現(xiàn)代海藻肥誕生于英國。1949年,海藻液體肥作為海藻類肥料的新產(chǎn)品在大不列顛島問世,開啟了海藻肥的新篇章[2]。到20世紀(jì)80—90年代,海藻肥作為一種天然肥料在歐美發(fā)達(dá)國家得到前所未有的重視和發(fā)展,在英國、法國、美國、加拿大、澳大利亞、南非、中國等世界各地,海藻肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會效益,受到越來越多國家和地區(qū)農(nóng)戶的歡迎[13,14]。大量科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐充分證明海藻活性物質(zhì)具有改良土壤、促進(jìn)作物生長、保護(hù)作物健康等優(yōu)良的生物強(qiáng)化功效。圖1總結(jié)了海藻活性物質(zhì)的生物強(qiáng)化功效。

        表2 海藻中的植物激素及類植物激素對植物生長的刺激作用

        圖1 海藻活性物質(zhì)的生物強(qiáng)化功效

        3.1 海藻活性物質(zhì)對土壤功效的改良作用

        圖2顯示了植物生長的周期和要素,其中良好的土壤是植物生長的基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常使用堆肥、腐殖質(zhì)、海藻提取物等有機(jī)物改良土壤[15],這些肥料中的營養(yǎng)成分一般不會馬上被植物吸收,而是需要在土壤微生物的作用下使其礦物質(zhì)化后對土壤產(chǎn)生活性。Haslam等[16]研究了在土壤中加入切斷的掌狀海帶對土壤孔隙體積和孔隙大小分布、土壤穩(wěn)定性、土壤微生物的生物量和生物活性。結(jié)果顯示,在土壤中加入8.2~16.4g·kg-1海藻的3個月后,土壤的總孔隙容積有顯著提升,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、土壤生物質(zhì)的量、呼吸率也在加入海藻后有很大提升。在西班牙進(jìn)行的一項試驗中發(fā)現(xiàn)土壤中施海藻肥后土豆產(chǎn)量從對照組的5.5t·hm-2增加到11.8t·hm-2。

        圖2 植物生長的周期和要素

        3.2 治理土壤的退化和污染

        土壤是人類生存的基本資源,是所有農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的基底或基礎(chǔ),也是人類生活的承載空間。萬物土中生,食以土為本。近年來不合理的施肥導(dǎo)致農(nóng)藥與化肥大量在水體和土壤中殘留,尤其是人們通過各種途徑向土壤加入不利于作物健康生長的有害元素,導(dǎo)致土壤污染,對人類健康造成危害。

        海藻肥是天然的土壤調(diào)節(jié)劑,施用海藻肥不但能螯合土壤中的重金屬離子、減輕污染,還能促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成、直接或間接增加土壤有機(jī)質(zhì)。海藻肥中富含的維生素等有機(jī)物質(zhì)和多種微量元素能激活土壤中多種微生物、增加土壤生物活動量,從而加速養(yǎng)分釋放,使土壤養(yǎng)分有效化。

        土壤惡化的一個特點是其團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的減少。團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是一種全球公認(rèn)的最佳土壤結(jié)構(gòu),是由土壤單粒之間粘結(jié)后形成的一種團(tuán)聚體,其中單粒間形成小孔隙、團(tuán)聚體間形成大孔隙,因此既能保持水分,又能保持通氣,既是土壤的小水庫,也是土壤小肥料庫,能保證植物根的良好生長。海藻酸鹽具有凝膠特性,可促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成、穩(wěn)定土壤膠體特征,優(yōu)化土壤水、肥、氣、熱體系,提高土壤物理肥力。

        3.3 治理土壤酸化、鹽漬化

        通過促進(jìn)土壤中有益微生物的生長、改善土壤持水性等作用機(jī)理,海藻肥可以有效改善土壤健康,其所含的海藻酸鹽、巖藻多糖等海藻多糖的親水、凝膠、螯合重金屬離子等特性在改善土壤性能中有重要價值。海藻酸鹽在與土壤中的金屬離子結(jié)合后形成的高分子量凝膠復(fù)合物可以吸收水分、膨化、保持土壤水分、改善團(tuán)粒結(jié)構(gòu),由此得到更好的土壤通氣性以及土壤微孔的毛細(xì)管效應(yīng),從而提高土壤微生物活性、刺激植物根系生長。

        3.4 促進(jìn)土壤有益微生物活動

        根際微生物(Rhizosphere microbe)是在植物根系直接影響土壤范圍內(nèi)生長繁殖的微生物,包括細(xì)菌、放線菌、真菌、藻類和原生動物等,可以在植物-土壤-微生物的代謝物循環(huán)中起催化劑作用。研究表明,海藻及其提取物可促進(jìn)土壤有益微生物生長、刺激其分泌土壤改良劑、改善根際環(huán)境,從而促進(jìn)作物生長。叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,簡稱AMF)是一類分布于林地土壤中的真菌,能與多數(shù)陸地植物形成叢枝菌根(Arbuscular mycorrhizal,簡稱AM)。AM可以改善宿主植物對鋅、鈣、磷等多種礦物質(zhì)元素的吸收利用,通過提高植物激素的產(chǎn)生促進(jìn)植物生長。多種海藻提取物是叢枝根菌真菌的生長調(diào)節(jié)劑,應(yīng)用于土壤可引發(fā)土壤中有益微生物的生長,通過其分泌出土壤調(diào)節(jié)物質(zhì),改善土壤性質(zhì),并進(jìn)一步促進(jìn)有益真菌的生長。褐藻中提取的海藻酸在酶解后得到的寡糖可以明顯刺激菌根及菌絲生長和延長,引發(fā)其對三葉橙苗的傳染性,促進(jìn)真菌生長。Kuwada等[17,18]的研究結(jié)果顯示,褐藻的甲醇提取物對菌絲生長和根系生長有促進(jìn)作用。褐藻的乙醇提取物在活體試驗中可促進(jìn)叢枝根菌真菌菌絲生長,誘導(dǎo)AM對柑橘的侵染。噴施含有海藻提取物的液體肥料后,柑橘園中叢枝根菌真菌孢子量比對照增加21%,侵染率提高27%。褐藻、紅藻和綠藻中均含有叢枝根菌真菌生長調(diào)節(jié)劑,在高等植物的根際菌發(fā)育中起重要作用[19]。

        3.5 修復(fù)治理土壤重金屬污染

        近年來,土壤的重金屬污染成為一個日益嚴(yán)重的環(huán)保問題,其中污染土壤的重金屬主要包括鎘(Cd)、鉛(Pb)、汞(Hg)、鉻(Cr)和金屬砷(As)等生物毒性顯著的元素,以及有一定毒性的銅(Cu)、鎳(Ni)、鋅(Zn)等元素。土壤中的重金屬主要來源于農(nóng)藥、廢水、污泥、大氣沉降等,如汞主要來自含汞廢水、砷來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的殺蟲劑、殺菌劑、殺鼠劑、除草劑等。重金屬污染可引起植物生理功能紊亂、營養(yǎng)失調(diào),其中汞、砷能減弱和抑制土壤中氨化、硝化等細(xì)菌活動,影響氮素供應(yīng)。重金屬污染物在土壤中不易隨水淋濾、不為微生物降解,其移動性很小,通過食物鏈進(jìn)入人體后的潛在危害極大。

        海藻酸是一種高分子羧酸,可以吸附土壤中的金屬陽離子后形成海藻酸鹽[20]。如圖3所示,海藻酸的主要吸附點是分子鏈外側(cè)的羧酸基團(tuán),其對重金屬離子的吸附順序為Pb2+>Cu2+>Cd2+>Ba2+>Sr2+>Ca2+>Co2+>Ni2+>Mn2+>Mg2+。土壤中的Hg2+、Cd2+、Pb2+、Cr3+、Zn2+、Cu2+、Ni2+等二價或多價金屬離子與海藻酸結(jié)合后形成的海藻酸鹽不溶于水,是一種有很強(qiáng)親水性的高分子復(fù)合物,使重金屬離子失去活性,該復(fù)合物可吸收水分后膨脹,以保持土壤的水分并改善其塊狀結(jié)構(gòu),有利于土壤毛細(xì)管活性和氣孔換氣,進(jìn)而增強(qiáng)土壤微生物的活性、刺激植株根系的生長和發(fā)育。

        圖3 海藻酸與Ca2+結(jié)合后形成“蛋盒”狀的凝膠態(tài)交聯(lián)結(jié)構(gòu)

        4 小結(jié)

        海藻活性物質(zhì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的生物強(qiáng)化功效可以降低化學(xué)合成類農(nóng)資產(chǎn)品的使用,也可以滿足消費者對有機(jī)綠色產(chǎn)品的消費需求。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展以及人民生活水平的提高,農(nóng)作物的安全與質(zhì)量日趨成為人們關(guān)注的焦點。海藻活性物質(zhì)具有綠色、高效、安全、環(huán)保等特點,其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用符合國際有機(jī)食品的要求,對提升我國農(nóng)產(chǎn)品的國際競爭力具有重要意義。含有海藻活性物質(zhì)的海藻肥具有“多種功效合一”的特點,作為一種天然生物制劑,可與“植物-土壤”生態(tài)系統(tǒng)和諧作用,還原土壤的最佳狀態(tài),促進(jìn)植物自然、健康生長。

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