硼资源以及硼肥在农业中的应用

Application of Boron Resources and Boron Fertilizers in Agriculture

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2024.06.006

李汝会 Ruhui LI , 陈欣 Xin CHEN , 江志阳 Zhiyang JIANG

中国科学院沈阳应用生态研究所辽宁沈阳 110016 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, Liaoning 110016, China

Author notes:

Correspondence to: 江志阳(1981—)，男，硕士，高级工程师，主要从事微生物农用及绿色肥料研发；jiangzhiyang@iae.ac.cn

摘要：

全球硼矿资源丰富，但分布极不均匀，土耳其、俄罗斯、美国、智利和中国的硼矿资源储量之和超过全球总储量的99%。我国硼矿资源主要分布在青海、辽宁和西藏等地，富矿较少，贫矿偏多。硼是植物生长必需的营养元素，缺硼会影响作物生长发育，导致作物品质和产量降低。适合植物生长的土壤中有效硼含量范围较窄，硼含量过高易产生硼毒害。硼砂生产过程中产生的硼泥污染严重，实现硼泥的资源化利用以及培育硼利用率较高的农作物品种是今后主要的研究方向。

关键词：

硼肥; 硼资源; 农业生产; 应用;

Abstract：

The world is rich in boron ore resources, but the distribution is extremely uneven. The combined reserves of boron ore resources in Turkey, Russia, the U.S., Chile and China exceed 99% of the world′s total reserves. The boron ore resources in China are mainly distributed in Qinghai, Liaoning and Xizang, with less rich ores and more lean ores. Boron is an essential nutrient for plant growth, and boron deficiency can affect crop growth and development, leading to a decrease in crop quality and yield. The range of effective boron content in soil suitable for plant growth is small, and excessive boron content can easily lead to boron toxicity. The boron mud pollution generated during the production process of borax is severe, and realizing the resource utilization of boron mud and cultivating crop varieties with high boron utilization rates are the main research directions in the future.

Keyword：

boron fertilizer; boron resources; agricultural production; application;

硼元素(B)^[1]位于元素周期表中第二周期第ⅢA族，原子序数为5，相对原子质量是10.81，电子排布为1s²2s²2p¹。硼是一种重要的非金属微量营养元素，土壤中硼含量不足会导致植物硼元素缺乏^[2]。1923年，Warington^[3]首次证明硼是植物生长发育必需的一种微量营养素，并指出当营养液中缺乏硼时，菜豆会死亡，明确表示硼是植物恢复活力所必需的元素，首次提出硼对植物细胞结构至关重要。在Warington之前，已有几项研究表明了硼对植物生长具有有益作用，但未证明在硼元素缺少的情况下植物无法正常生长^[4-5]。后来证实，硼是几种单子叶和双子叶植物^[6]、针叶树^[7]、蕨类植物^[8]和浮游植物^[9]所必需的微量营养素。很快，人们就认识到这种元素对农作物等的重要性^[10]。缺硼是作物生长的主要制约因素之一，在过去近90年中，已有80多个国家缺乏硼资源和132种作物缺乏硼元素^[11]。1997年，硼元素已在全球范围内被认为是仅次于锌元素的第二大作物微量元素^[12]。缺硼会导致一年生[纤维原料植物(棉花)、谷物(水稻、玉米、小麦)、豆类(大豆)、油籽类植物(花生、油菜/油菜籽)]和多年生(柑橘、苜蓿-紫花苜蓿)等作物的产量大幅下降。

1 国内外硼资源情况

硼矿是世界上重要的化工原料矿，是生产硼砂、硼酸、硼的各种化合物以及单质硼的基础原料，可应用于各个行业中^[13]。最常见的天然硼化合物是硼酸和硼酸盐矿物，是由火山活动附近的火山气体或温泉沉积而成的^[14]。目前世界上已发现的硼酸盐矿物种类约有150种，主要由硼和钠、硅、钙、镁等不同化合物组成。根据化学组成不同，硼酸盐矿物可分为三类^[15-16]：①硼硅酸盐矿物，以硅钙硼石(2CaO ·B₂O₃ ·2SiO₂ ·H₂O)和赛黄晶[CaB₂(SiO₄)₂]为代表；②硼铝硅酸盐矿物；③硼酸盐矿物，典型矿物主要有珍珠岩(AlH₃KNaSiO₃)、硼钙石(4CaO ·5B₂O₃ ·7H₂O)、硼酸钠方解石(NaCaB₃O₉ ·8H₂O)、天然硼酸(H₃BO₃)、方硼石(Mg₃B₇O₁₃Cl)、天然硼砂(Na₂B₄O₇ ·10H₂O)、硼镁石{Mg₂[B₂O₄(OH)]OH}、钠硼解石[NaCaB₅O₆(OH)₆ ·5H₂O]、遂安石Mg₂B₂O₅等，这些矿物占全球硼酸盐矿物的90%以上。硼元素可以在岩石中找到，在玄武岩中的质量浓度为5~100 mg/L，在沉积页岩或土壤中为10~20 mg/L^[17]。

1.1 国外硼资源情况

全球硼矿资源非常丰富，但分布极不均匀，拥有硼矿资源的国家不多，高度集中在土耳其、俄罗斯、美国、智利和中国等5个国家^[18]。2021年，这5个国家的硼矿资源在全球硼资源中的占比分别约为89.3%、2.9%、2.9%、2.6%和1.8%，储量之和超过全球总储量的99%^[19-22]；土耳其硼矿储量排名第一，比10年前增长19倍；其他4个国家的硼矿储量接近，且10年间各国硼矿储量变化不明显；中国硼矿储量位列世界第五。由于土耳其的硼矿储量出现巨大变化，导致上述资源国的资源占比被动降低(见表 1^[23])。

表 1

2011年和2021年全球硼矿储量变化

项目	2011年		2021年
项目	储量/kt	占总储量比重/%	储量/kt	占总储量比重/%
土耳其	60 000	28.04	1 200 000	89.35
美国	40 000	18.69	40 000	2.98
智利	35 000	16.36	35 000	2.60
中国	32 000	14.95	24 000	1.79
秘鲁	4 000	1.87	4 000	0.30
俄罗斯	40 000	18.69	40 000	2.98
阿根廷	2 000	0.93
伊朗	1 000	0.47
总量	214 000	100	1 343 000	100

土耳其拥有世界上最大的硼储量，2021年硼储量已达到12亿t，是硼开采的主要国家之一^[24]，其硼矿资源主要分布在安纳托利亚西部。美国和俄罗斯的硼矿资源次于土耳其，并列排名第二，其中美国的硼矿资源集中分布在西部太平洋沿岸，俄罗斯的硼矿资源集中分布在东西伯利亚地区雅库特共和国南部和塔约扎诺耶。世界硼矿类型主要有火山沉积型、现代盐湖型、矽卡岩型硼矿床、铁硼矿床和硼镁铁矿等^[25]。

1.2 国内硼资源情况

我国硼资源丰富，硼储量仅次于土耳其、美国、俄罗斯和智利，位列世界第五。我国硼矿成因类型较多，各类硼矿的矿物成分十分复杂，富矿较少，贫矿偏多；共生、伴生矿物多，由于矿内杂质多，导致开发利用程度偏低^[26]。截至2016年底，我国发现硼矿产地216处，其中大型及以上硼矿产地有38处，中小型有104处，矿点有74处^[27]。我国硼矿共有未沉积变质型、盐湖卤水型、地下卤水型、接触交代型、沉积型和矽卡岩型等6类，其中盐湖卤水型硼矿的储量最多，占总量的52%，沉积型的占38%，其他类型的占10%^[27-28]。我国硼矿资源分布集中，2021年全国硼矿(B₂O₃)储量11 192.9 kt，青海、辽宁和西藏三地的硼储量占全国储量的近97%，其中青海省占65%，辽宁省占29.4%，西藏自治区占2.77%。辽宁省的硼矿主要为沉积变质型，以硼镁铁矿和硼镁石矿为主^[29]；同时，辽宁省也是我国最大的硼化物生产基地，主要分布在凤城、宽甸、大石桥等3个地区^[30]。有学者分析了我国硼矿的供需情况，指出我国对硼矿的对外依存度过高^[31]，国内硼资源的消费量大部分从国外(土耳其、美国、智利等)进口；我国作为最大的硼资源消费国，近10年消费量一直以每年20 kt的速率增长^[32]。

2 硼元素在农业中的应用

硼是一种微量营养元素，在植物的细胞壁结构、膜稳定性、糖运输、碳水化合物代谢、核酸代谢、吲哚乙酸代谢中起重要作用^[33-34]。硼是植物唯一不以单离子形式从土壤中吸收的元素，在土壤中以不带电的硼酸分子[B(OH)₃]和硼酸阴离子[B(OH)₄^-]两种形式存在，硼酸分子对细胞膜内磷脂双分子层具有渗透性。硼向植物根系的供应机制主要是通过质量流量来控制，而其在植物中的分布则是通过木质部的蒸腾流量来控制。硼在植物体内是相对不动的，因此在生长的各个阶段，特别是在果实/种子发育期间，硼的可利用性至关重要^[35]。植物正常生长和发育所必需的硼含量低至0.001~1 mg/g^{[34, 36-37]}。土壤调查表明，我国70%以上的土壤缺硼。随着种植业结构的调整、作物产量的提高以及施肥制度的变化等，我国农田土壤缺硼的问题进一步加重^[34]。

植物所需的硼元素主要来源于土壤，植物缺硼最常用的处理方法是施用硼肥，目前叶面施肥和种子施肥被经常使用。同时，施用方法、施用时间、土壤特征、温度、湿度以及植物品种可以不同程度减少缺硼对植物的影响。由于硼缺乏与硼中毒之间的跨度较小，土壤中硼的含量会对植物的健康发育产生负面影响^[38]，硼中毒已成为全球干旱、半干旱土壤中限制植物生长的重要病害，因此每次添加硼元素时应调整其剂量。硼元素大部分存在于矿山废水中，污染的废水是硼进入并破坏生态系统的主要途径^[39]。一些重要的经济作物，如小麦、大麦、水稻，对硼毒性或微量硼缺乏很敏感^[38]。缺硼可以通过向农田中添加硼元素得以解决，但土壤中硼元素含量过高可能会引起株高降低和茎部伸长^[40]、幼苗出苗延迟、生长缓慢和产量下降^[41]等更严重的问题。世界上大多数农业土壤中硼的总质量浓度为5~30 mg/L，硼的最大质量浓度为25 mg/L时不会影响作物的正常生长发育^[42]。

2.1 硼元素在粮食作物上的应用

禾谷类作物的籽粒是人类粮食的主要来源，预计2050年世界人口将增长至90亿，只有提高作物产量才能满足日益增长的人口对粮食的需求^[43]。充足的硼，能降低大麦的空粒发生率，将产量提高5.5%^[44]；能增加穗长和植物色素含量，抑制小麦的不育概率^[45]。1972年和1973年，黑龙江省约4万hm²小麦几乎全部歉收的主要原因就是缺硼^[46]，小麦比水稻和玉米更容易因缺乏硼元素而遭受产量损失。同时，硼中毒也会影响小麦生长和产量。Seth等^[47]的研究发现，过量的硼将影响和改变小麦的生化成分和酶活性，从而导致植物生长受到影响和产量下降。小麦在添加0、1、2、4、8、16、32 μg/g硼溶液的土壤中生长, 结果表明：植物中生化成分与硼含量相关，当硼质量分数超过4 μg/g时，可溶性叶蛋白、总酚、可溶性糖和脯氨酸等含量显著增加；当硼质量分数为8 μg/g时，具有中度毒性；当硼质量分数为16、32 μg/g时，具有高度毒性；中度和高度毒性会影响植物生长，同时降低小麦产量。

谷物如玉米在生殖发育过程中对硼缺乏特别敏感。Durbak等^[48]指出，玉米无穗基因的生长缺陷可以通过外源性施用硼来修复。研究结果表明，玉米无穗基因介导硼向茎尖的递送，强调了硼定向运输对营养和生殖分生组织发育的重要性。玉米烂穗植株在花序发育和肥力方面表现出主要缺陷，而营养缺陷仅在土壤硼浓度较低时才明显。Chatterjee等^[49]发现低硼供给花序导致细胞和细胞壁完整性普遍出现缺陷，突出硼在形成完全可育生殖器官中的结构重要性。外源施用硼肥让玉米烂穗的分生组织、发育不全的器官和存在缺陷的细胞壁得到部分或完全恢复，表明硼是玉米花序发育所需的主要结构成分。施用硼肥可以改善水稻水分关系、叶绿素含量、形态、产量相关性状、籽粒品质；种子灌种、叶面施用和土壤施用硼肥均能提高水稻叶片叶绿素含量^[50]。Rashid^[51]也指出了水稻中硼肥施用不足会降低稻米品质，影响其市场价格。

2.2 硼元素在经济作物上的应用

硼主要参与植物细胞壁的合成和结构整合。在烟草和南瓜中，95%~98%的硼位于叶片细胞壁中^[52]。硼与果胶、糖基肌醇磷酸化神经酰胺(GIPCs)和鼠李糖-Ⅱ(RG-Ⅱ)交联^[53-54]，控制细胞壁的拉伸强度和孔隙度^[55-56]；硼可以减少南瓜中RG-Ⅱ二聚体的形成，导致细胞壁形成异常(粗大)^[57]。硼参与细胞膜的蛋白质合成以及恢复还原酶的功能，从而改善细胞膜的完整性^[58]。棉花缺硼的主要症状是叶柄上形成棕色环。Li等^[59]的研究证明了棉花缺硼会显著降低叶片的气孔导度、光合速率和蒸腾速率，从而阻碍棉花的光合作用。因此，缺硼阻碍了叶柄的运输功能和叶片的光合作用，导致在棉花幼苗叶柄上形成明显的棕色环。硼会影响土壤中其他植物养分的有效性和吸收。施用硼肥后，棉花叶片、芽和种子对P、N、K、Zn、Fe、Cu的吸收和转运明显增加^[60]。在限制硼肥供应的情况下，南瓜幼苗在3~24 h内根系生长发育不良，而幼苗在硼肥再利用的12 h内达到正常生长速率^[61]。在作物种类中，甘蓝型油菜对硼的需求量很高，对硼很敏感。白雪等^[62]的研究表明：在施硼量逐渐增加时，油菜各项指标呈先上升后下降的趋势；施硼量达22.50 kg/hm²时，油菜籽粒产量、脂肪含量、产油量均达到最大值；但施硼量增加至45.00 kg/hm²时，油菜籽粒产量比不施硼减产8.76%，说明硼含量过高会使油菜受到毒害，影响油菜产量。

3 结语

自20世纪以来，科研人员通过深入研究，发现了微量元素对农作物生长的机理和作用，充分证明了硼的不可或缺性。许多国家都存在硼缺乏的问题，但环境中过量的硼会污染生态环境和耕地，缺硼或硼过量都显著扰乱了植物细胞的生理代谢过程^[63]。我国硼资源品位低，硼消费量仍在持续上涨。在工业生产中，生产1 t硼砂会产生4~5 t硼泥，硼泥呈碱性(pH为8~10)，堆积处的土地寸草不生^[64]，但硼泥中富含Mg、Si、Fe、Ca、B等中微量元素，能为农作物生长提供必需的营养元素^[65]。未来硼资源化利用应提高硼泥的综合利用率，开发新型硼泥产品，减少硼泥堆存带来的环境污染问题，通过改善生态环境来推动经济的绿色高质量发展。在农业应用方面，可研究培养硼利用效率较高的农作物品种，同时合理施用硼肥，减少硼毒害对植物品质的影响，发挥硼元素在农业中的重要作用。

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