馬德源，馬云飛，于金慧，尤升波，劉云鵬，黃超，夏晗，畢玉平

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究中心，山東濟南 250100；2.濟寧市糧食和物資儲備保障中心，山東 濟寧 272000）

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中持續(xù)不合理施用化肥，連茬種植導致土壤板結(jié)、酸化、肥力下降、微生物多樣性下降、土壤病害加重、作物產(chǎn)量及品質(zhì)降低等問題日趨嚴重［1］。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，綠色農(nóng)業(yè)和有機農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展方向。《國家質(zhì)量興農(nóng)戰(zhàn)略規(guī)劃（2018—2022年）》提出加快農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展等重點任務(wù)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部也制定了《農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展技術(shù)導則（2019—2030年）》，發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)已上升為國家戰(zhàn)略。

海藻是含有葉綠體、無胚的葉狀體海洋孢子植物，具有生長速度快、適應(yīng)性強等特點，是海洋中儲量最大且可再生的生物質(zhì)資源。我國海藻資源豐富，常見的大型海藻資源有海帶、江蘺、裙帶菜、紫菜、羊棲菜、麒麟菜、滸苔和石花菜等［2］。據(jù)《2019中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》記錄，我國2018年海水藻類總產(chǎn)量234.4萬噸。海藻富含多糖、天然植物調(diào)節(jié)劑、氨基酸、藻朊酸、礦質(zhì)營養(yǎng)元素、維生素和不飽和脂肪酸等活性成分，廣泛用于食品、醫(yī)藥、化妝品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。20世紀50年代，海藻及其提取物就已用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

海藻肥是由藻類有效成分制成的有機高效肥料，可改善土壤、促進植物生長、提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)以及增強作物抗性。與其它肥料相比，海藻肥具有安全無毒、全面高效、環(huán)境友好［3］等優(yōu)勢。因此，以海藻或海藻廢渣為基質(zhì)生產(chǎn)海藻生物肥，是發(fā)展綠色、可持續(xù)農(nóng)業(yè)的有效方法之一，符合國家戰(zhàn)略需求。本文從海藻肥原料、功能成分、生產(chǎn)工藝以及近幾年來在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述，并探討海藻肥研發(fā)及推廣過程中存在的瓶頸問題，以期為開發(fā)新型高效海藻肥提供參考。

1 海藻肥原料及其功能分析

用于生產(chǎn)海藻肥的海藻主要為褐藻、紅藻和綠藻，最常用的為褐藻門泡葉藻、海帶、昆布、馬尾藻等。我國野生海藻資源豐富，且海藻人工養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達。藻體本身和藻類加工副產(chǎn)物均可作為開發(fā)海藻肥的原料。此外，由于海水的富營養(yǎng)化而導致的海藻爆發(fā)所產(chǎn)生的大量滸苔等海藻生物質(zhì)也可作為制備海藻肥的原料。與傳統(tǒng)的化學肥料和其它陸源有機肥相比，藻類肥料不僅綠色環(huán)保、補充陸源肥料缺乏的生物功能物質(zhì)、有助于農(nóng)產(chǎn)品提質(zhì)增效，還能夠促進藻類產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，是綠色農(nóng)業(yè)和藻類產(chǎn)業(yè)的有機結(jié)合［4］。

海藻肥富含天然生長調(diào)節(jié)劑、海藻酸、褐藻多酚、甘露醇及甜菜堿、脂肪酸等多種功能成分。隨著海藻研究的深入，新的功能物質(zhì)也被分離鑒定［5］。

1.1 海藻生長調(diào)節(jié)劑

海藻中植物生長調(diào)節(jié)劑類成分有細胞分裂素、多胺、赤霉素、脫落酸、吲哚3-乙酸、激動素和油菜素類甾體等，它們在植物生長發(fā)育中的作用也已被證實［6］。甜菜堿廣泛存在于海藻類以及其提取物之中，可增強海藻抵抗?jié)B透脅迫能力［7］，其結(jié)構(gòu)和功能因海藻種類而異。Valverde等對18種愛爾蘭海藻中的甘氨酸甜菜堿含量進行測定，發(fā)現(xiàn)不同海藻品種甜菜堿含量在1.39～105.11 ng／mL之間［8］。海藻甾醇類物質(zhì)主要為巖藻甾醇和鏈甾醇［9］。此外，海藻酚類物質(zhì)也具有較好的促生長作用［6］。

1.2 海藻多糖及低聚糖

海藻富含多種陸地植物所缺乏的多糖類物質(zhì)，包括海藻酸、褐藻多糖硫酸酯、巖藻多糖以及褐藻淀粉等［10］，也是海藻肥重要的指標成分。海藻酸具有凝膠、螯合及親水等特性，對保持水土、促進團粒結(jié)構(gòu)形成、活化礦質(zhì)元素、調(diào)節(jié)土壤pH值具有良好作用。當前生產(chǎn)的海藻肥多以海藻酸為主要功能成分，在國家制定的海藻肥標準中也得到充分體現(xiàn)。海藻多糖還可降解成不同小分子量的褐藻寡糖，具有促生長活性功能［11］。

1.3 海藻蛋白、多肽及氨基酸類

海藻中蛋白含量因藻種和生長環(huán)境不同而有所差異，紅藻和綠藻蛋白含量較高，在10% ～47%，褐藻相對較低，在3%～15%。海藻蛋白除含有天冬氨酸和谷氨酸等常規(guī)氨基酸，還含有褐藻氨酸、海人草酸、軟骨藻酸、?；撬岷湍氐群Ｔ逄赜邪被幔@些特有氨基酸均具有較好的功能活性［12］。海藻類蛋白對香蕉炭疽菌具有抑制作用，且不同來源作用機制不同［13］。多肽類、氨基酸類等肥料也具有很好的效果，與其它種類葉面肥相比，“多肽-氨基酸”葉面肥可以明顯提高作物對營養(yǎng)成分的吸收，延長營養(yǎng)成分的吸收時間，改善作物品質(zhì)，提高作物產(chǎn)量，有效抑制土壤中土傳病害的發(fā)生［14］，而微生物對海洋高分子物質(zhì)具有很好的降解作用［15］。因此，以海藻為原料，通過生物酶解或微生物發(fā)酵方式制備海藻多肽-氨基酸類肥料，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.4 脂質(zhì)化合物

海藻中富含棕櫚酸、十八碳烯酸、亞麻油酸、二十碳五烯酸等脂肪酸及其衍生物［16］，色素等親脂性化合物也與海藻潛在的生物活性密切相關(guān)［17，18］。Rajauria從褐藻中提取的親脂類抗氧化物顯示較強的抗氧化能力。利用LC-PDAESI-MS／MS分析可知，海藻提取物中含氰苷-3-o-糖苷、巖藻黃素、紫質(zhì)黃素、胡蘿卜素、葉綠素a衍生物和葉綠素b衍生物［19］。此外，紅藻中還有糖脂、鞘糖脂、半乳糖神經(jīng)酰胺類、肌醇磷酸神經(jīng)酰胺、甘油磷脂、磷脂酰膽堿、磷脂酸、磷脂酰甘油、甜菜堿脂質(zhì)等極性脂質(zhì)［18］。海藻中的脂類主要為單半乳糖基二?；视汀㈦p乳糖基二?；视?、磺喹諾酮基二?；视?、磷脂酰膽堿，占總脂質(zhì)分布的43.0%［20］。盡管在海藻肥的研究報道中很少涉及此類物質(zhì)，但是鑒于這些物質(zhì)的生物學作用，推測其對植物生長發(fā)育和抗逆性亦有積極的促進作用。此外，由于脂肪酸類成分含有的有機態(tài)氮和磷只有被微生物分解后才能被作物吸收利用，因此含脂肪酸海藻肥的肥效較為持久，與微生物菌劑搭配效果可能更好。

1.5 礦物質(zhì)

除以上成分，海藻還含有陸生植物無法比擬的鉀、鈣、鎂、鍶、碘等礦物質(zhì)，以及植物生長所必需的錳、鉬、鋅、鐵、硼、銅等微量元素。

2 海藻肥生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品類型

2.1 生產(chǎn)工藝

海藻肥的生產(chǎn)方法主要有化學法、物理法和生物法。化學法主要利用酸堿或有機溶劑處理海藻，使海藻細胞內(nèi)成分溶出。由于該方法操作簡單、成本較低，目前國內(nèi)外大多數(shù)海藻肥生產(chǎn)企業(yè)依然采用此種方法。但是由于化學原料對胞內(nèi)活性物質(zhì)破壞嚴重，且產(chǎn)生的廢棄液體造成了環(huán)境污染，因此該方法并不適合長久使用。物理方法主要采用高壓、超聲、低溫等方式達到海藻破壁效果，對儀器的要求相對較高，且處理規(guī)模較小，考慮到生產(chǎn)成本也不適合中小企業(yè)使用［2］。生物提取工藝是利用微生物發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酶系將海藻細胞壁降解，使胞內(nèi)活性成分溶出，并將大分子物質(zhì)分解為植物易吸收的小分子物質(zhì)。該方法反應(yīng)溫和、產(chǎn)物安全［21］，且生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生污染，因此是最具前景的海藻肥生產(chǎn)方法（表1）。

表1 海藻肥不同生產(chǎn)工藝比較分析

2.2 海藻肥常見類型

根據(jù)不同的分類標準，海藻肥可分為不同的種類，具體見表2。目前市場上常見的產(chǎn)品類型可以分為沖施肥和基質(zhì)肥。沖施肥有液體和水溶性粉劑兩種，由海藻提取液濃縮而成，適用于大部分作物。沖施肥在使用時通常需要稀釋，而稀釋倍數(shù)則根據(jù)葉面噴施、根部沖施、滴灌等方式或植物的不同生長時期而定。海藻基質(zhì)肥是指以海藻為主要有機質(zhì)來源，復配無機營養(yǎng)元素、其它類型有機肥或者微生物菌肥的肥料，可以是海藻有機＋無機復混、海藻有機＋其它有機復混、海藻有機＋其它有機＋無機復混、海藻有機＋微生物復混等多種組合方式。

表2 不同種類海藻肥

2.3 海藻肥科學施用方案

海藻肥會因產(chǎn)品種類、作物類型、生長時期及噴施方式的不同而表現(xiàn)出效果上的差異。如海生素和綠豐源可促進冬棗新梢生長，而雷力2000和海藻多功能肥則抑制新梢生長，對果實品質(zhì)而言，雷力2000和力力加海藻肥能降低冬棗總酸度，增加可溶性固形物含量，力力加海藻肥和海生素則可明顯提升果形指數(shù)［22］；海多根、海藻有機肥、海多壯和雙藻彭均不同程度地提高了冀張薯8號的產(chǎn)量，而施用海狀元全微肥、優(yōu)美達和海藻精的產(chǎn)量甚至低于對照［23］；水稻分蘗期施海藻精增產(chǎn)效果最好［24］；葉面噴施比根部澆灌能夠更好地改善櫻桃番茄生長發(fā)育和果實品質(zhì)［25］。因此，在進行海藻肥應(yīng)用研究時，需綜合考慮各種因素，將不同產(chǎn)品形式進行組合優(yōu)化，獲得多樣化的海藻肥施用方案，使其更好地發(fā)揮功效。

3 海藻肥在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用

3.1 促進植株生長

海藻肥富含天然植物生長調(diào)節(jié)劑，能夠促進種子萌發(fā)及植株生長。海藻液體提取物不僅提高番茄種子發(fā)芽率和活力，還能促進早期發(fā)芽、增加株高、葉枝數(shù)和產(chǎn)量［26］。海藻發(fā)酵液300倍稀釋進行葉面噴施可顯著改善櫻桃番茄果形指數(shù)、葉面積、單株產(chǎn)量［25］。濃度20%海藻液肥對辣椒種子萌發(fā)率、生化指標和辣椒色素特性增加效果最佳［27］。在冬小麥拔節(jié)-成熟期，葉面噴施海藻生物有機肥可促進植株生長、提高單株穗重和容重，增粗莖稈從而起到抗倒伏作用［28］。Chaikina等研究表明來自紅藻、褐藻和綠藻的水溶性提取物對大豆根系有促生作用，且低濃度（10-4g／mL）和超低濃度（10-10～10-12g／mL）均具有刺激作用［29］。海藻精對早晚稻均有明顯促生長效果，特別是分蘗期間施用分別增產(chǎn) 9.83%、8.43%［24］。經(jīng)過2年的大田試驗證實，1%泡葉藻提取物提高葡萄產(chǎn)量26%、果實數(shù)35%和果皮花青素含量21%［30］。葉面噴施新型海藻生物肥1 000～1 500倍時，火龍果單果重、單果體積、橫徑和縱徑均顯著高于對照［31］。海藻肥還可顯著增加茶樹的芽密度和百芽重，是促進低產(chǎn)改造茶園茶樹生長發(fā)育的最佳葉面肥［32］。從以上研究來看，不同形式的海藻肥在特定濃度下對果蔬、作物等均具有良好的促生長功能。

3.2 提高產(chǎn)品品質(zhì)

海藻肥可改善果蔬口感、提高果蔬的營養(yǎng)功能成分。施用海藻肥（1 200～1 600倍）有利于增加紫油菜的花青素、可溶性蛋白、維生素C含量［33］。海藻肥與2‰瓊膠寡糖共同使用可顯著提高秋葵果實內(nèi)黃酮、果糖、果膠、游離氨基酸、可溶性糖和維生素C含量［34］。在1 500倍海藻生物肥處理下，草莓的可溶性固形物含量、糖酸比、還原糖含量和硬度較對照均顯著增加，其中VC含量提高50.2%；在2 500倍海藻生物肥處理下，花青素與類黃酮含量較對照分別增加42.0%與30.6%，而高濃度（1 000～500倍）則抑制花青素與類黃酮的積累［35］。噴施海藻葉面肥可提高葡萄植株中的氨基酸含量，且0.25%和0.50%的褐藻提取物對葡萄品質(zhì)有顯著影響，其中旱季0.25%劑量顯著提高了葡萄中氨基酸含量，而雨季0.50%劑量則表現(xiàn)更為有效［36］。海藻葉面肥可平衡冬棗樹勢含量，提升果形指數(shù)、降低冬棗總酸度，增加可溶性固形物含量［22］。

海藻肥還可提高香草植物的精油含量和成分組成。通過噴施海帶提取物，顯著提高了薄荷和羅勒中的精油含量，薄荷中l(wèi)-薄荷酮油和l-薄荷醇油含量分別達到32.4%和32.6%，羅勒中chavicol甲基醚、芳樟醇和 cineol分別達到38.7%、29.1%和9.1%，且薄荷油中普勒酮和甲氧呋喃的潛在毒性也有所降低，同時表現(xiàn)出比對照更高的抗菌潛力［37］。噴施海藻肥可顯著提高迷迭香揮發(fā)油含量，提高單萜和倍半萜烯等成分含量［38］。

3.3 增強抗性

施用海藻肥可提高干旱、低溫、鹽堿等環(huán)境脅迫下植物的適應(yīng)性。干旱脅迫條件下，海藻酸、褐藻多酚、甘露醇和甜菜堿均能顯著提高菜心葉片相對含水量和葉綠素含量，提高葉片SOD和POD活性，其中以海藻酸效果最佳［39］。海藻萃取液可提高正常和水分虧缺情況下玉米植株抗氧化酶的活性，增加穗軸長度和每穗軸粒數(shù)［40］。海藻提取物或海藻肥可增強鹽脅迫下辣椒或番茄植株中抗氧化酶活性，提高葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量，增加葉片和果實鮮重和干重［41，42］。

海藻肥還可增強作物的抗病性。海藻肥單施或與生物炭等混施可降低煙草青枯病發(fā)病率及病情指數(shù)［43］。以海藻液為載體制備復合生物海藻肥可抑制番茄灰霉病病原菌繁殖，病情指數(shù)比對照降低38.86%以上［44］。葉面施用褐藻多酚eckol（10-6mol／L）不僅顯著提高大白菜莖長和根長以及其鮮重和干重、葉面積和葉數(shù)，且在所有對照植株均嚴重感染菜心蚜蟲前提下，eckol處理組未見感染［45］。

3.4 增效作用

海藻肥與無機鹽、其它有機肥或菌肥混合施用時，可有效提高整體肥效。海藻酸（0.8% ～1.2%）可明顯提高鉀肥利用率，促進不結(jié)球白菜的根系生長，顯著提高白菜產(chǎn)量［46］。海藻寡糖尿素與有機肥配施可以顯著增加大豆主莖節(jié)數(shù)、單株總莢數(shù)和根瘤數(shù)，提高總干物質(zhì)累積量及產(chǎn)量達22.5%和9.7%［47］。海藻肥與球毛殼菌 ND35菌肥復混處理可提高黃瓜光合作用效率和水分利用率，均比對照增產(chǎn)21.9%以上；海藻肥與菌肥復混處理對改善黃瓜品質(zhì)效果明顯，可溶性糖、可溶性蛋白和維生素C含量分別比對照增加7.9%、173.0%和 310.2%，硝酸鹽含量降低15.6%。海藻肥與菌肥復混能促進黃瓜對土壤中N、P、K的吸收利用，特別是對速效鉀吸收效果明顯［48］。濃度為5%的海帶提取物（KSWE）可提高甘蔗產(chǎn)量8%以上，此外采用6.25%KSWE＋50%化肥處理后，與對照（水＋100%化肥）相比，甘蔗的產(chǎn)量均等，說明KSWE具有提高肥效的作用［49］。

4 海藻肥作用機理

藻類提取物具有促進植物生長的特性，但是影響植物生長的機理尚不完全明晰［50］。海藻肥在農(nóng)業(yè)上發(fā)揮良好作用可能涉及以下機制：

4.1 改善土壤理化性質(zhì)，建立良好的微生態(tài)環(huán)境

海藻肥可改善土壤團粒結(jié)構(gòu)、內(nèi)部孔隙，提高土壤有機質(zhì)、全氮［51，52］、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效鉀和有效磷含量［53］，增強保肥蓄水功能，降低土壤重金屬的有效含量［54］。

海藻肥所含有機質(zhì)、活性物質(zhì)以及微量元素可激活土壤中各類有益菌，顯著提高土壤中細菌、真菌和細菌數(shù)量［55］，增加有益菌群比例，而土壤細菌群落主要類群的相對多度與細菌α多態(tài)性的變化可能與土壤中酶活有關(guān)［56］。

4.2 促進細胞分裂，提高植物光合作用效率，增強營養(yǎng)成分吸收

海藻富含的生長調(diào)節(jié)劑類成分能夠打破種子休眠、促使萌發(fā)，促進細胞分裂、胞體增大，還可解除頂端優(yōu)勢、促進側(cè)芽生長等。

噴施海藻肥可有效提高植株凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率，降低葉片胞間二氧化碳濃度［57］。多糖、甜菜堿等物質(zhì)可調(diào)節(jié)細胞的滲透作用、促進植物體內(nèi)養(yǎng)分輸送。

4.3 誘導植物體內(nèi)保護性蛋白酶的合成

海藻肥可顯著提高植株體內(nèi)抗氧化酶活性，降低丙二醛和活性氧的含量［42］，可能通過參與調(diào)控植物碳水化合物代謝、生長、激素信號轉(zhuǎn)導以及抗氧化劑相關(guān)基因，降低氧化應(yīng)激誘導的細胞死亡和葉綠體降解相關(guān)的脂質(zhì)等機制來抵抗非生物脅迫引起的植物氧化損傷［58］。

5 海藻肥應(yīng)用瓶頸解析及展望

5.1 產(chǎn)品質(zhì)量控制

海藻肥品質(zhì)受原料、工藝、劑型等多方面的影響。目前海藻肥生產(chǎn)企業(yè)所用原料以褐藻為主，包括巨藻、泡葉藻、昆布、海帶和馬尾藻等，其它藻類如滸苔、墨角藻和石莼等。盡管我國的《海藻酸類肥料》和《含海藻酸尿素》國家標準已在2017年4月1日正式實施，但是由于生產(chǎn)原料不同，海藻肥的產(chǎn)品質(zhì)量仍參差不齊。生物制備方法因其綠色環(huán)保、高效、可持續(xù)等優(yōu)點備受推崇，然而目前微生物發(fā)酵方法的穩(wěn)定性較差，難以形成統(tǒng)一的生產(chǎn)標準。因此，企業(yè)需加強產(chǎn)品質(zhì)量控制，保證產(chǎn)品實際使用效果；加強生物工藝方面的研究，篩選高效發(fā)酵菌株、明確發(fā)酵工藝和有效產(chǎn)物，為企業(yè)標準化、規(guī)模化生產(chǎn)海藻肥提供強力支撐。

5.2 市場占有率低

從中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種植業(yè)管理司有效肥料登記發(fā)布處查詢，以海藻為原料的肥料占比較小，仍屬于新型小眾產(chǎn)品。眾所周知，市場占有率取決于終端用戶對產(chǎn)品的接受程度。盡管海藻肥在小區(qū)試驗和大田應(yīng)用中均表現(xiàn)出較好的使用效果，且新時代下的種植戶對于科技成分含量較高的新型肥料的需求較以往高，但是科技推廣工作仍需進一步加強，從總體上提升用戶的意識。此外，降低成本也是海藻生物肥料推廣應(yīng)用中亟待解決的問題。

5.3 展望

隨著社會的發(fā)展及科技的不斷進步，人們越來越重視農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。有機農(nóng)業(yè)是可持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向和趨勢，而有機農(nóng)業(yè)體系下對肥料的要求嚴格，全球公認的有機標準均將海藻肥料列為允許使用物質(zhì)。因此，海藻肥在農(nóng)業(yè)上的經(jīng)濟價值空間巨大。

海藻肥的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用有利于我國海藻資源的深度開發(fā)和利用，可促進我國綠色有機農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全，推動種植業(yè)的健康發(fā)展。因此，海藻肥的研發(fā)與應(yīng)用具有顯著的社會效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，發(fā)展前景廣闊。隨著海藻生物肥料的應(yīng)用和不斷研發(fā)，海藻生物肥將在我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中發(fā)揮重要作用。