海藻酸及海藻寡糖在肥料增效助剂领域的应用

张 琳，韩西红，王海朋，赵丽丽，秦益民

（1.青岛明月海藻集团有限公司/农业部海藻类肥料重点实验室，山东 青岛 266000；2.海藻活性物质国家重点实验室，山东 青岛266400）

海藻属于低等隐花植物，是海洋食物链的一级生产者，具有生长速度快、藻体结构简单、对生长环境适应能力强的特点。海藻浑身是宝，不但可供食用，也是海藻化学工业、药品工业及海藻胶工业的重要原料[1]。海藻中含有大量陆生生物缺乏的生物活性成分和微量元素，这就使得海藻在肥料应用领域具有巨大的开发利用前景。人们利用海藻作为肥料已经有近2 000年的历史，公元前l世纪，欧洲沿海地区的人们就将海藻粉施用到农田中，以此来提高作物产量，减少病虫害。

海藻肥通常是以生长在海洋中的大型褐藻为原料，如泡叶藻、海带、马尾藻等，通过化学、物理和生物的方法，提取海藻中的有效成分，制成海藻生物有机肥料，为植物生长提供养分[2]。由于海藻体内含有丰富的营养物质和生理活性物质，海藻类肥料中的有机活性成分集营养成分、抗生物质、天然植物激素于一体，对刺激植物生长起着重要的作用。许多速生海藻体内含有高水平的植物内源激素，通过藻体或海藻提取物制备液体、固体肥料和作物增产剂、抗逆剂，在粮食作物、水果、蔬菜及花卉等方面应用效果明显[3]。

1 海藻酸和海藻寡糖

海藻肥中的营养成分丰富、种类繁多，包括海藻酸、甜菜碱、甘露醇、氨基酸、维生素、矿物质以及内源植物激素等结构独特的活性物质和海藻代谢产物，为农作物生长提供充足营养。同时研究表明，海藻植物内源激素能够显著地促进作物生长，增加产量，增强作物抗旱、抗寒能力，减少病虫害，对土壤友好，保护生态环境[4]。

1.1 海藻酸

海藻酸是海藻肥中的标志成分。海藻酸广泛存在于褐藻细胞壁和细胞间质中，是由单糖醛酸线性聚合而成的多糖，是植物的主要供能物质，起到了强化细胞壁的作用。海藻酸单体为β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古罗糖醛酸（G），这两种单糖通过1，4糖苷键聚合成嵌段共聚物，成为具有广泛生物活性的天然生物大分子。海藻酸分子式为（C6H8O6）n，分子量范围从1万到 60万不等[5]，由于产地和气候环境的不同，不同品种的褐藻有其特有的结构和生物特性，从不同的褐藻中提取的海藻酸也有不同的化学结构和物理性能。海藻酸化学结构式如图1所示。

图1 海藻酸的分子结构

海藻酸可降低水的表面张力，增大药液与叶面的接触面积，保水性更强，使水溶性物质更容易通过茎叶表面细胞膜进入作物细胞，使作物更有效地吸收海藻提取液中的营养成分。同时，海藻酸分子中的众多羧基与羟基易与土壤中的金属离子相结合，形成分子量倍增的交联高分子，这种高分子盐能牢固地与水分子结合，促进土壤形成团粒结构并保持水分[6]。

1.2 海藻寡糖

海藻寡糖是由海藻多糖（海藻酸）经过酸、氧化剂或裂合酶降解而获得的小分子量片段。海藻寡糖水溶性好，易于被吸收利用，许多研究已经证实海藻寡糖能够在植物生长调节和诱导抗病领域发挥积极的作用。海藻寡糖具有较高的激发子活性，在植物抗病生理过程中能诱导植物产生植保素和防卫响应因子，抵御外来微生物的侵染，或直接作用于病原菌，参与植物的诱导抗病过程[7～9]。同其他来源的寡糖相同，海藻寡糖对植物来说也是一种重要的信号分子，对植物有促进生长的作用，一定浓度的海藻寡糖可促进作物对氮、磷以及许多矿物质元素的吸收，为其作为氮肥增效剂提供有利条件[10]。

海藻寡糖分子结构中的羧基含有负电荷基团，与多肽类肥料增效剂聚天冬氨酸（PASP）的增效原理类似，即其中的负电荷结合了氮肥中的氨和铵态氮，在特定的条件下形成络合物，缓慢释放氮养分，抑制其向硝态氮及亚硝态氮的转化，最终达到减少氮素损失及长期供氮的目的，从而提高了氮肥的利用率。此外，海藻寡糖对作物生长有一定的调节作用，增产效果较好、价格和生产使用成本较为低廉、生产原料丰富，具有较为广阔的发展空间及市场前景[11]。

海藻精原粉是富含海藻酸和海藻寡糖等海藻提取物的一种典型产品，海藻精的制备是通过浓缩海藻降解提取液所得。其制备过程需登记有机水溶肥料证件，生产企业使用各自的企业标准，其中各个生产企业的海藻酸和海藻寡糖的含量有所差别。海藻肥行业内目前已颁布实施了2个行业标准，分别是HG/T 5050—2016《海藻酸类肥料》和HG/T 5049—2016《含海藻酸尿素》。2018年6月1日颁布NY/T 3174—2017《水溶肥料海藻酸含量的测定》，尚无国家标准。

2 海藻酸与海藻寡糖在肥料助剂领域中的应用

肥料助剂是肥料产业的一个重要组成部分，在改善化肥产品品质、增加产品功能及提高肥料利用率等方面具有重要作用。随着生态农业和绿色农业在世界范围内的兴起以及农业农村部2020年化肥农药零增长的要求，研究和开发生态环保、提质增效的新型肥料成为当今肥料界最有意义的课题之一。

2.1 外源添加海藻提取物

对帮助传统化肥生产企业的化肥产品进行结构调整和产业升级，对促进现代农业发展、提高资源利用率、减少化肥施用不当对环境可能造成的不利影响等方面具有十分积极的作用。

2.2 利用海藻精作为增效助剂

将海藻精添加到肥料生产中，常见的添加方式是将海藻精添加到大量元素水溶肥、有机水溶肥料、含腐殖酸水溶肥料等当中，添加少量的海藻酸原粉，就可以起到提高肥效和营养价值的作用。因此有些肥料企业将海藻精原粉加入到转鼓造粒和高塔造粒的尿素原料中，还有一些企业将海藻精添加到以硝铵溶液为原料的高塔硝基复合肥产品中[12]。

2.3 海藻包膜肥料

利用海藻提取液，通过喷涂的方式在肥料颗粒表面形成包膜层，在实现肥料缓释的同时，还能起到增效的作用。有的企业已经申请专利，生产具有脲酶抑制作用的海藻酸包膜缓释尿素，将海藻提取液制成水溶性包膜材料，将此包膜材料均匀地喷涂在尿素颗粒表面，热风瞬间干燥，流化床冷却至室温，制得海藻酸包膜缓释尿素，其具有脲酶抑制和缓释的双重作用，能有效提高尿素的利用率[13]。

将海藻液用高压计量泵按海藻液增效剂∶熔融尿素为0.15∶10比例加入位于尿素生产流程中第一和第二蒸发器之间的尿液槽中，经过高塔造粒得到海藻液增效尿素[14]。将海藻精原粉加入到尿素和复合肥生产工艺中，添加量以及海藻活性物质的活性保全是最关键的因素。

2.4 海藻渣作为肥料增效增值添加物

海藻渣是褐藻（海带、泡叶藻、巨藻等）加工工业中提取海藻胶等产品后剩余的固态物料。按干物质计算，海藻加工工业中利用率仅在30%左右，海藻渣占超过50%的成分。海藻渣主要成分为海藻粗纤维、蛋白质、海藻多糖、壳聚糖、海藻多酚类、甜菜碱等。其中蛋白质组成中含有丰富的精氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸等氨基酸成分，海藻渣粗纤维含量可达35%以上，将海藻渣原料经过发酵腐熟后可制成优质的有机肥料，对农作物具有营养、抗病、增产的功效[15，16]。将海藻渣发酵腐熟制得的有机颗粒肥加入BB肥、控释肥当中，也可以起到丰富肥料产品品种、调理土壤、提高肥料利用率的作用。

3 总结

如今，海藻肥的充分开发利用已成为热门的研究课题，将海藻提取物做成肥料和肥料助剂，可以丰富现有技术中肥料的种类，对尿素、复合肥等传统肥料起到增效增值作用。同时海藻提取物作为添加原料制作高端叶面肥和冲施肥，可以改善作物品质和产量，提高作物抗逆性，且有效改善土壤环境、减少污染，具有良好的社会效益和经济效益。海藻肥作为一种新兴功能性肥料，其对作物生长的增益效果已经得到农业工作者的广泛认可，然而对其功效机理的研究尚未透彻，对海藻提取物中各活性成分的协同作用及其构效关系尚不清晰，仍需进一步的研究。