活性生物海藻肥的作用机理及应用前景

桑卫民，王晓辉，韩西红，刘 杨

(1.山东省土壤肥料总站 山东济南 250100；2.青岛明月海藻集团有限公司/农业农村部海藻类肥料重点实验室 山东青岛 266400；3.山东省济南生态环境监测中心 山东济南 250100)

我国是传统的农业大国，过去几十年化肥的使用大幅度提高了农作物的产量，化肥的最高贡献率达50%～55%[1]。随着化肥用量的持续增加，化肥增产的弹性系数逐渐降低，甚至趋于零[2]，即继续增加化肥的使用量，农作物不再增产。这不仅增加了生产成本，且过量使用化肥导致了耕地土壤污染(土壤酸化、板结、盐渍化)、病虫害加剧、农产品品质下降等问题的出现，安全问题也随之而来。另外，随着人民生活水平的逐渐提高，对高品质农产品的需求量呈增长趋势。

市场对农资产品的需求，促使我们去实现优质、高产、低成本、高品质的农业生产目标。为此，国家发布了一系列文件：2015年2月，原农业部发布了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》和《2020年农药使用量零增长行动方案》；2016年10月25日，中共中央、国务院印发并实施《“健康中国2030”规划纲要》；2017年2月，原农业部印发《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》。从近几年国家出台的政策措施可以看出，解决我国农产品安全问题和保护农业生态环境迫在眉睫。

海藻是生长在海洋中的低等光合营养植物，富含海藻多糖、岩藻黄素、褐藻多酚、甜菜碱、植物激素、酚类化合物等活性物质以及矿物质元素、粗蛋白、粗纤维等营养物质[3]。海藻肥是指以天然海藻为原料，通过物理、化学或生物的技术手段直接生产加工或添加一定数量的外源有机质、氮、磷、钾及其他微量元素等加工而成的新型肥料。与传统化学肥料相比，海藻肥具有环保、绿色、有机、高效、智能等优势，是一种集营养成分、抗生物质、纯天然生物刺激素于一体的特种生物肥料[4]，既可单独使用，又可作为增效剂与化肥或农药搭配使用，且其生产成本较低，对人畜和自然环境友好，是适应现代农业发展的新型绿色环保肥料。海藻肥在欧盟瑞士生态市场研究所(IMO)、法国国际生态认证中心(ECOCERT)、北美有机材料评估研究所(OMIR)、日本有机农业标准(JAS)和中国有机食品技术规范中被明确认定为有机食品生产专用肥料，加拿大、美国、挪威等国家早已把海藻肥列入有机食品专用肥料。中国海藻资源丰富，海藻提取物的开发与应用前景十分广阔。

1 生产原料

海藻是海洋中生物多样性最典型的海洋植物，含有11个门上万种，是规模最大的海洋生物资源。海藻通过光合作用为海洋中其他生物提供有机物和氧气，支撑起庞大的海洋生物链；同时还具有强大的吸附能力，可以浓缩相当于自身质量44万倍的海洋物质[5]，营养极其丰富、均衡，是海洋中有机物的原始生产者和无机物的天然富集者。此外，海藻生长环境恶劣，涨潮时被海水淹没，落潮时暴露在阳光下，海里光照少、氧气浓度低、高盐碱、高压，还要抵抗海里食草动物的机械性伤害或微生物感染，其体内积累的内源活性物质种类和含量与陆生植物截然不同，如海藻中特有的海藻酸盐、岩藻多糖、岩藻黄素、褐藻多酚等活性物质对农作物具有极强的促生、抗逆作用，是陆地资源的重要补充。

生产海藻肥的第一个关键步骤是海藻种类的筛选和供应。常见的藻源生物刺激素生产的原料包括泡叶藻(Ascophyllumnodosum)、极大昆布(Eckloniamaxima)、海带(Laminariadigitata和Laminariajaponica)、马尾藻(Sargassum)和浒苔(Enteromorphaprolifera)等。除了海带可以大规模养殖外，其余几种海藻均依赖于天然野生资源，可持续性地收获野生大型海藻是海藻肥行业长期健康稳定发展的关键。

受海藻生长区域的影响，海藻肥的原料选择有很明显的地域特点。极大昆布主要分布在非洲南部海岸，其茎叶粗壮高大，是南非Kelpak公司的海藻肥原料；马尾藻生长在暖温海域，在我国南方有马尾藻的分布，是生产海藻肥的一种新型原料；海带在大西洋和太平洋沿海分布广泛，尤其在我国，人工养殖规模巨大，可为海藻肥生产提供充足的原料；泡叶藻主要生长在大西洋冷水海域，其海藻酸、植物激素等活性物质含量较高，生长旺盛，是国际上海藻肥生产的主流原料。

2 生产工艺

海藻肥的核心物质是纯天然海藻提取物，因此制备工艺直接决定了海藻提取物的生物活性及应用效果。目前国内外常用的海藻肥加工工艺主要包括物理法、化学法和生物法等[6]。物理法可避免海藻中活性物质的损失，但成本较高，内含物提取率低。化学法操作简单、快速、反应较彻底，但对海藻细胞内活性成分具有破坏性，尽管如此，国内外大部分企业还是采用碱解的方法制备海藻提取物。生物法包括酶水解法和微生物发酵法，此方法解决了化学法对海藻中活性物质的破坏、物理法降解率低的问题，但由于海藻降解酶的种类有限，酶成本偏高；微生物发酵法存在高效株缺乏、菌株产酶能力低等问题。从2018年开始，海藻肥行业虽然不断推出酶解技术和酶解产品，但是在效果、外观颜色、气味、技术指标、价格等方面存在非常大的差异。因此，建议有关部门加强海藻肥质量管控和严格证照管理制度，进一步规范海藻肥企业生产经营行为，为农民提供合格、质优的产品。

2.1 化学法

化学法主要包括直接提取法、有机溶剂法和碱解提取法等，易放大用于批量处理，工艺相对成熟。直接提取法是将海藻粉末加水加热后提取滤液，操作简单，应用较早，但受海藻种类和收获季节等因素影响，提取效率偏低，通常只有质量分数30%～40%的干物质能被水顺利溶出。有机溶剂法采用洗涤剂增溶，整个过程中原料的粉碎程度、溶剂用量、提取温度、提取时间及设备条件等因素都会影响提取效率，需摸索出适宜的工艺参数；此外，该法还存在提取时间长、有机溶剂用量大、有机溶剂残留及生产成本高等问题。碱解提取法是在碱性溶液(碳酸钠或氢氧化钠水溶液)中对藻体进行水解，使藻体中结合态的元素被释放出来，此法简单易行，能提高有效成分的释放率，但强碱会破坏海藻中甜菜碱、维生素、细胞分裂素、生长素的活性，所以从海藻的产品质量上来看，常常表现出状态不稳定、效果不突出等问题。

2.2 物理法

物理法主要包括均质过滤法、渗透休克法、超声波破碎法、研磨法、高压匀浆法和冷冻粉碎法等，通过机械破碎、研磨、冻融或冷冻粉碎、渗透粉碎等方法将海藻粉碎成细小的颗粒，再提取海藻中的营养成分，粉碎过程温度适中且不使用任何化学药剂，因此能够保证海藻中的营养成分和内源活性物质不被破坏。其中，均质过滤法的费用相对较低；渗透休克法的提取物纯度高，但细胞破碎率低、操作复杂、费用较高；超声波破碎法所需设备简单、操作方便、破壁效率较高，但局部易过热致使活性物质变性失活，且成本较高，不适合工业化批量处理；研磨法的整个过程需高效冷却；高压匀浆法的破碎率较低，需反复破壁以提高破碎率；冷冻粉碎法为冷冻与粉碎相结合，将原料在低温冻结的状态下进行粉碎，适用于常温下难以粉碎的物料，但其成本较高，不适合批量生产。

2.3 生物法

生物法主要包括微生物发酵降解法、酶解法等，工艺条件较温和。微生物发酵降解法是利用微生物分泌的胞外酶、有机酸等对海藻藻体进行生物降解，裂解细胞壁、细胞膜，释放海藻细胞内的活性物质并对其进行生物加工，产生种类更多的活性物质，可以增强海藻肥的肥效。酶解法是通过酶分子的生物催化作用，使致密的海藻组织变得松散，海藻细胞发生裂解，从而将“束缚”在海藻组织和海藻细胞中的天然活性物质“释放”出来，不会影响天然物质的生物活性。

3 海藻肥的活性物质及作用机理

海藻肥的核心物质是纯天然海藻提取物，富含海藻独特的活性物质，包括海藻酸盐、岩藻多糖、褐藻多酚、岩藻黄素等，此外富含40余种矿物质元素及多种植物内源激素、维生素、氨基酸、甘露醇、有机碘、萜类和酚类化合物等。

3.1 海藻酸

海藻酸又称海带胶、褐藻胶，是由1,4-聚-β-D-甘露糖醛酸和α-L-古罗糖醛酸组成的天然高分子多糖(见图1)，是褐藻细胞壁的主要组成成分[7]。海藻酸是以钙盐及钠盐的形式存在于海藻细胞壁及细胞间质中，具有良好的生物降解性、生物相容性、成膜性、稳定性等，被广泛应用于食品、保健品、医药、印染等领域。海藻肥中标志性活性物质即为海藻酸，其在农业生产中的作用机理研究已取得一定的成果。

图1 海藻酸分子结构示意

(1)改良土壤[8]。海藻酸分子可与土壤中的阳离子络合形成凝胶物质，填充到土壤空隙中，可增大土壤总孔隙度，降低土壤容重，促进土壤团粒结构形成，增强土壤持水能力，提高土壤呼吸速率，协调土壤中固、液、气三者比例，螯合土壤中的重金属，恢复由于土壤负担过重和化学污染而失去的天然胶质平衡，同时也补充了土壤有机质。海藻多糖形成的螯合系统可以缓解功能性海藻肥中速效养分的释放速率，延长肥效。

(2)提高肥、药、水利用效率[4]。海藻酸分子可降低溶液表面张力，增大营养物质与植物叶片的接触面积，进而提高肥、药、水的利用效率。

(3)激发土壤活力[9]。海藻酸可直接或通过植物间接向土壤补充有机质，激发土壤中有益微生物的活力，有利于土壤中不溶性磷、钾资源转化成可被植物直接吸收的速效磷和速效钾，提高土壤酶的活性，培肥土壤，为植物健康生长营造良好的土壤环境。

(4)诱导植物的抗逆性[10-11]。海藻寡糖可促进植物体内有机物和无机物的上下输送，调节细胞的渗透压，增强植物细胞抗氧化酶系的活力，降低叶绿素分解速率，诱发植物产生抗逆因子，提高机体免疫力，增强植物的抗病、抗逆性，促进植物生长。

(5)延长水果采摘后的保鲜期[12]。海藻酸分子具有成膜特性，采摘后的水果喷施海藻酸钠溶液可起到防止水分流失和隔绝病原微生物的作用。

3.2 褐藻多酚

褐藻多酚是从褐藻中提取出来的一类以间苯三酚为结构单元(见图2)的酚类化合物，具有显著的抗氧化性。

图2 褐藻多酚分子结构示意

(1)抗氧化作用[13]。褐藻多酚通过清除植物细胞内的氧化自由基(活性氧)、增强植物体内抗氧化酶系活力、络合具有催化作用的金属离子、吸收紫外线等，实现抗氧化功能，防止氧化应激造成损伤。

(2)螯合土壤重金属[14]。褐藻多酚可螯合土壤中的铅(Pb)、镉(Cd)等重金属离子，避免重金属离子在植物体内大量富集。

(3)促进植物生长、果实转色[15]。褐藻多酚可促进植物体内酚酸类、类黄酮、植物生长激素、红果素等化学物质的合成，有效促进植物生长发育，增强植物抗逆性，促进果实转色等。

3.3 岩藻多糖

岩藻多糖又称褐藻多糖硫酸酯或褐藻糖胶，是由含硫酸基的岩藻糖所构成的海洋复合多糖物质(见图3)，含有大量硫酸基团，同时含有半乳糖、木糖、葡萄糖醛酸和少量蛋白质，是褐藻特有的生理活性物质。岩藻多糖具有抗氧化、抗辐射、抗菌、保湿等功能，在化妆品和保健品方面的应用研究较多[16-18]，而在农业方面的研究较少。有研究表明[19]，低聚岩藻糖可通过提高细胞保护酶系[过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)]的活力，降低叶片细胞膜脂的氧化程度，减少氧化产物丙二醛的积累，提高可溶性蛋白和可溶性糖的含量，缓解叶片细胞叶绿素的降解，降低质膜的透性等，来增强植物的抗寒性。

图3 岩藻多糖分子结构示意

3.4 植物内源激素

海藻提取物的组成非常复杂，含有种类丰富的植物生长调节剂，是海藻肥促进植物生根生长的重要成分，包括植物生长素(IAA)、细胞分裂素(CTK)、赤霉素(GA)、甜菜碱、脱落酸(ABA)、茉莉酸(JA)、多胺、油菜素甾醇等多种生物活性物质。这些生物活性物质能够促进细胞分裂生长、组织分化，诱导防御和应激反应，调节细胞渗透压，增强抗性，调节植物的生理状态，促进机体内部营养物质的运输和利用，从而实现促进植物生长、提高作物产量和品质的作用。

3.5 矿物质元素

海藻被形象地比喻为海陆间植物营养的“搬运工”。在农业生产的常规施肥中，有相当一部分速效营养物质随雨水或者地下水流入海洋中，海藻就可以将这些营养物质有效地富集起来。海藻中富含40余种矿物质元素，如褐藻含有Ca、Mg、K、Na、P、S、I、Fe等元素[20]，一些海藻中还富含高浓度的有机碘。以海藻为原料，经加工制得的海藻肥再次施入土壤中，实现了矿物质元素的良性循环。如表1所示，提取海藻酸之后的海藻残渣中含有丰富的矿物质成分和植物生长激素，因此，海藻渣也是一种资源，以海藻渣为原料，经三重发酵制得的海藻有机肥安全性高，具有养地生根、改良土壤结构、补充土壤有机质及矿质元素、预防缺素症等作用，而且生物有机肥料在蔬菜、粮食、棉花等大田作物的种植中推广使用也是一个必然的趋势。

表1 海藻渣的化学组分[21]

3.6 其他活性物质

海藻肥组分复杂，除了上述物质外，还富含维生素、氨基酸、甘露醇、海藻蛋白、有机碘、萜类和酚类化合物等，在调节细胞渗透性、增强光合作用、诱导植物抗逆和提高吸收营养物质效率方面起着关键作用。

4 海藻肥的应用前景及存在的问题

海藻肥是一种天然有机多效特种肥料，符合绿色、环保的要求，也符合我国农业发展的趋势。多功能海藻肥在欧美及以色列等国家已经得到了广泛应用，在亚洲的日本、越南、泰国、斯里兰卡等国家也有了很大的用量。目前，全球每年对多功能海藻肥的用量估计在50 kt以上。随着生态农业的进一步推广，全球对藻源生物刺激素的用量会稳步上升。

当前海藻肥行业的发展也遇到了一些亟待解决的问题：①提取工艺落后，产品质量参差不齐，产品真假难辨，严重影响了消费者对海藻肥的信赖；②肥料经销商及广大农民对海藻肥的功效、使用方法等方面的知识依然不足，对绿色农业、无公害农业的认识比较浅薄；③国内农业生产依然以小生产为主体，消费者对生产成本的考虑仍是影响其购买行为的重要因素。为了促进海藻肥行业迅速、健康和稳定的发展，需要加大海藻提取工艺研究的投入，加强海藻肥市场的推广力度，严格海藻肥质量的管控，以进一步规范海藻肥企业生产经营行为，为农民提供合格、质优的产品。

5 结语

为了保持健康，人体既需要大量营养元素(碳水化合物、蛋白质和脂肪)，也需要微量营养元素(维生素和矿物质)。营养元素通过土壤进入动植物，再由动植物进入人体。土壤健康、动植物健康，人体才会健康。营养学研究揭示矿物质与人体最佳健康状态存在极为密切的关系，人体中的微量元素与地壳元素丰度呈正相关，这是土壤-植物-动物-人类的生物链传递结果。

随着我国经济的高速发展、人民生活水平的不断提高，食品质量与食品安全日趋成为关注的焦点。海藻肥具有绿色、高效、安全、环保等特点，符合国际有机食品的要求。作为一种天然生物制剂，海藻肥可与“植物-土壤”生态系统和谐作用，还原土壤的最佳状态，促进植物自然、健康生长。当前海藻肥的快速发展推动了我国肥料产业的又一次新技术革命，将打造农业经济中一个新的增长点，通过打造健康的土壤、健康的生态系统、健康的社区，在现代再生农业中发挥重要的作用。