海藻活性物质在改良土壤中的应用功效

秦益民朱长俊耿志刚

(1.嘉兴学院，浙江 嘉兴 314001；2.海藻活性物质国家重点实验室，山东 青岛 266400；3.农业农村部海藻类肥料重点实验室，山东 青岛 266400；4.青岛明月蓝海生物科技有限公司，山东 青岛 266400)

生物强化是指通过加强生物多样性和土壤肥力，在最小的面积上获得更多、更好的农产品。生物强化的生产体系以可持续性和营养循环为特征，其中农业生态环境中的有益生物和害虫之间的有效平衡使生产投入降低，从而减少农产品的生产成本，提高农业生产的经济效益。生物强化生产体系的管理涉及农作物的综合管理战略，在生产过程中使用生物刺激剂和生物保护剂，而不是用传统的农化制品为作物提供营养和保护。在传统的生产方式向生物强化生产的演变过程中，生物刺激剂在改良土壤、促进生长、防治生物和非生物胁迫中发挥重要作用[1]。

2011年6月成立的欧洲生物刺激剂产业理事会(European Biostimulants Industry Council,EBIC)把生物刺激剂定义为一种包含某些成分和微生物的物质，其中这些成分和微生物在施用于植物或者根围时，产生的功效是对植物的自然进程起到刺激作用，包括强化或有益于营养吸收、营养功效、非生物胁迫抗力以及作物品质，而与营养成分无关。2018年美国农业法案指出，生物刺激剂是一种物质或微生物，当应用于种子、植物或根际时，能刺激其自然过程以促进或增强营养吸收、营养效率以及对非生物胁迫的耐受性或作物的产量和质量[2]。

海藻是生物刺激剂的一个重要来源。生长在海洋中的藻类生物包括褐藻、红藻、绿藻门约10000种在形态、化学组成上很不相同的海洋生物，富含促进植物生长的多糖、多酚、多肽、含氮化合物等很多种类的生物活性成分，可作为生物肥料、土壤调节剂、生物刺激剂等应用于土壤和作物，具有调节作物内源激素平衡、提高光合作用效率、诱导抗生物和非生物胁迫、促进作物生长发育等很多优良的使用功效[3]。

1 海藻活性物质

海藻活性物质是一类从海藻生物体中提取的，可以通过化学、物理、生物等作用机理对生命现象产生影响的生物质成分，包括海藻细胞外基质、细胞壁及原生质体的组成部分以及细胞生物体内的初级和次级代谢产物，其中初级代谢产物是海藻从外界吸收营养物质后通过分解代谢与合成代谢，生成的维持生命活动所必需的氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等物质，次级代谢产物是海藻在一定的生长期内，以初级代谢产物为前体合成的一些对生物生命活动非必需的有机化合物，也称天然产物，包括生物信息物质、药用物质、生物毒素、功能材料等海藻源化合物。

由于海藻长期处于海水这样一个特异的闭锁环境中，并且海洋环境具有高盐度、高压力、氧气少、光线弱，甚至局部深海的高温等特点，海藻类生物的进化过程中形成的代谢和机体防御系统与陆上生物不同，使海藻生物体中蕴藏许多结构新颖、功效独特的生理活性物质。相对于海绵、海鞘、软珊瑚等其他海洋生物，海藻代谢产物的结构相对简单，其最大特点是富含溴、氯、碘等卤素，尤其是含有大量多卤代倍半萜、二萜以及溴酚类代谢产物，具有拒食、抗微生物、抗附着和生物毒性等特殊功效。到2017年，全球各地从红藻、褐藻和绿藻中发现的海藻活性物质分别为2000种、1500种和450多种[4]。在大型藻类中，褐藻和红藻是生物活性物质最丰富的种群，其中红藻中卤代产物更为丰富，这些物质主要包括海洋药用物质、生物信息物质、海洋生物毒素、生物功能材料等，是大量海洋生物天然产物的一部分。

2 海藻活性物质的生物刺激作用

海藻酸、卡拉胶、琼胶、岩藻多糖、褐藻淀粉等海藻源多糖是海藻的主要生物质成分，具有优良的生物刺激作用，在生态农业领域有很高的商业化利用价值[2]。表1总结了海藻多糖和寡糖在植物生长中的刺激作用[5]。

表1 海藻多糖和寡糖在植物生长中的刺激作用

除了多糖，在制备海藻肥过程中得到的海藻提取物的组成非常复杂，含有结构多样、种类丰富的植物生长刺激素[6，7]。表2总结了海藻中的各种植物激素和类植物激素及其对植物生长的刺激作用[5]。

3 海藻活性物质在生物强化中的应用

海藻活性物质独特的结构和性能在农业生产领域有很高的应用价值。古罗马时代海藻已经应用于农业生产中，被直接加入土壤，或者作为改良土壤的堆肥[8-10]。对海藻肥料最早的记载是公元1世纪后半期的罗马人科鲁美拉(Collumella)，其建议卷心菜应该在有第6片叶子的时候移植，其根用海藻覆盖施肥[11]。古代英国人也把海藻加入土壤作为肥料，在不同的地区有的直接把海藻与土壤混合，有的把海藻与稻草、泥炭或其它有机物混合后作肥料，其中一个常用的做法是把海藻堆积在农田里使其风化后降低有毒的硫氢基化合物[12]。

到公元12世纪中叶，在欧洲的一些沿海国家和地区，特别是法国、英格兰、苏格兰和挪威等地，人们已经广泛应用以海藻为原料制作的肥料。在16世纪的法国、英国、德国、日本、加拿大等地，人们开始采集海藻制作堆肥，其中大不列颠岛的南威尔士和德国的一些地区则用海岸边腐烂的海藻或海藻灰种植各种农作物，效果颇佳，产品供不应求。进入17世纪，法国政府在其沿海地区推广使用海藻类的肥料，并明文规定海藻的收割时间、采集条件以及海域等，当时法国布列塔尼(Britany)和诺曼底(Normandy)沿海几百英里的区域由于施用海藻提取物作为肥料，其农作物和蔬菜品质优异，远近闻名，享有“金海岸”的美称，至今仍然流传。

以海藻为原料通过化学、物理、生物等技术加工后制备的现代海藻肥诞生于英国。1949年，海藻液体肥作为海藻类肥料的新产品在大不列颠岛问世，开启了海藻肥的新篇章[2]。到20世纪80—90年代，海藻肥作为一种天然肥料在欧美发达国家得到前所未有的重视和发展，在英国、法国、美国、加拿大、澳大利亚、南非、中国等世界各地，海藻肥在农业生产中的应用取得了显著的经济效益、生态效益和社会效益，受到越来越多国家和地区农户的欢迎[13,14]。大量科学研究和生产实践充分证明海藻活性物质具有改良土壤、促进作物生长、保护作物健康等优良的生物强化功效。图1总结了海藻活性物质的生物强化功效。

表2 海藻中的植物激素及类植物激素对植物生长的刺激作用

图1 海藻活性物质的生物强化功效

3.1 海藻活性物质对土壤功效的改良作用

图2显示了植物生长的周期和要素，其中良好的土壤是植物生长的基础。农业生产中经常使用堆肥、腐殖质、海藻提取物等有机物改良土壤[15]，这些肥料中的营养成分一般不会马上被植物吸收，而是需要在土壤微生物的作用下使其矿物质化后对土壤产生活性。Haslam等[16]研究了在土壤中加入切断的掌状海带对土壤孔隙体积和孔隙大小分布、土壤稳定性、土壤微生物的生物量和生物活性。结果显示，在土壤中加入8.2～16.4g·kg-1海藻的3个月后，土壤的总孔隙容积有显著提升，土壤团聚体稳定性、土壤生物质的量、呼吸率也在加入海藻后有很大提升。在西班牙进行的一项试验中发现土壤中施海藻肥后土豆产量从对照组的5.5t·hm-2增加到11.8t·hm-2。

图2 植物生长的周期和要素

3.2 治理土壤的退化和污染

土壤是人类生存的基本资源，是所有农业生态系统的基底或基础，也是人类生活的承载空间。万物土中生，食以土为本。近年来不合理的施肥导致农药与化肥大量在水体和土壤中残留，尤其是人们通过各种途径向土壤加入不利于作物健康生长的有害元素，导致土壤污染，对人类健康造成危害。

海藻肥是天然的土壤调节剂，施用海藻肥不但能螯合土壤中的重金属离子、减轻污染，还能促进土壤团粒结构的形成、直接或间接增加土壤有机质。海藻肥中富含的维生素等有机物质和多种微量元素能激活土壤中多种微生物、增加土壤生物活动量，从而加速养分释放，使土壤养分有效化。

土壤恶化的一个特点是其团粒结构的减少。团粒结构是一种全球公认的最佳土壤结构，是由土壤单粒之间粘结后形成的一种团聚体，其中单粒间形成小孔隙、团聚体间形成大孔隙，因此既能保持水分，又能保持通气，既是土壤的小水库，也是土壤小肥料库，能保证植物根的良好生长。海藻酸盐具有凝胶特性，可促进土壤团粒结构形成、稳定土壤胶体特征，优化土壤水、肥、气、热体系，提高土壤物理肥力。

3.3 治理土壤酸化、盐渍化

通过促进土壤中有益微生物的生长、改善土壤持水性等作用机理，海藻肥可以有效改善土壤健康，其所含的海藻酸盐、岩藻多糖等海藻多糖的亲水、凝胶、螯合重金属离子等特性在改善土壤性能中有重要价值。海藻酸盐在与土壤中的金属离子结合后形成的高分子量凝胶复合物可以吸收水分、膨化、保持土壤水分、改善团粒结构，由此得到更好的土壤通气性以及土壤微孔的毛细管效应，从而提高土壤微生物活性、刺激植物根系生长。

3.4 促进土壤有益微生物活动

根际微生物(Rhizosphere microbe)是在植物根系直接影响土壤范围内生长繁殖的微生物，包括细菌、放线菌、真菌、藻类和原生动物等，可以在植物-土壤-微生物的代谢物循环中起催化剂作用。研究表明，海藻及其提取物可促进土壤有益微生物生长、刺激其分泌土壤改良剂、改善根际环境，从而促进作物生长。丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi，简称AMF)是一类分布于林地土壤中的真菌，能与多数陆地植物形成丛枝菌根(Arbuscular mycorrhizal，简称AM)。AM可以改善宿主植物对锌、钙、磷等多种矿物质元素的吸收利用，通过提高植物激素的产生促进植物生长。多种海藻提取物是丛枝根菌真菌的生长调节剂，应用于土壤可引发土壤中有益微生物的生长，通过其分泌出土壤调节物质，改善土壤性质，并进一步促进有益真菌的生长。褐藻中提取的海藻酸在酶解后得到的寡糖可以明显刺激菌根及菌丝生长和延长，引发其对三叶橙苗的传染性，促进真菌生长。Kuwada等[17,18]的研究结果显示，褐藻的甲醇提取物对菌丝生长和根系生长有促进作用。褐藻的乙醇提取物在活体试验中可促进丛枝根菌真菌菌丝生长，诱导AM对柑橘的侵染。喷施含有海藻提取物的液体肥料后，柑橘园中丛枝根菌真菌孢子量比对照增加21%，侵染率提高27%。褐藻、红藻和绿藻中均含有丛枝根菌真菌生长调节剂，在高等植物的根际菌发育中起重要作用[19]。

3.5 修复治理土壤重金属污染

近年来，土壤的重金属污染成为一个日益严重的环保问题，其中污染土壤的重金属主要包括镉(Cd)、铅(Pb)、汞(Hg)、铬(Cr)和金属砷(As)等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的铜(Cu)、镍(Ni)、锌(Zn)等元素。土壤中的重金属主要来源于农药、废水、污泥、大气沉降等，如汞主要来自含汞废水、砷来自农业生产中的杀虫剂、杀菌剂、杀鼠剂、除草剂等。重金属污染可引起植物生理功能紊乱、营养失调，其中汞、砷能减弱和抑制土壤中氨化、硝化等细菌活动，影响氮素供应。重金属污染物在土壤中不易随水淋滤、不为微生物降解，其移动性很小，通过食物链进入人体后的潜在危害极大。

海藻酸是一种高分子羧酸，可以吸附土壤中的金属阳离子后形成海藻酸盐[20]。如图3所示，海藻酸的主要吸附点是分子链外侧的羧酸基团，其对重金属离子的吸附顺序为Pb2+>Cu2+>Cd2+>Ba2+>Sr2+>Ca2+>Co2+>Ni2+>Mn2+>Mg2+。土壤中的Hg2+、Cd2+、Pb2+、Cr3+、Zn2+、Cu2+、Ni2+等二价或多价金属离子与海藻酸结合后形成的海藻酸盐不溶于水，是一种有很强亲水性的高分子复合物，使重金属离子失去活性，该复合物可吸收水分后膨胀，以保持土壤的水分并改善其块状结构，有利于土壤毛细管活性和气孔换气，进而增强土壤微生物的活性、刺激植株根系的生长和发育。

图3 海藻酸与Ca2+结合后形成“蛋盒”状的凝胶态交联结构

4 小结

海藻活性物质在农业生产中的生物强化功效可以降低化学合成类农资产品的使用，也可以满足消费者对有机绿色产品的消费需求。随着我国经济社会的发展以及人民生活水平的提高，农作物的安全与质量日趋成为人们关注的焦点。海藻活性物质具有绿色、高效、安全、环保等特点，其在农业生产中的应用符合国际有机食品的要求，对提升我国农产品的国际竞争力具有重要意义。含有海藻活性物质的海藻肥具有“多种功效合一”的特点，作为一种天然生物制剂，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。