生物刺激剂在农业绿色发展中的应用及其市场前景

熊思健，陈绍荣

(中国生物刺激剂发展联盟 上海 200062)

1 生物刺激剂及其成分

生物刺激剂是具有双向调控农作物新陈代谢作用、诱导作物产生抗胁迫机制、提高化肥(农药、除草剂等)有效成分利用率以及能够大幅度提高作物产量、品质而又无害于环境生态的相关物质或产品[1]。生物刺激剂包括以下成分：①有机成分，如氨基酸、腐殖酸、海藻提取物、有机碳、乙酸、糖醇酸、甲壳素、壳聚糖等；②生物成分，如固氮微生物、多种生防促生微生物、治理修复污染土壤的微生物等；③无机成分，如铁、硼、钙、镁、硅、钛等营养元素以及亚磷酸盐等；④其他成分，如植物内源激素、植物生长调节剂等。

2 农业绿色发展的科学内涵

推进农业绿色发展是农业发展观的一场深刻变革，是农业供给侧结构性改革的重要内容和主攻方向。农业绿色发展包括如下几个理念。

2.1 农业绿色发展是可持续发展

农业绿色发展的核心理念是促进人和自然的和谐发展。过去，我国农业发展主要是争取高产量，并因此而投入了过多的化肥、农药等农业生产资料，多余的养分进入土壤、水体、大气等环境中，导致大面积面源污染，严重破坏生态，进而影响人体健康，而且化肥、农药的过量施用还会引起土壤板结、酸化、盐渍化、重金属污染等生态问题。此外，由于有机肥投入量逐年减少，土壤有机质含量不断降低，土壤的有效肥力下降，进而影响了作物对化肥、农药有效成分的吸收利用。这些生态问题积累起来，就会使人和环境不相协调，农业生产也无法持续发展。因此，推进农业绿色发展，必须创新农业生产要素的投入方式，形成与资源环境承载力相匹配，与生产、生活、生态相协调的农业发展新格局，才能实现农业生产的可持续发展。

2.2 农业绿色发展要建设高质量农业

众所周知，农产品的质量与安全是影响全民健康的重大民生问题。农业绿色发展的“绿色”就是指要大力提升农产品的质量水平和安全水平。在过去的农业高速发展中，主要是强调高产，保证数量供给，一度忽视了质量及安全，出现了大量的“舌尖上的安全”隐患。因此，今后在推进农业绿色发展中，要把增加优质安全产品放在突出位置，重点狠抓质量效益及市场竞争力的提升，更好地满足人民对营养和健康的消费需求。

2.3 农业绿色发展需立足于农作物健康栽培

实践证明，农业绿色发展必须建立和践行农作物健康栽培的科学理念，才能提高农作物本身的新陈代谢机能及其抵抗生物胁迫(病虫害等)、非生物胁迫(高温、冷冻、旱涝、土壤酸化或盐渍化等)的能力。只有实施农作物健康栽培，才能在充分满足其正常营养需求的基础上，提高营养效率，增强对肥料、农药有效成分的吸收利用，并有效提升农作物的抗逆性和免疫力，是实现化肥、农药增效减量的最佳途径[2]。国内外的科学研究及应用实践表明，适时、适量、适法应用生物刺激剂是实施农作物健康栽培的重大创新技术。必须改变那种生物刺激剂是所谓的纯化学激素的错误认识[3]：①生物刺激剂原本就是植物体与生俱来的而且必不可少的生物调控物质的组成成分；②生物刺激剂产品大多来源于生物；③生物刺激剂是绿色、安全的农业生产资料，无毒、微毒或低毒，在植物体内残留时间不长、残留量少，对人体健康和土壤环境无不利影响。

3 生物刺激剂在农业绿色发展中的应用

3.1 提高作物营养效率

3.1.1 促进叶绿素形成，提高光合作用效率

生物刺激剂的许多产品，如氨基酸、腐殖酸、海藻提取物、铁、镁、钛、硅、植物激素等，都具有促进叶绿素形成和提高光合作用效率的功能[3-10]。叶绿素在光合作用中是光合色素，吸收利用光能必不可少，是光合作用的核心。诸多生物刺激剂产品既是叶绿素的组成成分，又能促进作物对多种营养元素的吸收利用，还能提高多种酶的活性，减少活性氧对叶绿素的破坏，有效促进光合作用，增加光合作用产物的积累。在植物C3途径的卡尔文循环中发现，无论是光合作用中的酶活性还是电子传递链的功效都可能受腐殖酸的直接或间接影响[4]。李安民等报道[5]，应用腐殖酸后，花生、苦瓜、茄子等作物的光合有效辐射、净光合速率、蒸腾速率等都大幅提高，光合作用的强度和速率显著提升。万春侯报道[6]，应用钛微肥后，叶片单位鲜重的总光合色素含量平均提高20%左右，其功能转换效率及光合作用速率增大10%～20%。

3.1.2 提高酶的活性，促进作物新陈代谢

大量研究表明，应用生物刺激剂可以有效提高作物体内多种酶的活性、膜转运蛋白活性和基因表达的规律性，能调控多种生物大因子的活性，参与多种酶促反应和机体新陈代谢。万春侯报道[6]，叶面喷施钛制剂，小麦体内的硝酸还原酶活性可提高50%～150%，其对氮的利用率可提高10%～40%。陈绍荣等报道[7]，钛能提高过氧化氢酶、过氧化物酶的活性，加快植物体内的生化过程。钛参与激活酶的活性很可能与其变价特性有关，在氧化还原过程中起到电子传递作用。腐殖酸可以影响植物体中超氧化物岐化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶等200多种酶的活性，主要是因为腐殖酸结构中有氨基酸和蛋白质，因此也具有酶的活性[8]。秦万德报道[9]，据西南农学院研究，西瓜对照处理过氧化氢酶活性为46.40%，用腐殖酸处理后提高至89.13%～134.68%；据北京大学研究，应用黄腐酸处理，能使豌豆下胚轴内的吲哚乙酸氧化酶活性上升。氨基酸肥料也会影响作物许多酶的活性，如吴承欢等[10]采用3种氮源培育水稻，发现谷草转氨酶(TOT)、谷丙转氨酶(CPT)和谷氨酸脱氢酶(GDH)的活性提高，说明氨基酸态氮可促进氨基酸转氨酶和脱氢酶的活性。

3.1.3 增强养分吸收利用，提高肥料有效成分利用率

促进作物对营养元素的吸收利用是生物刺激剂一个极其重要的应用领域。据秦万德报道[9]：中国科学院化学研究所通过质壁分离试验，揭示了腐殖酸可以影响细胞膜的通透性，从而促进作物对营养元素的吸收利用；日本有关科研人员按50 mg/kg的浓度向土壤施入腐殖酸后，用α-萘胺氧化法测定根的吸收能力，发现水稻吸收养分能力提高155%，小麦提高110%，黄瓜提高80%，大豆提高37%；经中国农大测定，施腐殖酸的玉米比施等量硫酸铵多吸收氮8.8%，单株含氮量提高36.6%；中国农大的研究人员采用原子示踪法测定，发现在等氮量条件下，过磷酸钙利用率为23.3%，添加腐殖酸后利用率为28.8%，加入硝基腐殖酸铵后的利用率为32.0%。Zahir等报道[11]，一定浓度的色氨酸可显著提高马铃薯对氮的吸收和块茎中氮、磷、钾的含量。Frankenberger等研究表明[12]，增施L-色氨酸后，萝卜、西瓜、甜瓜的氮素吸收量明显增加。陈明昌等报道[13]，土施L-色氨酸和L-蛋氨酸后，玉米对各种养分的吸收量明显增加，其中L-色氨酸的肥效尤为突出。氨基酸肥料促进作物高效吸收养分的机理可能是：①增加植物体内激素的合成，进而促进对养分的吸收；②刺激作物根系生长，提高养分吸收能力；③增加作物根系氨基酸转运蛋白的表达，使之更易吸收养分。

3.1.4 活化土壤养分，增加土壤养分的有效供给

生物刺激剂中的生物成分、有机成分、植物生长调节剂等成分都能有效改良土壤并改善结构，有效促进土壤中难溶性养分及潜在养分的分解释放，增加土壤中有效养分的供给，提高土壤肥力，为农作物生长源源不断供应各种营养物质，这是调减化肥用量的最根本所在。最明显的就是微生物肥中的根瘤菌、固氮菌、解磷菌、解钾菌等施入土壤后，可大大增加并积累氮、磷、钾等多种养分，对土壤中含量多而又难溶解的磷以及土壤中潜在贮存的钾等实行生物解离，将其转化成水溶可吸收状态，供作物吸收利用。

3.2 调控作物生长发育

3.2.1 促进根系强大，增强水分和养分的吸收

大多数生物刺激剂产品均对农作物的根系生长有强烈的刺激作用。陈绍荣等报道[14]，海藻提取物凯普克(德国COMPO公司提供)处理的马铃薯与对照处理相比，初生根系增加78.95%，根长增加31.22%，根幅增加87.45%，单株根鲜重增加87.10%，块茎产量平均增加26.90%。秦万德报道[9]，日本麻生末雄研究表明，腐殖酸可促进根系生长，增加根系中的核糖核酸，使作物合成更多的营养物质并运送至各作用部位。李安民等报道[5]，应用腐殖酸叶面肥后，水稻根干重增加91.77%；花生根干重增加91.42%；葛的主根长增加39.75%，根粗增加38.03%，干重增加34.88%。陈绍荣等报道[15]，施硅肥可使水稻最大根长增加36.59%～123.95%，其中白根数增加25.00%～93.75%，说明根系活力更强。万春侯报道[6]，施用钛肥后，根系干重增加10%～30%，根系容积增加10%左右，豆科作物根瘤数增加30%～40%。钟波等报道[16]，亩(1亩=666.67 m2，下同)应用S-诱抗素产品(福施灌)200 g，根幅宽平均增加40.0%，主根长增加57.6%，主根宽增加61.5%，地下部鲜重增加83.1%。

3.2.2 促进茎叶生长，控制过度营养生长

李安民等报道[5]，应用腐殖酸叶面肥后，茶叶叶片数增加31.5%，平均单叶叶幅增加49.6%，鲜叶重增加76.4%；桑叶叶片数增加59.5%，平均单叶叶幅增加39.0%，鲜叶重增加55.5%；白菜叶片数增加61.9%，平均单叶叶幅增加44.3%，鲜叶重增加30.0%。廖宗文等研究发现[17]，有机碳及S-诱抗素对叶菜类蔬菜有明显的增产效果，复合碳氮处理的苋菜亩产1 633.0 kg，比对照处理增产59.8%；S-诱抗素处理亩产2 018.0 kg，比对照处理增产97.5%。

有些生物刺激剂产品还能调控作物的营养生长，抑制过度营养生长，协调营养生长与生殖生长的关系。陈绍荣等调查发现[15]，应用硅肥后，水稻植株紧凑，基部第1伸长节间明显缩短，茎粗明显增加，能抑制过度营养生长，增强抗倒伏能力。据郑先福报道[18]，在分蘖末期、拔节初期应用矮壮素，能有效抑制小麦茎杆下部1～3节节间伸长量并提高成穗率；对有徒长趋势的辣椒，在初花期应用多效唑，可抑制茎叶生长，使植株矮化健壮，促进多结果。

3.2.3 促进花芽分化，有效调节花期花时

秃太雄研究表明[19]，应用含S-诱抗素的肥料能显著促进花芽的形成、受精、结果和成熟。用含S-诱抗素的肥料处理柿子，促进了柿子花朵性转变，对照处理仅强有力的枝条有较多的雌花，而喷施了S-诱抗素叶面肥的整棵树都开满了雌花。陈绍荣报道[3]，赤霉素可以控制和调节水稻的花期、花时。杂交稻制种的高产关键之一就是父母本花期相遇才能更好地传粉授精，提高结实率，获得较高的制种产量。当制种田父母本发育阶段出现差异时，就必须适时适量喷施赤霉素，才能缩短花期差异，促使花期一致。实践证明，杂交稻制种应用赤霉素调整花期一般能增产20%以上。

3.2.4 促进果实发育，保果增果膨果靓果

生物刺激剂产品具有保果、增果、膨果、靓果功能，能有效减少果实脱落，提高坐果率。以柑桔为例[5]，柑桔是一种落花落果相当严重的果树，据Erickson测定，脐橙坐果率仅为0.2%。应用细胞激动素(BA)+赤霉素(GA3)后，脐橙坐果率为5.5%；应用腐殖酸，座果率为6.8%，而且大果率提高28.2%；应用腐殖酸肥后，畸形果率减少30.5%。秃太雄报道[9]，应用S-诱抗素后，苹果、番茄的果实落果少，果实更大、更红。陈绍荣等报道[20]，大樱桃应用S-诱抗素后，坐果率为86.61%，比对照处理增加21.80%，裂果率减少1.17%。

3.3 改善作物品质

应用生物刺激剂能大幅提高农产品的营养品质(蛋白质、脂肪、糖类、茶多酚、维生素等的数量与质量)、外观品质(果形整齐度、靓丽度、商品等级等)、加工品质(出米率、出油率、出糖率等)以及安全品质(有害物质残留量等)，并可提高瓜果、花卉的保鲜率和延长贮存时间等，是建设高质量农业的重要措施。

李安民等研究发现[5]，应用腐殖酸可以提高水稻、小麦、玉米的蛋白质含量，瓜果的糖含量，蔬菜的维生素含量，茶叶的水溶出物、茶多酚、咖啡碱含量，烟草的可燃烧性、施木克值、上等烟叶比例。腐殖酸还能使柑桔、苹果果面光滑、色泽鲜亮、大果率提高，可提高大米出米率4.0%～5.0%、油菜籽出油率1.5%～2.0%、甘蔗出糖量1.0%～3.0%，草莓保鲜期延长5～7 d，百合花花期延长7 d。陈绍荣等报道[21]，应用腐殖酸叶面肥营养套餐施肥处理，苹果单果质量提高35.1 g，果径增加2.7 mm，果形指数增加0.03，果实硬度增加0.31，可溶性固形物含量增加0.8%；应用腐殖酸叶面肥营养套餐加硅处理，苹果单果质量增加39.4 g，果径增加4.8 mm，果形指数增加0.07，果实硬度增加0.98，可溶性固形物含量增加1.3%。邵建华报道[22]，黑龙江省农科院应用氨基酸微肥后，甜菜含糖量提高0.38%～0.47%，马铃薯淀粉含量增加0.30%～1.04%，Vc含量也有所上升；福建省农科院应用氨基酸微肥后，龙眼、荔枝、柑桔等果树的果实含糖量增加了0.7%～2.4%，100 mL果实汁液中Vc增加1.3～6.7 mg。万春侯指出[6]：应用钛微肥后，小麦和谷类作物的蛋白质含量提高3%～5%，赖氨酸含量提高3%～17%；水果类的Vc含量提高3%～17%，水溶性糖含量增加4%～5%，酸度下降4%～15%；苹果、柑桔等不正常落果大大减少，果实外形整齐，色泽鲜艳，口感性提高，品质显著改善。胡艳燕研究指出[23]，喷施钛肥后，柑桔果实的总糖量、还原糖及转化糖含量增加，柠檬酸减少，Vc含量增加，固酸比和糖酸比显著上升，大大改善了柑桔品质。应用实践表明，S-诱抗素(金美红)是国内外知名的葡萄最佳上色增糖剂，应用S-诱抗素以后，葡萄色彩艳丽，含糖量提高1%～2%。

3.4 诱导作物抗胁迫机制

3.4.1 诱导作物抗生物胁迫机制，提高抗病性和免疫力

陈捷指出[24]，全球气候变化、化学农药和化肥过量施用导致了近年来农作物生物和非生物灾害日趋严重，采用生物刺激剂调控作物生长与提高抗性是保证我国粮食、果菜供给安全和食用安全的关键技术。他的大量研究证明，木霉菌、芽胞杆菌、生防复合菌剂以及S-诱抗素、腐殖酸、海藻渣等组合施用，既有生物刺激剂调控作物生长发育、诱导作物抗生物胁迫、提高免疫力的功能，又有生物农药的功效。其研究表明，木霉菌及其次生代谢产物可以直接抑制病原菌生长，木霉菌纤维素酶激发子可诱导根系或根际产生拮抗性代谢物质DIMBOA，能抑制病原镰刀菌致病蛋白和脱氧雪腐镰孢菌烯醇霉素合成相关蛋白的活性。他们研制的JDO14菌剂可有效防治水稻的稻瘟病和纹枯病、小麦赤霉病、蔬菜叶斑病等；合作研发的JDO15和JDO16菌剂(木霉+解淀粉芽孢杆菌+大豆根瘤菌)能提高抗性，有效防治黄瓜白粉病。陈清报道[25]，微生物代谢产物申嗪酵素具有促进植物生长和广谱抑制各种农作物病原菌的荧光假单孢菌微生物发酵而分泌的一种活性物质，可有效防治根腐病、青枯病、枯萎病、疫病、水稻稻瘟病、纹枯病，还能抑制根际线虫、分解虫卵。

3.4.2 诱导作物抗非生物胁迫机制

(1)增强抗旱性

腐殖酸、S-诱抗素及其他多种生物刺激剂均有诱导作物产生抗旱能力的机制。腐殖酸具有调控作物叶片气孔开闭的作用，应用腐殖酸肥料后，使叶片气孔开度减小72.7%，降低了叶片蒸腾强度[9]。S-诱抗素能抑制蒸腾作用，在作物应对干旱胁迫时起重要作用。当发生干旱时，根系中的S-诱抗素会产生信号给根系细胞，引导大量合成S-诱抗素并被迅速传递至叶，促使气孔关闭，减少蒸腾失水，增强了作物抗旱能力。

(2)增强抗寒性

邵家华等指出[26]，S-诱抗素对作物抗寒性有重要的调控作用，能诱导作物组织细胞抗寒基因的表达。遇低温冷冻时，会通过抑制生长、降低细胞质膜的伤害程度、激活活性氧系统以及协同其他内源激素，促发作物应对寒冷胁迫，能够最大限度耐受寒冷冻害。柑桔树、樱桃树受冷冻害时，通过体内脱落酸(ABA)的积累，由此启动特异性机制，形成抗寒特异蛋白质，大大提高其抗寒能力。作物遭受冻害后，施用S-诱抗素制剂能提高植株叶片保护酶(SOD、POD和CAT)的活性，提高可溶性糖、蛋白质、抗坏血酸含量，降低细胞呼吸率，减缓叶绿素分解，从而大大缓解冷冻害。

(3)增强耐热性

夏季高温常常会使作物产生高温障碍，其中一个重要因素就是在高温条件下，作物对钾、钙、镁、磷等营养元素的吸收不良，会产生种子(果实、块茎)等发育受阻、着色不良或由于日晒引起的商品价值降低等众多影响。据秃太雄研究[19]，在适宜温度(25 ℃左右)条件下，作物能正常吸收土壤中的钾、钙、镁、磷等矿物质营养元素，营养生长和生殖生长均能正常进行；而当温度提高10 ℃或更高时，作物对钾、钙、镁、磷等矿物质的吸收作用受阻，吸收量会比适温时减少90%；如遇降雨或日照不足情况且持续一段时间，此种影响会加重。在高温条件下应用S-诱抗素制剂，能使作物对钾、钙、镁、磷的吸收加倍，使作物的营养生长和生殖生长均可正常进行，促进增产提质。

3.5 治理土壤的退化及污染

3.5.1 治理土壤酸化、盐渍化

据熊思健等研究发现[27]，一种腐殖酸与硅钙营养元素相结合的新型土壤调理剂治理酸化土壤效果良好，经黑龙江省土肥站2年连续试验，土壤pH升高0.52～0.81，平均升高0.63。陈绍荣等报道[28]，应用硼泥制取的有机无机生态肥能有效调节土壤的酸度，显著提高作物产量。陈绍荣等研究发现[29]，风化煤(主要含腐殖酸)、硫酸亚铁等生物刺激剂产品能有效治理盐渍化土壤，风化煤中的腐殖酸具有极强的化学活性与生物活性，对土壤酸碱度有很大的缓解作用。一种主要成分是黄腐酸的土壤改良剂，其治理盐渍化效果突出，脱盐率为30.3%，对照区则为10.4%，棉花增产21.1%。

3.5.2 促进土壤有益微生物活动

陈捷指出[24]，应用木霉菌能促进土壤有益微生物活动，增加根际土壤微生物多样性，改良与优化土壤微生态区系，具有防控植物病害作用。

3.5.3 治理修复土壤重金属污染

熊思健等研究发现[30]，应用腐殖酸型有机无机复合肥能有效治理稻田镉污染。腐殖酸型有机无机复合肥对重金属污染的缓解和净化机制如下：①参与离子的交换反应，与重金属离子发生络合、螯合作用；②改良土壤结构，为土壤微生物活动提供基质和能源，间接影响土壤重金属的行为。该研究还指出，硅肥有明显的抑制水稻吸收镉的作用，水稻糙米、茎叶和根中的镉含量随硅肥用量的增加而明显下降。汤海涛等研究发现[30]，施用腐殖酸肥、富硒肥、钛硒微肥能有效降低稻米中的铅、镉、铬、汞、砷含量，而且稻谷增产7.82%～11.00%，达显著差异水平。

4 结语

综上所述，生物刺激剂在我国农业绿色发展中应用领域广泛，是确保农业可持续发展，促进作物健康、增产提质、抗逆栽培，满足人民绿色消费的极为重要的治本措施，也是未来农业科学领域冉冉升起的明星。据中国生物刺激剂发展联盟首席制剂科学家汪悦预测，2020年全球农业市场生物刺激剂份额约为22亿美元，植物生长调节剂约为8亿美元。当前，生物刺激剂的应用在世界上已掀起了一个热潮，中国必须大踏步跟上，才能让这类生物刺激剂在推进中国农业绿色发展中占有更大的市场空间，做出更加突出的贡献。