生物刺激素的研究进展及相关欧盟管理制度解析

王思怿，商照聪，于秀华，杨 一

(上海化工研究院有限公司/上海化学品公共安全工程技术研究中心 上海 200062)

0 前言

图1 生物刺激素市值在欧盟内的增长

近年来，环境污染的加剧、土壤生态的破坏、作物增长的瓶颈、食品安全问题的频发、高品质农产品的需求正推动着一个新兴、朝阳型产业的发展，生物刺激素以其独特的作用机理成为农资行业的下一片沃土。目前,生物刺激素已在超过600种作物上应用，可使作物产量提高5%～10%，使肥料增效5%～25%，使农药用量减少10%～15%。2011年，欧洲14家公司成立了欧洲生物刺激素产业联盟，2018年该联盟的成员单位已达到54家。自2012年12月初在法国斯特拉斯堡召开第1届国际生物刺激素大会后，生物刺激素产品已在国外大热，欧盟是其最大市场(图1)，北美是第二大市场。全球生物刺激素市场的复合年增长率预计达到10.43%，将从2017年的20.0亿美元增至2022年的32.9亿美元。2016年欧洲农业应用生物刺激素最多，亚太地区生物刺激素市场预计将在2017—2022年增长最快[1]。近3年来，我国生物刺激素类肥料的登记数量增加了近2倍，达3 000～4 000个产品，其中氨基酸类占38%、腐殖质类占35%、有机物类占15%、微生物类占12%。

生物刺激素不属于化肥或农药，具有改善植物生理功能、促进营养吸收、增强植物应激响应的特性，可作为化肥或者植物保护剂。生物刺激素源于有机质，健康无毒，协同营养和植物保护剂，维持作物健康生长，提高作物品质和产量，为农用产品开辟了新的应用途径。目前，欧洲化肥研究所、意大利瓦拉格罗股份公司、意大利意塞格、美国爱丽思达公司、中国农业科学院、俄罗斯阿尔比特公司、美国布兰特、乌克兰国家科学院等都是全球领先的生物刺激素研究机构。意大利瓦拉格罗股份公司是该领域的领军企业，推出了全球“作物健康理疗”产品研发的最前沿科技，出品了全球知名的生物刺激素产品“美加富”，产品销往全球80多个国家。另外，美国爱利思达公司在全球生物刺激素的市场运作中处于领先地位。

2018年的中央一号文件指出，必须坚持质量兴农、绿色兴农、加快由农业大国向农业强国转变。生物刺激素由于在减肥增效、改良土壤等方面有着神奇效果，备受国内外农资行业有关人士的关注，尽快制定相关国际规范是每一位农资人迫切的心声。为此，欧洲标准化委员会(CEN)已于2017年成立了植物生物刺激素技术委员会(CEN/TC 455 Plant BioStimulants)开始研究制订相关标准。ISO/TC 134 肥料、土壤调理剂和有益物质技术委员会(ISO/TC 134 Fertilizers, Soil Conditioners and Beneficial Substances)于2018年3月通过投票决定成立生物刺激素的特别小组，相关领域国际标准的制订也被提上日程。

按法律严格意义来说，生物刺激素在我国没有明确的登记地位，国内将其作为肥料进行登记。为此，全国肥料和土壤调理剂标准化技术委员会(SAC/TC 105)正积极开展相关领域内的全国标准化技术工作，已出台的国家标准包括《农业用腐殖酸钾》(GB/T 33804—2017)、《矿物源黄腐酸含量的测定》(GB/T 34765—2017)、《矿物源总腐殖酸含量的测定》(GB/T 34766—2017)、《矿物源游离腐殖酸含量的测定》(GB/T 35106—2017)、《矿物源腐殖酸肥料中可溶性腐殖酸含量的测定》(GB/T 35107—2017)、《农业用腐殖酸和黄腐酸原料制品》(GB/T 35112—2017)，已发布的行业标准包括《农业用腐植酸钠》(HG/T 3278—2011)、《腐植酸铵肥料分析方法》(HG/T 3276—2012)、《含腐植酸尿素》(HG/T 5045—2016)、《腐植酸复合肥料》(HG/T 5046—2016)、《含海藻酸尿素》(HG/T 5049—2016)、《海藻酸类肥料》(HG/T 5050—2016)。此外，正在制订中的国家标准包括《黄腐酸原料及肥料 术语和定义》(20173896- T- 606)、《腐植酸原料及肥料 术语和定义》(20173897- T- 606)，将不断规范及促进国内生物刺激素市场的发展。

1 生物刺激素的种类和作用机理

1.1 生物刺激素的种类

欧洲生物刺激素联盟(EBIC)、北美生物刺激素联盟(Biostimulant Coalition)、全国肥料和土壤调理剂标准化技术委员会(SAC/TC105)给出的生物刺激素定义不尽相同，其被冠以不同的名称，如生物促进剂、代谢增强剂、植物强壮剂、正向植物生长调节剂、诱导因子、化感制剂、植物调理剂等。广义来说，生物刺激素是指具有促进植物生长和提高应激响应的物质，包括腐殖酸类物质、复合有机物质、有益化学元素、非有机矿物(包括亚磷酸)、海藻类、甲壳素和壳聚糖、抗蒸腾剂、游离氨基酸、微生物[2]。各类生物刺激素无需严格区分，并非相互独立。

(1) 腐殖酸类物质

腐殖酸类物质是天然土壤有机质，源于死亡细胞基质的分解，在土壤微生物的代谢下生成腐殖质、腐殖酸和富里酸，可由土壤(泥碳土、火山土)、废弃物(污水淤泥)中的腐殖质有机物提取得到。

腐殖酸作为营养剂作用于土壤和植物，可提高土壤的物化特性和生物活性。腐殖酸通过吸附多价态阳离子，提高土壤的通气性和水合作用，提高养分的吸收和利用率，提高土壤的钙离子交换能力、固碳作用和促进细菌呼吸，从而提高酶的活性，促进植物的应激响应能力。

(2) 非有机矿物

非有机矿物的来源为化学合成及矿物提取物，包括亚磷酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、硝酸盐，都能通过刺激植物自身防御机制来达到杀菌的效果，从而提高植物的产量。如亚磷酸盐在氧化成磷酸盐的过程中能将有效磷传递给植物，促进植物细胞生长。同时，生物刺激素可调控生物大分子的活性，参与多重酶促反应和机体新陈代谢，调控细胞的分化和增殖，提高植物抗病能力。

(3) 海藻类

海藻来源广、种类多，包括褐微藻类、红微藻类和绿微藻类。海藻及其提取物富含促进植物生长的活性物质，如多糖物质(海藻酸盐、海带多糖、角叉蔡胶)、固醇、含氮化合物(甜菜碱、荷尔蒙)，可作为生物肥料、土壤调节剂和生物刺激素作用于土壤和植物。作用于土壤时，多糖物质利于凝胶的形成，维持土壤的保水性和透气性。海藻提取物富含的聚阴离子化合物利于阳离子的固定和交换、重金属的固定、土壤修复，并通过抑制细菌和病菌来促进植物生长。作用于植物时，海藻及其提取物不仅提供养分，还提供类荷尔蒙活性物质(固醇类和多胺类)，刺激细胞分裂和植物生长发育，提高离子摄入能力、土壤透气性和保水性。

(4) 甲壳素和壳聚糖

甲壳素是昆虫和甲壳类动物外骨骼、真菌类细胞壁的组成物质，甲壳类和真菌类是工业壳聚糖提取物的主要来源。甲壳素和壳聚糖具有生物活性，常被作为植物保护剂、抗蒸腾剂、生长刺激素。壳聚糖衍生物作为聚阳离子和脂质结合分子作用于细胞外，在植物叶面上形成壳聚糖保护膜，使植物免受病原体侵害，并通过诱导植物的自身防御来预防细菌、病菌和昆虫的侵害，其诱导的植物防御响应包括木质化作用、蛋白酶抑制剂合成、细胞壁水解、细胞液酸化、蛋白质磷酸化等。

(5) 抗蒸腾剂

成膜性抗蒸腾剂包括合成化合物(薄荷油、松脂二烯、萘、聚丙烯酰胺等)、无机化合物(高岭土、硅酸盐等)、天然生物聚合物(壳聚糖),可在植物表面和器官内产生物理作用。从表面上看，乳液状抗蒸腾剂喷洒在叶面上并形成薄膜后，可阻碍气孔向空气中扩散水蒸气，减少叶面反射和水分蒸发，降低热能吸收和叶子温度。从内部看，抗蒸腾剂可调控叶面上气孔的打开和水蒸气的扩散，作用于控制细胞防御的荷尔蒙物质，激发叶子蒸腾信号，提高作物保水率和抗旱性。

(6) 游离氨基酸

有机含氮化合物包括游离氨基酸、多肽、聚胺类、甜菜碱等，可以施于叶面、土壤和种子，是动物、植物和微生物的工业水解副产物。除了20种作为蛋白质合成前驱体的氨基酸，研究者还在植物中发现了250种非蛋白质氨基酸，它们与多重细胞和生理过程息息相关，参与木质素合成、种子发芽、细胞组织分化、信号转导、蛋白质降解、刺激应激响应等。

氨基酸通过与土壤中的养分形成螯合物来促进吸收，同时作用于植物的新陈代谢，促进光合作用和二氧化碳渗透，提高酶活及作物品质。

1.2 生物刺激素的作用机理

一方面，生物刺激素能改善土壤的理化性质，促进土壤有益微生物生长，提高土壤保水效果。另一方面，生物刺激素具有类似细胞分裂素和生长素的活性，充当一个化学信号，即告诉植物何时切换它们的防御系统以应对恶劣环境，植物以此来启动或增加生理过程，提高对胁迫的耐受性，调节和改善体内水分，促进营养物质吸收、运转和使用，从而提高作物质量[3]。

从细胞层面上看，生物刺激素影响酶活、膜转运蛋白活性和基因表达。从器官层面上看，生物刺激素促进叶子上的气体交换、激发根茎的生长。从整个植物层面上看，生物刺激素作为营养摄入、光合作用、器官生长等过程的化学调节剂起到控制、整合、协调的作用。从任何层面上看，生物刺激素都具有改善植物生理过程的功能。

2 生物刺激素的欧盟法规制度

在欧盟的立法中，农用产品分为两大类别：①为植物提供营养的营养剂(肥料)，受控于欧盟肥料法(EC No.2003/2003)；②作为活性物质、安全剂、增效剂使用的农药、除草剂、激素类物质等植物保护剂，受控于欧盟植物保护剂法(EC No.1107/2009)。在欧盟肥料法修订前，只有矿物肥被划为“EC肥料”受控于欧盟肥料法(EC No.2003/2003)，有机肥、有机矿物肥、栽培基质、土壤改善剂、生物刺激素都基于欧盟共识性法律文件(EC No.764/2008)，由国家法案和国内市场监管。

生物刺激素不同于肥料和植物保护剂，具有复杂的化学性质，有的为合成物，有的为有机、无机自然形成物。不能简单地将生物刺激素划为化肥，因为其主要功能并非为植物传递营养，但其具有促进营养吸收和土壤营养化的功效。生物刺激素也不同于植物保护剂，并非直接保护植物，而是通过增强植物调节效应来提高植物的抗病能力，且不是所有生物刺激素都具有保护植物预防病害侵入的功能。

为了建立统一规范的生物刺激素管理制度，2012—2013年欧盟委员会对欧盟肥料法(EC No.2003/2003)进行了扩增修订，并在2013—2014年建立了关于植物刺激素和农用化肥添加剂的法律框架[4]。2016年3月，欧盟公布了肥料法的修订案，将生物刺激素归入肥料管理范围。修订后的欧盟肥料法涉及矿物肥、有机肥、栽培基质、土壤改善剂、生物刺激素和农用化肥添加剂，带来的益处包括：①使所有的肥料及相关产品都有统一的法律，规范相关市场；②确保在市场上流通的肥料及相关产品的安全性；③确保农民购买、使用的生物刺激素的功效；④简化新产品投入市场的流程，减轻主管当局的管理负担。

3 生物刺激素的欧盟登记管理制度

目前，各国对生物刺激素的注册登记流程各不相同，需要建立统一完善的注册登记制度。在现行的欧盟农用产品管理制度中，化学品和植物保护剂分别按照REACH法规和欧盟植物保护剂法(EC No.1107/2009)进行登记管理，而食品和饲料添加剂由EFSA进行评估和登记。上述欧盟管理制度都不适用于生物刺激素，因为生物刺激素主要用于水果、蔬菜等农作物，还包含相当一部分的微生物产品。REACH法规不考虑与食物相关产品的潜在风险，且不将微生物纳入其管理制度，而食品安全管理制度主要针对食品、饲料添加剂。

为了符合现行的欧盟和各国管理制度，需要对生物刺激素进行注册登记。首先，应用商(登记者)向欧盟管理部门(ECHA或EFSA)提交一份关于生物刺激素的登记信息，包括：①安全性评估数据，如理化、健康生态毒性、致病性、传染性等信息；②风险评估信息，涉及危险特性、暴露评估、风险特性等；③产品特性描述信息，涉及物种、属别、化学名称、施用范围等。然后，ECHA或EFSA接收申报材料，对材料信息进行核实验证并给出全面的结论。最后，由ECHA或EFSA批准注册，并对申报材料进行管理。

4 结语

目前，生物刺激素产品发展比其标准和法规更快，可能会对行业产生威胁，生物刺激素相关国际标准的制订已经被提上议程。生物刺激素以其独特的功效得到了越来越多的认可，但其检测方法还不完善，产品功效尚不明确。总的来说，行业内比较认可的是欧盟的生物刺激素相关标准，但考虑到各国的差异，国际标准将在欧盟标准的基础上，结合各国国情进行调整，以提高生物刺激素标准的全球适用性。

基于生物刺激素产品的组成现状和作用机理，国内一直将其纳入肥料管理中。我国政府已对生物刺激素产品施行了税费减免、补贴等政策，大力支持生物刺激素产品在国内的推广。此外，我国还应结合绿色农业发展需要对生物刺激素产品进行战略规划，开展活性物质作用机理、检测方法的研究，形成相应标准及规范，针对市场准入和监管建立登记、审核程序，促进国内生物刺激素市场的健康发展。