海藻肥在现代农业生产中的研究进展

马德源，马云飞，于金慧，尤升波，刘云鹏，黄超，夏晗，毕玉平

（1.山东省农业科学院生物技术研究中心，山东济南 250100；2.济宁市粮食和物资储备保障中心，山东 济宁 272000）

我国农业生产中持续不合理施用化肥，连茬种植导致土壤板结、酸化、肥力下降、微生物多样性下降、土壤病害加重、作物产量及品质降低等问题日趋严重［1］。随着社会经济的不断发展，绿色农业和有机农业已经成为现代农业的主要发展方向。《国家质量兴农战略规划（2018—2022年）》提出加快农业绿色发展等重点任务，农业农村部也制定了《农业绿色发展技术导则（2019—2030年）》，发展绿色农业已上升为国家战略。

海藻是含有叶绿体、无胚的叶状体海洋孢子植物，具有生长速度快、适应性强等特点，是海洋中储量最大且可再生的生物质资源。我国海藻资源丰富，常见的大型海藻资源有海带、江蓠、裙带菜、紫菜、羊栖菜、麒麟菜、浒苔和石花菜等［2］。据《2019中国渔业统计年鉴》记录，我国2018年海水藻类总产量234.4万吨。海藻富含多糖、天然植物调节剂、氨基酸、藻朊酸、矿质营养元素、维生素和不饱和脂肪酸等活性成分，广泛用于食品、医药、化妆品、农业等领域。20世纪50年代，海藻及其提取物就已用于农业生产。

海藻肥是由藻类有效成分制成的有机高效肥料，可改善土壤、促进植物生长、提高农作物的产量和品质以及增强作物抗性。与其它肥料相比，海藻肥具有安全无毒、全面高效、环境友好［3］等优势。因此，以海藻或海藻废渣为基质生产海藻生物肥，是发展绿色、可持续农业的有效方法之一，符合国家战略需求。本文从海藻肥原料、功能成分、生产工艺以及近几年来在农业领域的应用现状进行综述，并探讨海藻肥研发及推广过程中存在的瓶颈问题，以期为开发新型高效海藻肥提供参考。

1 海藻肥原料及其功能分析

用于生产海藻肥的海藻主要为褐藻、红藻和绿藻，最常用的为褐藻门泡叶藻、海带、昆布、马尾藻等。我国野生海藻资源丰富，且海藻人工养殖业发达。藻体本身和藻类加工副产物均可作为开发海藻肥的原料。此外，由于海水的富营养化而导致的海藻爆发所产生的大量浒苔等海藻生物质也可作为制备海藻肥的原料。与传统的化学肥料和其它陆源有机肥相比，藻类肥料不仅绿色环保、补充陆源肥料缺乏的生物功能物质、有助于农产品提质增效，还能够促进藻类产业经济发展，是绿色农业和藻类产业的有机结合［4］。

海藻肥富含天然生长调节剂、海藻酸、褐藻多酚、甘露醇及甜菜碱、脂肪酸等多种功能成分。随着海藻研究的深入，新的功能物质也被分离鉴定［5］。

1.1 海藻生长调节剂

海藻中植物生长调节剂类成分有细胞分裂素、多胺、赤霉素、脱落酸、吲哚3-乙酸、激动素和油菜素类甾体等，它们在植物生长发育中的作用也已被证实［6］。甜菜碱广泛存在于海藻类以及其提取物之中，可增强海藻抵抗渗透胁迫能力［7］，其结构和功能因海藻种类而异。Valverde等对18种爱尔兰海藻中的甘氨酸甜菜碱含量进行测定，发现不同海藻品种甜菜碱含量在1.39～105.11 ng／mL之间［8］。海藻甾醇类物质主要为岩藻甾醇和链甾醇［9］。此外，海藻酚类物质也具有较好的促生长作用［6］。

1.2 海藻多糖及低聚糖

海藻富含多种陆地植物所缺乏的多糖类物质，包括海藻酸、褐藻多糖硫酸酯、岩藻多糖以及褐藻淀粉等［10］，也是海藻肥重要的指标成分。海藻酸具有凝胶、螯合及亲水等特性，对保持水土、促进团粒结构形成、活化矿质元素、调节土壤pH值具有良好作用。当前生产的海藻肥多以海藻酸为主要功能成分，在国家制定的海藻肥标准中也得到充分体现。海藻多糖还可降解成不同小分子量的褐藻寡糖，具有促生长活性功能［11］。

1.3 海藻蛋白、多肽及氨基酸类

海藻中蛋白含量因藻种和生长环境不同而有所差异，红藻和绿藻蛋白含量较高，在10% ～47%，褐藻相对较低，在3%～15%。海藻蛋白除含有天冬氨酸和谷氨酸等常规氨基酸，还含有褐藻氨酸、海人草酸、软骨藻酸、牛磺酸和凝集素等海藻特有氨基酸，这些特有氨基酸均具有较好的功能活性［12］。海藻类蛋白对香蕉炭疽菌具有抑制作用，且不同来源作用机制不同［13］。多肽类、氨基酸类等肥料也具有很好的效果，与其它种类叶面肥相比，“多肽-氨基酸”叶面肥可以明显提高作物对营养成分的吸收，延长营养成分的吸收时间，改善作物品质，提高作物产量，有效抑制土壤中土传病害的发生［14］，而微生物对海洋高分子物质具有很好的降解作用［15］。因此，以海藻为原料，通过生物酶解或微生物发酵方式制备海藻多肽-氨基酸类肥料，具有广阔的应用前景。

1.4 脂质化合物

海藻中富含棕榈酸、十八碳烯酸、亚麻油酸、二十碳五烯酸等脂肪酸及其衍生物［16］，色素等亲脂性化合物也与海藻潜在的生物活性密切相关［17，18］。Rajauria从褐藻中提取的亲脂类抗氧化物显示较强的抗氧化能力。利用LC-PDAESI-MS／MS分析可知，海藻提取物中含氰苷-3-o-糖苷、岩藻黄素、紫质黄素、胡萝卜素、叶绿素a衍生物和叶绿素b衍生物［19］。此外，红藻中还有糖脂、鞘糖脂、半乳糖神经酰胺类、肌醇磷酸神经酰胺、甘油磷脂、磷脂酰胆碱、磷脂酸、磷脂酰甘油、甜菜碱脂质等极性脂质［18］。海藻中的脂类主要为单半乳糖基二酰基甘油、双乳糖基二酰基甘油、磺喹诺酮基二酰基甘油、磷脂酰胆碱，占总脂质分布的43.0%［20］。尽管在海藻肥的研究报道中很少涉及此类物质，但是鉴于这些物质的生物学作用，推测其对植物生长发育和抗逆性亦有积极的促进作用。此外，由于脂肪酸类成分含有的有机态氮和磷只有被微生物分解后才能被作物吸收利用，因此含脂肪酸海藻肥的肥效较为持久，与微生物菌剂搭配效果可能更好。

1.5 矿物质

除以上成分，海藻还含有陆生植物无法比拟的钾、钙、镁、锶、碘等矿物质，以及植物生长所必需的锰、钼、锌、铁、硼、铜等微量元素。

2 海藻肥生产工艺及产品类型

2.1 生产工艺

海藻肥的生产方法主要有化学法、物理法和生物法。化学法主要利用酸碱或有机溶剂处理海藻，使海藻细胞内成分溶出。由于该方法操作简单、成本较低，目前国内外大多数海藻肥生产企业依然采用此种方法。但是由于化学原料对胞内活性物质破坏严重，且产生的废弃液体造成了环境污染，因此该方法并不适合长久使用。物理方法主要采用高压、超声、低温等方式达到海藻破壁效果，对仪器的要求相对较高，且处理规模较小，考虑到生产成本也不适合中小企业使用［2］。生物提取工艺是利用微生物发酵过程中产生的酶系将海藻细胞壁降解，使胞内活性成分溶出，并将大分子物质分解为植物易吸收的小分子物质。该方法反应温和、产物安全［21］，且生产过程中不产生污染，因此是最具前景的海藻肥生产方法（表1）。

表1 海藻肥不同生产工艺比较分析

2.2 海藻肥常见类型

根据不同的分类标准，海藻肥可分为不同的种类，具体见表2。目前市场上常见的产品类型可以分为冲施肥和基质肥。冲施肥有液体和水溶性粉剂两种，由海藻提取液浓缩而成，适用于大部分作物。冲施肥在使用时通常需要稀释，而稀释倍数则根据叶面喷施、根部冲施、滴灌等方式或植物的不同生长时期而定。海藻基质肥是指以海藻为主要有机质来源，复配无机营养元素、其它类型有机肥或者微生物菌肥的肥料，可以是海藻有机＋无机复混、海藻有机＋其它有机复混、海藻有机＋其它有机＋无机复混、海藻有机＋微生物复混等多种组合方式。

表2 不同种类海藻肥

2.3 海藻肥科学施用方案

海藻肥会因产品种类、作物类型、生长时期及喷施方式的不同而表现出效果上的差异。如海生素和绿丰源可促进冬枣新梢生长，而雷力2000和海藻多功能肥则抑制新梢生长，对果实品质而言，雷力2000和力力加海藻肥能降低冬枣总酸度，增加可溶性固形物含量，力力加海藻肥和海生素则可明显提升果形指数［22］；海多根、海藻有机肥、海多壮和双藻彭均不同程度地提高了冀张薯8号的产量，而施用海状元全微肥、优美达和海藻精的产量甚至低于对照［23］；水稻分蘖期施海藻精增产效果最好［24］；叶面喷施比根部浇灌能够更好地改善樱桃番茄生长发育和果实品质［25］。因此，在进行海藻肥应用研究时，需综合考虑各种因素，将不同产品形式进行组合优化，获得多样化的海藻肥施用方案，使其更好地发挥功效。

3 海藻肥在现代农业生产中的作用

3.1 促进植株生长

海藻肥富含天然植物生长调节剂，能够促进种子萌发及植株生长。海藻液体提取物不仅提高番茄种子发芽率和活力，还能促进早期发芽、增加株高、叶枝数和产量［26］。海藻发酵液300倍稀释进行叶面喷施可显著改善樱桃番茄果形指数、叶面积、单株产量［25］。浓度20%海藻液肥对辣椒种子萌发率、生化指标和辣椒色素特性增加效果最佳［27］。在冬小麦拔节-成熟期，叶面喷施海藻生物有机肥可促进植株生长、提高单株穗重和容重，增粗茎秆从而起到抗倒伏作用［28］。Chaikina等研究表明来自红藻、褐藻和绿藻的水溶性提取物对大豆根系有促生作用，且低浓度（10-4g／mL）和超低浓度（10-10～10-12g／mL）均具有刺激作用［29］。海藻精对早晚稻均有明显促生长效果，特别是分蘖期间施用分别增产 9.83%、8.43%［24］。经过2年的大田试验证实，1%泡叶藻提取物提高葡萄产量26%、果实数35%和果皮花青素含量21%［30］。叶面喷施新型海藻生物肥1 000～1 500倍时，火龙果单果重、单果体积、横径和纵径均显著高于对照［31］。海藻肥还可显著增加茶树的芽密度和百芽重，是促进低产改造茶园茶树生长发育的最佳叶面肥［32］。从以上研究来看，不同形式的海藻肥在特定浓度下对果蔬、作物等均具有良好的促生长功能。

3.2 提高产品品质

海藻肥可改善果蔬口感、提高果蔬的营养功能成分。施用海藻肥（1 200～1 600倍）有利于增加紫油菜的花青素、可溶性蛋白、维生素C含量［33］。海藻肥与2‰琼胶寡糖共同使用可显著提高秋葵果实内黄酮、果糖、果胶、游离氨基酸、可溶性糖和维生素C含量［34］。在1 500倍海藻生物肥处理下，草莓的可溶性固形物含量、糖酸比、还原糖含量和硬度较对照均显著增加，其中VC含量提高50.2%；在2 500倍海藻生物肥处理下，花青素与类黄酮含量较对照分别增加42.0%与30.6%，而高浓度（1 000～500倍）则抑制花青素与类黄酮的积累［35］。喷施海藻叶面肥可提高葡萄植株中的氨基酸含量，且0.25%和0.50%的褐藻提取物对葡萄品质有显著影响，其中旱季0.25%剂量显著提高了葡萄中氨基酸含量，而雨季0.50%剂量则表现更为有效［36］。海藻叶面肥可平衡冬枣树势含量，提升果形指数、降低冬枣总酸度，增加可溶性固形物含量［22］。

海藻肥还可提高香草植物的精油含量和成分组成。通过喷施海带提取物，显著提高了薄荷和罗勒中的精油含量，薄荷中l-薄荷酮油和l-薄荷醇油含量分别达到32.4%和32.6%，罗勒中chavicol甲基醚、芳樟醇和 cineol分别达到38.7%、29.1%和9.1%，且薄荷油中普勒酮和甲氧呋喃的潜在毒性也有所降低，同时表现出比对照更高的抗菌潜力［37］。喷施海藻肥可显著提高迷迭香挥发油含量，提高单萜和倍半萜烯等成分含量［38］。

3.3 增强抗性

施用海藻肥可提高干旱、低温、盐碱等环境胁迫下植物的适应性。干旱胁迫条件下，海藻酸、褐藻多酚、甘露醇和甜菜碱均能显著提高菜心叶片相对含水量和叶绿素含量，提高叶片SOD和POD活性，其中以海藻酸效果最佳［39］。海藻萃取液可提高正常和水分亏缺情况下玉米植株抗氧化酶的活性，增加穗轴长度和每穗轴粒数［40］。海藻提取物或海藻肥可增强盐胁迫下辣椒或番茄植株中抗氧化酶活性，提高叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量，增加叶片和果实鲜重和干重［41，42］。

海藻肥还可增强作物的抗病性。海藻肥单施或与生物炭等混施可降低烟草青枯病发病率及病情指数［43］。以海藻液为载体制备复合生物海藻肥可抑制番茄灰霉病病原菌繁殖，病情指数比对照降低38.86%以上［44］。叶面施用褐藻多酚eckol（10-6mol／L）不仅显著提高大白菜茎长和根长以及其鲜重和干重、叶面积和叶数，且在所有对照植株均严重感染菜心蚜虫前提下，eckol处理组未见感染［45］。

3.4 增效作用

海藻肥与无机盐、其它有机肥或菌肥混合施用时，可有效提高整体肥效。海藻酸（0.8% ～1.2%）可明显提高钾肥利用率，促进不结球白菜的根系生长，显著提高白菜产量［46］。海藻寡糖尿素与有机肥配施可以显著增加大豆主茎节数、单株总荚数和根瘤数，提高总干物质累积量及产量达22.5%和9.7%［47］。海藻肥与球毛壳菌 ND35菌肥复混处理可提高黄瓜光合作用效率和水分利用率，均比对照增产21.9%以上；海藻肥与菌肥复混处理对改善黄瓜品质效果明显，可溶性糖、可溶性蛋白和维生素C含量分别比对照增加7.9%、173.0%和 310.2%，硝酸盐含量降低15.6%。海藻肥与菌肥复混能促进黄瓜对土壤中N、P、K的吸收利用，特别是对速效钾吸收效果明显［48］。浓度为5%的海带提取物（KSWE）可提高甘蔗产量8%以上，此外采用6.25%KSWE＋50%化肥处理后，与对照（水＋100%化肥）相比，甘蔗的产量均等，说明KSWE具有提高肥效的作用［49］。

4 海藻肥作用机理

藻类提取物具有促进植物生长的特性，但是影响植物生长的机理尚不完全明晰［50］。海藻肥在农业上发挥良好作用可能涉及以下机制：

4.1 改善土壤理化性质，建立良好的微生态环境

海藻肥可改善土壤团粒结构、内部孔隙，提高土壤有机质、全氮［51，52］、硝态氮、铵态氮、有效钾和有效磷含量［53］，增强保肥蓄水功能，降低土壤重金属的有效含量［54］。

海藻肥所含有机质、活性物质以及微量元素可激活土壤中各类有益菌，显著提高土壤中细菌、真菌和细菌数量［55］，增加有益菌群比例，而土壤细菌群落主要类群的相对多度与细菌α多态性的变化可能与土壤中酶活有关［56］。

4.2 促进细胞分裂，提高植物光合作用效率，增强营养成分吸收

海藻富含的生长调节剂类成分能够打破种子休眠、促使萌发，促进细胞分裂、胞体增大，还可解除顶端优势、促进侧芽生长等。

喷施海藻肥可有效提高植株净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，降低叶片胞间二氧化碳浓度［57］。多糖、甜菜碱等物质可调节细胞的渗透作用、促进植物体内养分输送。

4.3 诱导植物体内保护性蛋白酶的合成

海藻肥可显著提高植株体内抗氧化酶活性，降低丙二醛和活性氧的含量［42］，可能通过参与调控植物碳水化合物代谢、生长、激素信号转导以及抗氧化剂相关基因，降低氧化应激诱导的细胞死亡和叶绿体降解相关的脂质等机制来抵抗非生物胁迫引起的植物氧化损伤［58］。

5 海藻肥应用瓶颈解析及展望

5.1 产品质量控制

海藻肥品质受原料、工艺、剂型等多方面的影响。目前海藻肥生产企业所用原料以褐藻为主，包括巨藻、泡叶藻、昆布、海带和马尾藻等，其它藻类如浒苔、墨角藻和石莼等。尽管我国的《海藻酸类肥料》和《含海藻酸尿素》国家标准已在2017年4月1日正式实施，但是由于生产原料不同，海藻肥的产品质量仍参差不齐。生物制备方法因其绿色环保、高效、可持续等优点备受推崇，然而目前微生物发酵方法的稳定性较差，难以形成统一的生产标准。因此，企业需加强产品质量控制，保证产品实际使用效果；加强生物工艺方面的研究，筛选高效发酵菌株、明确发酵工艺和有效产物，为企业标准化、规模化生产海藻肥提供强力支撑。

5.2 市场占有率低

从中华人民共和国农业农村部种植业管理司有效肥料登记发布处查询，以海藻为原料的肥料占比较小，仍属于新型小众产品。众所周知，市场占有率取决于终端用户对产品的接受程度。尽管海藻肥在小区试验和大田应用中均表现出较好的使用效果，且新时代下的种植户对于科技成分含量较高的新型肥料的需求较以往高，但是科技推广工作仍需进一步加强，从总体上提升用户的意识。此外，降低成本也是海藻生物肥料推广应用中亟待解决的问题。

5.3 展望

随着社会的发展及科技的不断进步，人们越来越重视农产品的质量安全以及农业的可持续发展。有机农业是可持续农业的重要发展方向和趋势，而有机农业体系下对肥料的要求严格，全球公认的有机标准均将海藻肥料列为允许使用物质。因此，海藻肥在农业上的经济价值空间巨大。

海藻肥的大规模产业化生产和广泛应用有利于我国海藻资源的深度开发和利用，可促进我国绿色有机农业的生产，提高农产品的质量安全，推动种植业的健康发展。因此，海藻肥的研发与应用具有显著的社会效益、生态效益和经济效益，发展前景广阔。随着海藻生物肥料的应用和不断研发，海藻生物肥将在我国现代化农业中发挥重要作用。