海藻肥的发展历史和应用前景.pdf

现 代 农 业 研 究Modern Agriculture Research第29卷引言海藻分布在全球各地广阔的海洋中，基于其含有的大量生物活性物质，泡叶藻、巨藻、海带、昆布等海洋大型藻类在世界各地长期应用于农业生产。历史上，海藻在肥料生产中的应用从简单的腐烂海藻发展到以海藻为原料制备海藻灰（粉），并进一步发展成目前广泛使用的海藻提取液。这三个阶段中海藻类肥料的共同特点是其含有陆生植物无法比拟的I、K、Mg、Zn、Ca、Fe等40余种矿物质元素以及海藻多糖、蛋白质、多酚、氨基酸、高度不饱和脂肪酸、维生素等丰富的植物生长调节剂，可调节植物内源激素平衡、刺激植物体内非特异性活性因子的产生、促进农作物生长1，不仅能提高肥料利用率、加强作物光合作用，还能增强作物抗旱、抗寒、抗病害能力，促进作物早熟、增加坐花坐果率、改善品质、提高产量，且使用安全、生产成本低、环境友好，是一类符合新时代农业生产绿色、高质量发展要求的新型肥料。1 海藻肥的发展历史古罗马时代海藻已经应用于农业生产中，被直接加入土壤，或作为改良土壤的堆肥2，3。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（Columella），他建议卷心菜应该在有第六片叶子的时候移植，其根用海藻覆盖施肥4。Palladiuszai在公元4世纪时建议把三月海藻肥的发展历史和应用前景海藻肥的发展历史和应用前景（1.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；2.海藻活性物质国家重点实验室山东，青岛266400；3.嘉兴学院浙江，嘉兴314001；4.青岛明月蓝海生物科技有限公司山东，青岛266400）【摘要】海藻肥是通过化学、物理、生物等技术的应用把海藻进行加工处理后制备的一种海洋源生物制品，含有海藻生物体特有的植物激素、海藻酸盐、岩藻多糖、褐藻多酚、氨基酸、碘、甘露醇、矿物质等种类繁多的海藻活性物质，在为作物生长提供营养物质的同时，可以通过改良土壤、引发种子萌发、促进生根和作物生长、保花保果等作用机理提高农作物产量，改善果蔬品质，在农业生产中有很高的应用价值。【关键词】海藻；海藻活性物质；海藻肥；生物刺激剂；海藻生物制品中图分类号：S555+.6文献识别码：A文章编号：2096-1073（2023）08-0120-123秦益民1,2,3，朱长俊3，刘书英1，邱 霞2，耿志刚1，4，王嘉毅1，4QIN Yimin1,2,3,ZHU Changjun3,LIU Shuying1,QIU Xia2,GEN Zhigang1,4,WANG Jiayi1,4Abstract Seaweed fertilizers are marine bio-products produced from seaweeds after the applications of chemical,physical,biological and other technologies.They contain a wide variety of unique bioactive seaweed substances,such as plant hormones,alginate,fucoidan,phlorotannin,amino acids,iodine,mannitol,minerals,etc.While providing nutrients for crop growth,theycan also improve crop yield and product quality by improving soil,initiating seed germination,promoting rooting and cropgrowth,and preserving flowers and fruits,which are highly useful in agricultural production.Key words seaweed;bioactive seaweed substance;seaweed fertilizer;bio stimulant;seaweed derived bio-products（1.Key Laboratory of Seaweed Fertilizers,Ministry ofAgriculture and RuralAffairs,Qingdao Bright Moon SeaweedGroup Co.,Ltd.Qingdao,Shandong266400;2.State Key Laboratory of Bioactive Seaweed SubstancesQingdao,Shandong266400;3.Jiaxing CollegeJiaxing,Zhejiang314001;4.Qingdao Brightmoon Blue Ocean BioTech Co.,Ltd.Qingdao,Shandong266400)The Historical Development and Future Perspective of the Applications ofThe Historical Development and Future Perspective of the Applications ofSeaweed FertilizersSeaweed Fertilizers收稿日期：2023-03-16作者简介：秦益民（1965-），男，博士，教授，研究方向：海藻活性物质的研究与开发。120秦益民，朱长俊，刘书英等：海藻肥的发展历史和应用前景的海藻应用在石榴和香缘树的根上。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做肥料，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5。在欧洲大西洋地区,古罗马时期最著名的农业学家科鲁美拉（Columell）第一次有记载地使用海藻作为农业用肥料，他写道为了保持幼苗的新鲜度，根应该用海藻包裹起来6。公元79年，Pliny注意到英国和法国地区的人采集一种红藻用于土壤的施肥7。古代大西洋沿岸的人们经常使用海藻施肥，这种施肥方法非常适合相对贫穷的丘陵地区的农作物耕作8。在英国的泽西（Jersey）岛，至少从12世纪开始，海藻就被用于农业用途9，其主要用途是在冬季覆盖马铃薯田，然后在冬末和春末种土豆之前把它犁进土壤里。在法国，收集海藻可以追溯到新石器时代。当时，在大西洋沿岸使用海藻是很普遍的。在饥荒时期，海藻被用来取暖、做床垫、养牛和作为人类的食物。尽管其主要用途已经演变，在一些沿海地区仍然能看到海藻的传统用途，如使用海藻作为牲畜的食物和改良土壤。在法国的布列塔尼（Britany），暴风雨过后打捞上来的海藻散落在田野里，甚至在冬天也有人用大耙子从海里收集海藻后铺在沙丘上晾干，以便保存后全年使用。在12世纪中期，英国、法国、挪威等欧洲沿海国家开始广泛使用海藻作为肥料。进入16世纪，加拿大、法国、日本等地的人们收集海藻制作堆肥，英国的南威尔士和德国的一些地区则用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。到17世纪，法国政府认识到海藻在肥料中的应用价值，明文规定了沿海地区海藻的收割时间、采集条件，并大力推广海藻作为土壤肥料，当时法国诺曼底（Normandy）和布列塔尼（Britany）沿海数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。在海藻资源非常丰富的爱尔兰，农业生产中曾普遍用海藻作为肥料在土豆播种时植入土壤中，随着海藻的腐烂，其释放出的活性成分持续给土豆生长提供营养成分，既提高了土豆的产量也改善了品质。爱尔兰人收集海藻的传统可以追溯到17世纪。沿海地区的人在风暴之后从海岸线收集海藻，并将其在石圈组成的海藻窑中焚烧，得到的灰中含有苏打和碳酸钾，除了肥料，还可用于给陶器上釉、制作玻璃和肥皂，20世纪早期爱尔兰沿海制作海藻灰的场景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10。1949年，作为海藻类肥料的新产品，海藻液体肥在英国问世，开启了海藻肥的新篇章。到1980、1990年代，作为一种天然肥料，海藻肥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、中国等世界各国，海藻肥在农业生产中应用后获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11。在海藻液体肥诞生之前，未经处理的海藻相对于动物粪肥来说，其氮和磷的含量较低，钾、盐分和微量元素的浓度要高一些。褐藻中的海藻酸约占其碳水化合物含量的1/3，是海藻肥料中主要的土壤调节剂。然而，简单使用海藻堆肥会带来一些问题，比如堆肥的高盐度和过量的沙子含量。在一个海藻堆肥实验中，人们发现这些堆肥需要10个月以后才能使用，并且有必要定期添加水清洗多余的盐分以降低盐度，而这个过程降低了有益营养素的浓度。尽管如此，当海藻堆肥添加到土壤中后，碳和氮含量以及水的承载能力显著增加，有效提高了作物对水胁迫的抵抗能力12。20世纪初，为了降低从海边运输海藻作为堆肥的成本，英国人发明了用碱提取海藻肥的工艺13，但是真正使海藻液体化后制备肥料的实用方法是1949年由英国人Milton博士发明的14。根据Milton博士的报道15，如果把海藻直接用在土壤中，即便海藻是磨细的，其对植物生长有一定的抑制作用，直到约15周后对植物增长和种子发芽的抑制作用才会消失。在此期间，随着土壤中微生物的选择性繁殖，土壤中离子氮浓度下降，但总氮量上升。液体化的海藻肥对植物增长有直接的影响。Milton博士发明现代海藻肥是多种因素结合的结果，其中一个因素是二次世界大战期间利用海藻制备纤维所取得的进展。当时在英国使用的一种主要纤维是从印度东北进口的黄麻，到1944年亚洲的战争威胁了这种纤维的供应。飞机、工厂和其他潜在目标的伪装需要大量以黄麻为原料制备的网眼布。为了从本地资源中发展纤维，英国政府任命一个由生物化学家Reginald F.Milton博士负责的团队以海藻生物质为原料开发纤维材料。这个项目涉及的海藻中含有的海藻酸是英国科学家 E C CStanford早在1881年发现的，而苏格兰地区有大量的海藻资源，因此英国在苏格兰建了提取海藻酸的工厂并以此为原料制备了用于网眼布的纤维。但是在英国潮湿的气候下，海藻酸钙或海藻酸铍纤维很快溶解和生物降解，并且随着二次世界大战的结束，该项目被终止。Milton博士随后搬到伯明翰买了一个有大花园和温室的房子，并建了一个小实验室研究使海藻液体化后用作肥料。到1947年他成功制备了液体肥料，他的工艺是在碱性条件下高压处理海藻后使其液体化。在此期间，Milton博士与一个从伦敦过来，同样有养花种菜爱好的会计师W.A.（Tony）Stephenson相识，二人在各自的花园里试验了早期的液体肥料。在1949的一个晚上，二人共享了一瓶白兰地酒，Maxicrop这个海藻肥的名字就此诞生16。除了Maxicrop品牌的海藻液体肥，其他一些企业也随后开始商业化生产海藻肥。大约在 1962 年，挪威的Algea（现Valagro）采用一种与Maxicrop类似的碱法技术从121现 代 农 业 研 究Modern Agriculture Research第29卷泡叶藻中提取制备海藻肥。法国在20世纪70年代早期开发出了一种独特的低温冷冻磨碎海藻的方法17，后来由Goemar公司商业化。加拿大的Acadian Seaplants公司在1990年代开始以泡叶藻为原料商业化生产海藻提取物。澳大利亚也在20世纪70年代开始海藻肥生产和应用18。2 海藻肥的发展现状和应用前景海藻在农业生产中长期被用作为肥料和土壤调节剂。传统的观点是海藻通过其提供的营养物以及改善土质和持水性而改善作物的生长、健康和产量。在这个方面，海藻液体肥含有的溶解状态的Cu、Co、Zn、Mn、Fe、Ni、Mo、B等元素在应用于土壤和叶面后产生的功效被广为接受。随着海藻肥的推广普及，特别是低应用量的海藻肥（15 L/ha）所产生的效果使人们联想到海藻提取物中一些促进植物增长的成分。目前人们对海藻类肥料积累的知识可分为三个阶段：第一阶段：19501970年第二阶段：19701990年第三阶段：1990年至今第一阶段积累的早期知识主要是生产试验和生物测试中获取的经验性结果，对海藻肥化学成分的分析受仪器水平的影响。在第二阶段的发展过程中，气相色谱（GC）和高效液相色谱（HPLC）技术的完善使科研人员可以对海藻提取物中的各种组分进行精确测定。核磁共振（NMR）技术也广泛应用于海藻活性物质的分析测试，使海藻肥的结构组成及其使用功效之间的构效关系的建立更加科学合理。在第三个发展阶段中，仪器分析变得更加先进，在对海藻活性物质进行精确表征的基础上，主要成分分析和代谢组学方法的应用使科研人员可以更好地建立活性成分与应用功效之间的相关性。目前全球每年用于生产海藻肥的海藻约为550，000吨19。经过半个多世纪的创新发展，海藻类肥料的产品种类不断增多、质量日益改善，在农业生产中受到人们的重视和青睐，有关海藻肥的研究、开发和应用也逐渐成为热点。海藻提取物在农业生产中的应用已经获得很多国家以及多个国际组织的认可，中国有机食品技术规范、北美OMIR认证、欧盟IMO认证等明确允许海藻生物制品可以作为土壤改良物质和培肥，允许其用于作物的病虫害防治以及畜禽饲料添加剂20。随着海藻及海藻提取物在农业生产领域的推广普及以及市场规模的扩大,海藻类肥料的生产和应用技术也得到提升，同时改善了生产效率和应用功效21,22。2006年全球海藻生物制品约有1500万吨，市场规模约为599.3亿美元，其中用于农作物的营养补充剂和生物肥料占1.6%23。根据New Ag International杂志对以海藻为主要原料的海藻类肥料市场的统计，欧洲市场2012年海藻类肥料的经济价值约为2040亿欧元，全球市场至少有80亿欧元，占整个农资市场(含杀虫、杀菌、化肥市场)总额的2%24，海藻类肥料有巨大的发展空间。我国对现代海藻肥的研制起始于20世纪90年代后期，起步相对较晚。1995年 九五 科技攻关项目“海藻抗逆植物生长剂”由中国科学院海洋研究所承担，19982002年分别在山东、黑龙江、甘肃、河北等省进行了15.9万余亩的农田应用试验，作物品种涉及蔬菜、大田作物、水果等，试验结果表明该成果具有明显的促生长效果，增产幅度达7.1%26%，该成果在 中国农业科技 土壤肥料 化工管理 农业信息与科技 等刊物上均有报道。1999年7月，研发团队提交发明专利申请，2002年8月研究成果获得国家发明专利，同时显示出明显的抗病、抗旱等抗逆效果。在随后的研究开发过程中，中国海洋大学、中国科学院海洋研究所、青岛明月海藻集团、北京雷力集团等一大批高校、科研院所和生产企业在海藻肥的加工和应用以及使用过程中的作用机理、应用功效等方面进行了大量研究。2000年农业农村部肥料登记管理部门设立了一个新型肥料类别“含海藻酸可溶性肥料”，使海藻类肥料有了市场准入证的身份。到2012年，获准在农业农村部登记的国内海藻肥生产企业有青岛明月海藻集团和中国海洋大学生物工程开发有限公司等40家。2018年，“农业部海藻类肥料重点实验室”获批在青岛明月海藻集团成立，同年秦益民教授主编出版了 功能性海藻肥25，标志着我国海藻类肥料进入了全新的发展阶段。在肥料领域，传统的化肥易破坏土壤养分的平衡并且对环境有不利影响，当前世界肥料市场的主要发展方向是无机、有机、生物相结合，美国、欧洲等西方国家的有机肥料用量已经占总量的60%，而国内有机肥的使用量仅占化肥使用量的10%。据统计，2018年全球海藻产量已经达到3200多万吨，为海藻类肥料的进一步发展提供了原料保障26。目前我国海藻肥市场正处于快速发展期，前景广阔。尽管如此，由于生产海藻肥的原料、加工成本相对较高，而国内市场的经销商及消费者对海藻肥的使用方法、应用功效等方面的知识不足，加之其生产工艺复杂，目前不少企业还不具备研究、开发、生产、推广、应用海藻肥方面的可持续发展能力，在国内肥料市场上海藻肥的占有率还相对较低。除了肥效，海藻活性物质的生物刺激作用已经得到全球各地的广泛认可。生物刺激剂和生物刺激素是近年来农资行业重点发展的功能性生物制品，其中生物刺激素是具有促进植物生长功能的生物活性物质、生物刺激剂是以生物刺激素为主要功能成分的农用功能产品。与肥料不同，生物刺激剂本身并不是营养素，它们通过辅助营养素的吸收、抗生物和非生物胁迫、促进生根等作用机制对植物生长和开花结果起积极作用。生物刺激剂已经成为海藻生物资源综合利用的一个重要组成部分1。3 小结人类利用海藻作为肥料的历史已经有几千年，尽管如此，直到1993年，一种经过提炼加工的海藻肥在美国被122秦益民，朱长俊，刘书英等：海藻肥的发展历史和应用前景正式批准为美国本土农业专用肥。从各方面看，海藻肥还是一个非常新兴的产业，具有广阔的发展前景。当前，我国土壤酸化、板结、重金属超标等问题突出，农产品品质有待提高。随着科学技术的发展和社会的进步，人们对环境保护、农产品的质量安全以及农业生产的可持续发展越来越重视。作为一种天然、有机、无毒、高效、科技含量高的新型肥料，海藻类肥料系列产品适合我国绿色有机食品的生产，在农业生产中弥补传统有机肥施用量大、肥效慢的不足。进入21世纪，生物刺激剂领域的快速发展为海藻在农业生产中的应用提供了一个全新的方向。面向未来，以海藻为原料制备的海藻类肥料和生物刺激剂的规模化生产和应用将有助于我国海藻生物资源的深度开发和综合利用，促进绿色、有机食品的生产，保障农产品的质量安全，促进农民增收、农业增效，使生态环境得到改善和保护。参考文献参考文献：1 秦益民.海洋源生物刺激剂M.北京：中国轻工业出版社，2022.2 Henderson J.The Roman Book of Gardening M.London:Routledge,2004:152.3 Chapman V J,Chapman D J.Seaweeds and Their Uses,3rd EdM.London:Chapman and Hall,1980:334.4 Newton L.Seaweed Utilization M.London:Sampson Low,1951:188.5 Milton R F.Liquid seaweed as a fertilizer J.Proc Int SeaweedSymp,1964（4）:428-431.6 Battacharyya D,Babgohari M Z,Rathor P,et al.Seaweedextracts as biostimulants in horticulture J.Sci Hortic,2015（196）:39-48.7 Monagail M M,Cornish L,Morrison L,et al.Sustainableharvesting of wild seaweed resources J.Eur 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