海藻酸及海藻寡糖在肥料增效助劑領(lǐng)域的應(yīng)用

張 琳，韓西紅，王海朋，趙麗麗，秦益民

（1.青島明月海藻集團有限公司/農(nóng)業(yè)部海藻類肥料重點實驗室，山東 青島 266000；2.海藻活性物質(zhì)國家重點實驗室，山東 青島266400）

海藻屬于低等隱花植物，是海洋食物鏈的一級生產(chǎn)者，具有生長速度快、藻體結(jié)構(gòu)簡單、對生長環(huán)境適應(yīng)能力強的特點。海藻渾身是寶，不但可供食用，也是海藻化學(xué)工業(yè)、藥品工業(yè)及海藻膠工業(yè)的重要原料[1]。海藻中含有大量陸生生物缺乏的生物活性成分和微量元素，這就使得海藻在肥料應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的開發(fā)利用前景。人們利用海藻作為肥料已經(jīng)有近2 000年的歷史，公元前l(fā)世紀(jì)，歐洲沿海地區(qū)的人們就將海藻粉施用到農(nóng)田中，以此來提高作物產(chǎn)量，減少病蟲害。

海藻肥通常是以生長在海洋中的大型褐藻為原料，如泡葉藻、海帶、馬尾藻等，通過化學(xué)、物理和生物的方法，提取海藻中的有效成分，制成海藻生物有機肥料，為植物生長提供養(yǎng)分[2]。由于海藻體內(nèi)含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和生理活性物質(zhì)，海藻類肥料中的有機活性成分集營養(yǎng)成分、抗生物質(zhì)、天然植物激素于一體，對刺激植物生長起著重要的作用。許多速生海藻體內(nèi)含有高水平的植物內(nèi)源激素，通過藻體或海藻提取物制備液體、固體肥料和作物增產(chǎn)劑、抗逆劑，在糧食作物、水果、蔬菜及花卉等方面應(yīng)用效果明顯[3]。

1 海藻酸和海藻寡糖

海藻肥中的營養(yǎng)成分豐富、種類繁多，包括海藻酸、甜菜堿、甘露醇、氨基酸、維生素、礦物質(zhì)以及內(nèi)源植物激素等結(jié)構(gòu)獨特的活性物質(zhì)和海藻代謝產(chǎn)物，為農(nóng)作物生長提供充足營養(yǎng)。同時研究表明，海藻植物內(nèi)源激素能夠顯著地促進作物生長，增加產(chǎn)量，增強作物抗旱、抗寒能力，減少病蟲害，對土壤友好，保護生態(tài)環(huán)境[4]。

1.1 海藻酸

海藻酸是海藻肥中的標(biāo)志成分。海藻酸廣泛存在于褐藻細(xì)胞壁和細(xì)胞間質(zhì)中，是由單糖醛酸線性聚合而成的多糖，是植物的主要供能物質(zhì)，起到了強化細(xì)胞壁的作用。海藻酸單體為β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古羅糖醛酸（G），這兩種單糖通過1，4糖苷鍵聚合成嵌段共聚物，成為具有廣泛生物活性的天然生物大分子。海藻酸分子式為（C6H8O6）n，分子量范圍從1萬到 60萬不等[5]，由于產(chǎn)地和氣候環(huán)境的不同，不同品種的褐藻有其特有的結(jié)構(gòu)和生物特性，從不同的褐藻中提取的海藻酸也有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性能。海藻酸化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 海藻酸的分子結(jié)構(gòu)

海藻酸可降低水的表面張力，增大藥液與葉面的接觸面積，保水性更強，使水溶性物質(zhì)更容易通過莖葉表面細(xì)胞膜進入作物細(xì)胞，使作物更有效地吸收海藻提取液中的營養(yǎng)成分。同時，海藻酸分子中的眾多羧基與羥基易與土壤中的金屬離子相結(jié)合，形成分子量倍增的交聯(lián)高分子，這種高分子鹽能牢固地與水分子結(jié)合，促進土壤形成團粒結(jié)構(gòu)并保持水分[6]。

1.2 海藻寡糖

海藻寡糖是由海藻多糖（海藻酸）經(jīng)過酸、氧化劑或裂合酶降解而獲得的小分子量片段。海藻寡糖水溶性好，易于被吸收利用，許多研究已經(jīng)證實海藻寡糖能夠在植物生長調(diào)節(jié)和誘導(dǎo)抗病領(lǐng)域發(fā)揮積極的作用。海藻寡糖具有較高的激發(fā)子活性，在植物抗病生理過程中能誘導(dǎo)植物產(chǎn)生植保素和防衛(wèi)響應(yīng)因子，抵御外來微生物的侵染，或直接作用于病原菌，參與植物的誘導(dǎo)抗病過程[7～9]。同其他來源的寡糖相同，海藻寡糖對植物來說也是一種重要的信號分子，對植物有促進生長的作用，一定濃度的海藻寡糖可促進作物對氮、磷以及許多礦物質(zhì)元素的吸收，為其作為氮肥增效劑提供有利條件[10]。

海藻寡糖分子結(jié)構(gòu)中的羧基含有負(fù)電荷基團，與多肽類肥料增效劑聚天冬氨酸（PASP）的增效原理類似，即其中的負(fù)電荷結(jié)合了氮肥中的氨和銨態(tài)氮，在特定的條件下形成絡(luò)合物，緩慢釋放氮養(yǎng)分，抑制其向硝態(tài)氮及亞硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，最終達(dá)到減少氮素?fù)p失及長期供氮的目的，從而提高了氮肥的利用率。此外，海藻寡糖對作物生長有一定的調(diào)節(jié)作用，增產(chǎn)效果較好、價格和生產(chǎn)使用成本較為低廉、生產(chǎn)原料豐富，具有較為廣闊的發(fā)展空間及市場前景[11]。

海藻精原粉是富含海藻酸和海藻寡糖等海藻提取物的一種典型產(chǎn)品，海藻精的制備是通過濃縮海藻降解提取液所得。其制備過程需登記有機水溶肥料證件，生產(chǎn)企業(yè)使用各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中各個生產(chǎn)企業(yè)的海藻酸和海藻寡糖的含量有所差別。海藻肥行業(yè)內(nèi)目前已頒布實施了2個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分別是HG/T 5050—2016《海藻酸類肥料》和HG/T 5049—2016《含海藻酸尿素》。2018年6月1日頒布NY/T 3174—2017《水溶肥料海藻酸含量的測定》，尚無國家標(biāo)準(zhǔn)。

2 海藻酸與海藻寡糖在肥料助劑領(lǐng)域中的應(yīng)用

肥料助劑是肥料產(chǎn)業(yè)的一個重要組成部分，在改善化肥產(chǎn)品品質(zhì)、增加產(chǎn)品功能及提高肥料利用率等方面具有重要作用。隨著生態(tài)農(nóng)業(yè)和綠色農(nóng)業(yè)在世界范圍內(nèi)的興起以及農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2020年化肥農(nóng)藥零增長的要求，研究和開發(fā)生態(tài)環(huán)保、提質(zhì)增效的新型肥料成為當(dāng)今肥料界最有意義的課題之一。

2.1 外源添加海藻提取物

對幫助傳統(tǒng)化肥生產(chǎn)企業(yè)的化肥產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級，對促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展、提高資源利用率、減少化肥施用不當(dāng)對環(huán)境可能造成的不利影響等方面具有十分積極的作用。

2.2 利用海藻精作為增效助劑

將海藻精添加到肥料生產(chǎn)中，常見的添加方式是將海藻精添加到大量元素水溶肥、有機水溶肥料、含腐殖酸水溶肥料等當(dāng)中，添加少量的海藻酸原粉，就可以起到提高肥效和營養(yǎng)價值的作用。因此有些肥料企業(yè)將海藻精原粉加入到轉(zhuǎn)鼓造粒和高塔造粒的尿素原料中，還有一些企業(yè)將海藻精添加到以硝銨溶液為原料的高塔硝基復(fù)合肥產(chǎn)品中[12]。

2.3 海藻包膜肥料

利用海藻提取液，通過噴涂的方式在肥料顆粒表面形成包膜層，在實現(xiàn)肥料緩釋的同時，還能起到增效的作用。有的企業(yè)已經(jīng)申請專利，生產(chǎn)具有脲酶抑制作用的海藻酸包膜緩釋尿素，將海藻提取液制成水溶性包膜材料，將此包膜材料均勻地噴涂在尿素顆粒表面，熱風(fēng)瞬間干燥，流化床冷卻至室溫，制得海藻酸包膜緩釋尿素，其具有脲酶抑制和緩釋的雙重作用，能有效提高尿素的利用率[13]。

將海藻液用高壓計量泵按海藻液增效劑∶熔融尿素為0.15∶10比例加入位于尿素生產(chǎn)流程中第一和第二蒸發(fā)器之間的尿液槽中，經(jīng)過高塔造粒得到海藻液增效尿素[14]。將海藻精原粉加入到尿素和復(fù)合肥生產(chǎn)工藝中，添加量以及海藻活性物質(zhì)的活性保全是最關(guān)鍵的因素。

2.4 海藻渣作為肥料增效增值添加物

海藻渣是褐藻（海帶、泡葉藻、巨藻等）加工工業(yè)中提取海藻膠等產(chǎn)品后剩余的固態(tài)物料。按干物質(zhì)計算，海藻加工工業(yè)中利用率僅在30%左右，海藻渣占超過50%的成分。海藻渣主要成分為海藻粗纖維、蛋白質(zhì)、海藻多糖、殼聚糖、海藻多酚類、甜菜堿等。其中蛋白質(zhì)組成中含有豐富的精氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸等氨基酸成分，海藻渣粗纖維含量可達(dá)35%以上，將海藻渣原料經(jīng)過發(fā)酵腐熟后可制成優(yōu)質(zhì)的有機肥料，對農(nóng)作物具有營養(yǎng)、抗病、增產(chǎn)的功效[15，16]。將海藻渣發(fā)酵腐熟制得的有機顆粒肥加入BB肥、控釋肥當(dāng)中，也可以起到豐富肥料產(chǎn)品品種、調(diào)理土壤、提高肥料利用率的作用。

3 總結(jié)

如今，海藻肥的充分開發(fā)利用已成為熱門的研究課題，將海藻提取物做成肥料和肥料助劑，可以豐富現(xiàn)有技術(shù)中肥料的種類，對尿素、復(fù)合肥等傳統(tǒng)肥料起到增效增值作用。同時海藻提取物作為添加原料制作高端葉面肥和沖施肥，可以改善作物品質(zhì)和產(chǎn)量，提高作物抗逆性，且有效改善土壤環(huán)境、減少污染，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。海藻肥作為一種新興功能性肥料，其對作物生長的增益效果已經(jīng)得到農(nóng)業(yè)工作者的廣泛認(rèn)可，然而對其功效機理的研究尚未透徹，對海藻提取物中各活性成分的協(xié)同作用及其構(gòu)效關(guān)系尚不清晰，仍需進一步的研究。