生物刺激素的研究進展及相關歐盟管理制度解析

王思懌，商照聰，于秀華，楊 一

(上?；ぱ芯吭河邢薰?上?；瘜W品公共安全工程技術研究中心 上海 200062)

0 前言

圖1 生物刺激素市值在歐盟內的增長

近年來，環(huán)境污染的加劇、土壤生態(tài)的破壞、作物增長的瓶頸、食品安全問題的頻發(fā)、高品質農產品的需求正推動著一個新興、朝陽型產業(yè)的發(fā)展，生物刺激素以其獨特的作用機理成為農資行業(yè)的下一片沃土。目前,生物刺激素已在超過600種作物上應用，可使作物產量提高5%～10%，使肥料增效5%～25%，使農藥用量減少10%～15%。2011年，歐洲14家公司成立了歐洲生物刺激素產業(yè)聯(lián)盟，2018年該聯(lián)盟的成員單位已達到54家。自2012年12月初在法國斯特拉斯堡召開第1屆國際生物刺激素大會后，生物刺激素產品已在國外大熱，歐盟是其最大市場(圖1)，北美是第二大市場。全球生物刺激素市場的復合年增長率預計達到10.43%，將從2017年的20.0億美元增至2022年的32.9億美元。2016年歐洲農業(yè)應用生物刺激素最多，亞太地區(qū)生物刺激素市場預計將在2017—2022年增長最快[1]。近3年來，我國生物刺激素類肥料的登記數(shù)量增加了近2倍，達3 000～4 000個產品，其中氨基酸類占38%、腐殖質類占35%、有機物類占15%、微生物類占12%。

生物刺激素不屬于化肥或農藥，具有改善植物生理功能、促進營養(yǎng)吸收、增強植物應激響應的特性，可作為化肥或者植物保護劑。生物刺激素源于有機質，健康無毒，協(xié)同營養(yǎng)和植物保護劑，維持作物健康生長，提高作物品質和產量，為農用產品開辟了新的應用途徑。目前，歐洲化肥研究所、意大利瓦拉格羅股份公司、意大利意塞格、美國愛麗思達公司、中國農業(yè)科學院、俄羅斯阿爾比特公司、美國布蘭特、烏克蘭國家科學院等都是全球領先的生物刺激素研究機構。意大利瓦拉格羅股份公司是該領域的領軍企業(yè)，推出了全球“作物健康理療”產品研發(fā)的最前沿科技，出品了全球知名的生物刺激素產品“美加富”，產品銷往全球80多個國家。另外，美國愛利思達公司在全球生物刺激素的市場運作中處于領先地位。

2018年的中央一號文件指出，必須堅持質量興農、綠色興農、加快由農業(yè)大國向農業(yè)強國轉變。生物刺激素由于在減肥增效、改良土壤等方面有著神奇效果，備受國內外農資行業(yè)有關人士的關注，盡快制定相關國際規(guī)范是每一位農資人迫切的心聲。為此，歐洲標準化委員會(CEN)已于2017年成立了植物生物刺激素技術委員會(CEN/TC 455 Plant BioStimulants)開始研究制訂相關標準。ISO/TC 134 肥料、土壤調理劑和有益物質技術委員會(ISO/TC 134 Fertilizers, Soil Conditioners and Beneficial Substances)于2018年3月通過投票決定成立生物刺激素的特別小組，相關領域國際標準的制訂也被提上日程。

按法律嚴格意義來說，生物刺激素在我國沒有明確的登記地位，國內將其作為肥料進行登記。為此，全國肥料和土壤調理劑標準化技術委員會(SAC/TC 105)正積極開展相關領域內的全國標準化技術工作，已出臺的國家標準包括《農業(yè)用腐殖酸鉀》(GB/T 33804—2017)、《礦物源黃腐酸含量的測定》(GB/T 34765—2017)、《礦物源總腐殖酸含量的測定》(GB/T 34766—2017)、《礦物源游離腐殖酸含量的測定》(GB/T 35106—2017)、《礦物源腐殖酸肥料中可溶性腐殖酸含量的測定》(GB/T 35107—2017)、《農業(yè)用腐殖酸和黃腐酸原料制品》(GB/T 35112—2017)，已發(fā)布的行業(yè)標準包括《農業(yè)用腐植酸鈉》(HG/T 3278—2011)、《腐植酸銨肥料分析方法》(HG/T 3276—2012)、《含腐植酸尿素》(HG/T 5045—2016)、《腐植酸復合肥料》(HG/T 5046—2016)、《含海藻酸尿素》(HG/T 5049—2016)、《海藻酸類肥料》(HG/T 5050—2016)。此外，正在制訂中的國家標準包括《黃腐酸原料及肥料 術語和定義》(20173896- T- 606)、《腐植酸原料及肥料 術語和定義》(20173897- T- 606)，將不斷規(guī)范及促進國內生物刺激素市場的發(fā)展。

1 生物刺激素的種類和作用機理

1.1 生物刺激素的種類

歐洲生物刺激素聯(lián)盟(EBIC)、北美生物刺激素聯(lián)盟(Biostimulant Coalition)、全國肥料和土壤調理劑標準化技術委員會(SAC/TC105)給出的生物刺激素定義不盡相同，其被冠以不同的名稱，如生物促進劑、代謝增強劑、植物強壯劑、正向植物生長調節(jié)劑、誘導因子、化感制劑、植物調理劑等。廣義來說，生物刺激素是指具有促進植物生長和提高應激響應的物質，包括腐殖酸類物質、復合有機物質、有益化學元素、非有機礦物(包括亞磷酸)、海藻類、甲殼素和殼聚糖、抗蒸騰劑、游離氨基酸、微生物[2]。各類生物刺激素無需嚴格區(qū)分，并非相互獨立。

(1) 腐殖酸類物質

腐殖酸類物質是天然土壤有機質，源于死亡細胞基質的分解，在土壤微生物的代謝下生成腐殖質、腐殖酸和富里酸，可由土壤(泥碳土、火山土)、廢棄物(污水淤泥)中的腐殖質有機物提取得到。

腐殖酸作為營養(yǎng)劑作用于土壤和植物，可提高土壤的物化特性和生物活性。腐殖酸通過吸附多價態(tài)陽離子，提高土壤的通氣性和水合作用，提高養(yǎng)分的吸收和利用率，提高土壤的鈣離子交換能力、固碳作用和促進細菌呼吸，從而提高酶的活性，促進植物的應激響應能力。

(2) 非有機礦物

非有機礦物的來源為化學合成及礦物提取物，包括亞磷酸鹽、磷酸鹽、碳酸氫鹽、硫酸鹽、硝酸鹽，都能通過刺激植物自身防御機制來達到殺菌的效果，從而提高植物的產量。如亞磷酸鹽在氧化成磷酸鹽的過程中能將有效磷傳遞給植物，促進植物細胞生長。同時，生物刺激素可調控生物大分子的活性，參與多重酶促反應和機體新陳代謝，調控細胞的分化和增殖，提高植物抗病能力。

(3) 海藻類

海藻來源廣、種類多，包括褐微藻類、紅微藻類和綠微藻類。海藻及其提取物富含促進植物生長的活性物質，如多糖物質(海藻酸鹽、海帶多糖、角叉蔡膠)、固醇、含氮化合物(甜菜堿、荷爾蒙)，可作為生物肥料、土壤調節(jié)劑和生物刺激素作用于土壤和植物。作用于土壤時，多糖物質利于凝膠的形成，維持土壤的保水性和透氣性。海藻提取物富含的聚陰離子化合物利于陽離子的固定和交換、重金屬的固定、土壤修復，并通過抑制細菌和病菌來促進植物生長。作用于植物時，海藻及其提取物不僅提供養(yǎng)分，還提供類荷爾蒙活性物質(固醇類和多胺類)，刺激細胞分裂和植物生長發(fā)育，提高離子攝入能力、土壤透氣性和保水性。

(4) 甲殼素和殼聚糖

甲殼素是昆蟲和甲殼類動物外骨骼、真菌類細胞壁的組成物質，甲殼類和真菌類是工業(yè)殼聚糖提取物的主要來源。甲殼素和殼聚糖具有生物活性，常被作為植物保護劑、抗蒸騰劑、生長刺激素。殼聚糖衍生物作為聚陽離子和脂質結合分子作用于細胞外，在植物葉面上形成殼聚糖保護膜，使植物免受病原體侵害，并通過誘導植物的自身防御來預防細菌、病菌和昆蟲的侵害，其誘導的植物防御響應包括木質化作用、蛋白酶抑制劑合成、細胞壁水解、細胞液酸化、蛋白質磷酸化等。

(5) 抗蒸騰劑

成膜性抗蒸騰劑包括合成化合物(薄荷油、松脂二烯、萘、聚丙烯酰胺等)、無機化合物(高嶺土、硅酸鹽等)、天然生物聚合物(殼聚糖),可在植物表面和器官內產生物理作用。從表面上看，乳液狀抗蒸騰劑噴灑在葉面上并形成薄膜后，可阻礙氣孔向空氣中擴散水蒸氣，減少葉面反射和水分蒸發(fā)，降低熱能吸收和葉子溫度。從內部看，抗蒸騰劑可調控葉面上氣孔的打開和水蒸氣的擴散，作用于控制細胞防御的荷爾蒙物質，激發(fā)葉子蒸騰信號，提高作物保水率和抗旱性。

(6) 游離氨基酸

有機含氮化合物包括游離氨基酸、多肽、聚胺類、甜菜堿等，可以施于葉面、土壤和種子，是動物、植物和微生物的工業(yè)水解副產物。除了20種作為蛋白質合成前驅體的氨基酸，研究者還在植物中發(fā)現(xiàn)了250種非蛋白質氨基酸，它們與多重細胞和生理過程息息相關，參與木質素合成、種子發(fā)芽、細胞組織分化、信號轉導、蛋白質降解、刺激應激響應等。

氨基酸通過與土壤中的養(yǎng)分形成螯合物來促進吸收，同時作用于植物的新陳代謝，促進光合作用和二氧化碳滲透，提高酶活及作物品質。

1.2 生物刺激素的作用機理

一方面，生物刺激素能改善土壤的理化性質，促進土壤有益微生物生長，提高土壤保水效果。另一方面，生物刺激素具有類似細胞分裂素和生長素的活性，充當一個化學信號，即告訴植物何時切換它們的防御系統(tǒng)以應對惡劣環(huán)境，植物以此來啟動或增加生理過程，提高對脅迫的耐受性，調節(jié)和改善體內水分，促進營養(yǎng)物質吸收、運轉和使用，從而提高作物質量[3]。

從細胞層面上看，生物刺激素影響酶活、膜轉運蛋白活性和基因表達。從器官層面上看，生物刺激素促進葉子上的氣體交換、激發(fā)根莖的生長。從整個植物層面上看，生物刺激素作為營養(yǎng)攝入、光合作用、器官生長等過程的化學調節(jié)劑起到控制、整合、協(xié)調的作用。從任何層面上看，生物刺激素都具有改善植物生理過程的功能。

2 生物刺激素的歐盟法規(guī)制度

在歐盟的立法中，農用產品分為兩大類別：①為植物提供營養(yǎng)的營養(yǎng)劑(肥料)，受控于歐盟肥料法(EC No.2003/2003)；②作為活性物質、安全劑、增效劑使用的農藥、除草劑、激素類物質等植物保護劑，受控于歐盟植物保護劑法(EC No.1107/2009)。在歐盟肥料法修訂前，只有礦物肥被劃為“EC肥料”受控于歐盟肥料法(EC No.2003/2003)，有機肥、有機礦物肥、栽培基質、土壤改善劑、生物刺激素都基于歐盟共識性法律文件(EC No.764/2008)，由國家法案和國內市場監(jiān)管。

生物刺激素不同于肥料和植物保護劑，具有復雜的化學性質，有的為合成物，有的為有機、無機自然形成物。不能簡單地將生物刺激素劃為化肥，因為其主要功能并非為植物傳遞營養(yǎng)，但其具有促進營養(yǎng)吸收和土壤營養(yǎng)化的功效。生物刺激素也不同于植物保護劑，并非直接保護植物，而是通過增強植物調節(jié)效應來提高植物的抗病能力，且不是所有生物刺激素都具有保護植物預防病害侵入的功能。

為了建立統(tǒng)一規(guī)范的生物刺激素管理制度，2012—2013年歐盟委員會對歐盟肥料法(EC No.2003/2003)進行了擴增修訂，并在2013—2014年建立了關于植物刺激素和農用化肥添加劑的法律框架[4]。2016年3月，歐盟公布了肥料法的修訂案，將生物刺激素歸入肥料管理范圍。修訂后的歐盟肥料法涉及礦物肥、有機肥、栽培基質、土壤改善劑、生物刺激素和農用化肥添加劑，帶來的益處包括：①使所有的肥料及相關產品都有統(tǒng)一的法律，規(guī)范相關市場；②確保在市場上流通的肥料及相關產品的安全性；③確保農民購買、使用的生物刺激素的功效；④簡化新產品投入市場的流程，減輕主管當局的管理負擔。

3 生物刺激素的歐盟登記管理制度

目前，各國對生物刺激素的注冊登記流程各不相同，需要建立統(tǒng)一完善的注冊登記制度。在現(xiàn)行的歐盟農用產品管理制度中，化學品和植物保護劑分別按照REACH法規(guī)和歐盟植物保護劑法(EC No.1107/2009)進行登記管理，而食品和飼料添加劑由EFSA進行評估和登記。上述歐盟管理制度都不適用于生物刺激素，因為生物刺激素主要用于水果、蔬菜等農作物，還包含相當一部分的微生物產品。REACH法規(guī)不考慮與食物相關產品的潛在風險，且不將微生物納入其管理制度，而食品安全管理制度主要針對食品、飼料添加劑。

為了符合現(xiàn)行的歐盟和各國管理制度，需要對生物刺激素進行注冊登記。首先，應用商(登記者)向歐盟管理部門(ECHA或EFSA)提交一份關于生物刺激素的登記信息，包括：①安全性評估數(shù)據，如理化、健康生態(tài)毒性、致病性、傳染性等信息；②風險評估信息，涉及危險特性、暴露評估、風險特性等；③產品特性描述信息，涉及物種、屬別、化學名稱、施用范圍等。然后，ECHA或EFSA接收申報材料，對材料信息進行核實驗證并給出全面的結論。最后，由ECHA或EFSA批準注冊，并對申報材料進行管理。

4 結語

目前，生物刺激素產品發(fā)展比其標準和法規(guī)更快，可能會對行業(yè)產生威脅，生物刺激素相關國際標準的制訂已經被提上議程。生物刺激素以其獨特的功效得到了越來越多的認可，但其檢測方法還不完善，產品功效尚不明確?？偟膩碚f，行業(yè)內比較認可的是歐盟的生物刺激素相關標準，但考慮到各國的差異，國際標準將在歐盟標準的基礎上，結合各國國情進行調整，以提高生物刺激素標準的全球適用性。

基于生物刺激素產品的組成現(xiàn)狀和作用機理，國內一直將其納入肥料管理中。我國政府已對生物刺激素產品施行了稅費減免、補貼等政策，大力支持生物刺激素產品在國內的推廣。此外，我國還應結合綠色農業(yè)發(fā)展需要對生物刺激素產品進行戰(zhàn)略規(guī)劃，開展活性物質作用機理、檢測方法的研究，形成相應標準及規(guī)范，針對市場準入和監(jiān)管建立登記、審核程序，促進國內生物刺激素市場的健康發(fā)展。