微藻源生物刺激劑的制備及在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

張靖潔 劉珅坤 唐濤 葛保勝 李潤植 崔紅利

（1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所，太谷 030801；2. 山東省煙臺市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，煙臺 265500；3. 中國科學(xué)院上海 高等研究院低碳轉(zhuǎn)化科學(xué)與工程重點實驗室，上海 201210；4. 中國石油大學(xué)（華東）生物工程中心，青島 266580）

我國是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，從20 世紀(jì)80 年代開始，化肥的大量施用，帶動了作物產(chǎn)量的大幅度提升，為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全作出了突出貢獻。但隨著化肥施用量的逐年加大，我國迅速成為世界化肥消費大國，在占世界7%的耕地上消耗了全球近1/3的化肥量。2013 年我國農(nóng)用化肥施用量5.912×107t，農(nóng)作物畝均化肥用量21.9 kg，遠高于世界平均水平（每畝8 kg），是美國的2.6 倍，歐盟的2.5 倍［1］。過量施肥和農(nóng)藥使用導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降、農(nóng)作物病蟲害增加、化肥利用率下降、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降，農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國環(huán)境污染的重要組成部分［2］。設(shè)施農(nóng)業(yè)（Facility agriculture）基于工程技術(shù)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)培養(yǎng)條件相對可控，是一種促進動植物高效生產(chǎn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式。但在設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的同時，亦衍生出一系列肥料和農(nóng)藥過度使用等綠色安全生產(chǎn)難題，同時也關(guān)系到農(nóng)民的經(jīng)濟收入和產(chǎn)品質(zhì)量安全。如化肥過量使用導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞與群落微生物變化、作物病蟲害發(fā)生頻繁且幅度增強、作物產(chǎn)品營養(yǎng)品質(zhì)下降等問題。過量施肥和農(nóng)藥使用導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)成為設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸［3］。國家近幾年連續(xù)發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》、《水污染防治行動計劃》、《土壤污染防治行動計劃》及推進農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革中，都對減少化肥和農(nóng)藥使用、保護生態(tài)環(huán)境提出了迫切需求。尋找新型的傳統(tǒng)化肥替代品、提高化肥吸收效率及保護生態(tài)環(huán)境是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)亟待解決的重大問題。

生物刺激劑（Biological stimulants，BS）是具有調(diào)控植物生長作用的成分和（或）微生物的統(tǒng)稱，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，能改善土壤理化性質(zhì)與群落微生物、促進作物的代謝與生長、增強對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用、提升作物抗逆能力及提高作物產(chǎn)量與產(chǎn)品品質(zhì)。目前生物刺激劑包括有機質(zhì)（氨基酸、腐植酸、海藻提取物、有機碳、乙酸、糖醇酸、甲殼素、殼聚糖）和生物質(zhì)（微生物菌劑、激素類）兩大類［4］。常見的生物刺激劑產(chǎn)品包括：新型免疫增強劑（甲殼寡聚糖）、多肽（植物源多肽和動物源多肽）、生防菌（木霉菌和枯草芽孢桿菌）等。盡管目前已有規(guī)?；a(chǎn)和銷售的生物刺激劑，但同時也需要挖掘功能獨特、來源穩(wěn)定、易于規(guī)模化制備強效生物刺激劑的天然活性物質(zhì)。

微藻是一類重要的光合微生物，具有品質(zhì)可塑、固碳能力強、生長速率快、培養(yǎng)方式多樣化（光合自養(yǎng)、混養(yǎng)及異養(yǎng)）、生長周期短，可工業(yè)化養(yǎng)殖等特點。藻細胞能合成積累多種結(jié)構(gòu)和功能特異的高附加值生物活性成分，包括功能性糖類（螺旋藻多糖、紫球藻多糖等）、健康型脂類（高不飽和脂肪酸、EPA、DHA 等）、優(yōu)質(zhì)功能蛋白（藻藍蛋白、藻紅蛋白、別藻藍蛋白等）、天然活性色素（番茄紅素、胡蘿卜素、玉米黃質(zhì)、葉黃素、巖藻黃質(zhì)、蝦青素等）、有效抗菌成分（特殊脂類、酚類、萜類）等［5-8］。微藻已經(jīng)成為新型強效生物刺激劑制備的理想來源。除此之外，微藻生物技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境治理領(lǐng)域，在煤基煙道氣、畜禽養(yǎng)殖廢水、市政生活廢水、食品加工廢水治理及資源化利用等方面展現(xiàn)出強大的優(yōu)勢［9-11］。更重要的是，微藻在用于環(huán)境治理的同時，獲得的微藻生物質(zhì)可用來制備生物刺激劑，進而達到治理環(huán)境、降低成本、提質(zhì)增效的多重效益［12］。

本文重點綜述了微藻源生物刺激劑的定義及功能、適合開發(fā)生物刺激劑的藻源活性成分及藻種，微藻源生物刺激劑的制備及施用方法，微藻源生物刺激劑在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用效果及作用機理，并對微藻強效生物刺激劑的規(guī)模化制備及綜合應(yīng)用進行展望，以期為微藻源強效生物刺激劑的規(guī)?；苽浼稗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)和提供現(xiàn)實指導(dǎo)。

1 微藻源生物刺激劑的定義及功能

微藻源生物刺激劑（Microalgae source biological stimulants，MSBS）是來源于微藻的具有調(diào)控植物生長作用的成分和（或）富含微藻活細胞的一類新型生物刺激劑。微藻源生物刺激劑兼具微藻功能性肥料與微藻生物農(nóng)藥的雙重屬性［13］。與傳統(tǒng)功能性肥料或生物農(nóng)藥相比，微藻源生物刺激劑不但具有肥料與農(nóng)藥功效，更重要的是能促進作物代謝與生長，更有效吸收營養(yǎng)物質(zhì)和提高抗逆能力［14］。同時還能改善土壤理化性質(zhì)與群落微生物，提高作物產(chǎn)量與產(chǎn)品品質(zhì)。因此，在使用過程要注意區(qū)分微藻功能性肥料、微藻生物農(nóng)藥及微藻源生物刺激劑。

2 適合開發(fā)微藻源生物刺激劑的活性成分及藻種

微藻源生物刺激劑包括全藻細胞和微藻源天然活性物質(zhì)。盡管微藻種類繁多、形態(tài)各異，但從全藻細胞的角度出發(fā)，并不是所有微藻種都適合開發(fā)生物刺激劑?？砷_發(fā)生物刺激劑的藻種是一類能在土壤中存活繁殖，并且可合成單一或多種功效成分的種類。生活在土壤里的微藻種類主要包括：藍藻門、綠藻門、紅藻門、硅藻門和隱藻門等，其中藍藻門和綠藻門占了絕大多數(shù)［15］。土壤藍藻門主要包括色球藻屬、平裂藻屬、微囊藻屬、螺旋藻屬、顫藻屬、席藻屬、魚腥藻屬、擬魚腥藻屬和念珠藻屬等。土壤綠藻門主要包括杜氏藻屬、衣藻屬、小球藻屬、盤星藻屬、柵藻屬、團藻屬、四孢藻屬、膠球藻屬、綠球藻屬、集球藻屬、四角藻屬、纖維藻屬、卵囊藻屬、網(wǎng)球藻屬、剛毛藻屬、盤藻屬、羽枝藻屬、鞘藻屬、轉(zhuǎn)板藻屬、新月藻屬、鼓藻屬和水綿屬等。能在特定的土地中生存繁殖是選擇微藻源生物刺激劑藻種的優(yōu)先條件。沙漠地［16］、鹽堿地［17］、沼澤 地［18］、貧瘠地等農(nóng)業(yè)種植艱難的地方均有微藻生存的痕跡。篩選、培育當(dāng)?shù)貎?yōu)勢藻種，制備微藻源生物刺激劑，是解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植、改善土質(zhì)的途徑之一。

基于全藻細胞制備生物刺激劑的優(yōu)勢在于微藻可存活且具有活性。有研究報道，微藻可合成與高等植物激素類似的物質(zhì)以及分泌對周圍環(huán)境作出應(yīng)答的物質(zhì)［19］，如多酚化合物和抗生素類，可刺激植物體內(nèi)非特異性活性因子的產(chǎn)生、調(diào)節(jié)內(nèi)源激素的平衡；一些次生代謝產(chǎn)物也具有同種功效［20-21］。對于微藻源生物刺激劑的功效，藻株性能發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。基于微藻的屬地化特性，中科院上海高等研究院在江浙地區(qū)、西北及東北地區(qū)分離100余株微藻，并從中篩選了20 株高效固氮固碳藻株，最大固碳速率為1.30 g/L/d，固氮酶活性最高可達到107.4 nmol/h/mg。Mazhar 等［22］研究也發(fā)現(xiàn)從農(nóng)田土壤分離到的4 種固氮藍藻，有較高的固氮效果。1939 年印度首次報道固氮藍藻（Cyanobacterium）作為生物肥應(yīng)用于水稻增產(chǎn)研究［23］，現(xiàn)如今已有諸多學(xué)者對固氮藍藻在農(nóng)業(yè)中的研究進行了挖掘［24-26］，姜繼輝等［27］實驗發(fā)現(xiàn)施用藍藻沼肥的土壤全氮含量、有效磷含量、有機質(zhì)含量分別增加了49.1%、52.3%、33.3%。固氮藍藻在作物生長調(diào)節(jié)劑和生物農(nóng)藥開發(fā)、農(nóng)業(yè)環(huán)境污染防治和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護等方面發(fā)揮作用［28-29］，是較好的微藻源生物刺激劑藻種。

基于微藻活性物質(zhì)制備生物刺激劑的前提是挖掘功能獨特的功效成分。微藻中含有結(jié)構(gòu)獨特、功能新穎、豐富多樣的生物活性物質(zhì)［30-31］，包括藻多糖及其衍生物（寡糖）、特殊脂肪酸、氨基酸、小分子肽、天然色素、礦物質(zhì)、植物激素、微量元素、抗生素、酚類、萜類等。例如紅藻門中的紫球藻（Porphyridium cruentum）具有胞外分泌多糖的特性［32-33］，是比較理想的生物刺激劑的制備藻種。歐洲細葉藻（Euglena gracilis）是一種單細胞藻類，屬于裸藻屬（Euglena.），具有完整的葉綠體結(jié)構(gòu)和伸展性很強的細胞膜，可通過光合作用和吞噬兩種方式來滿足自身生長需要。從進化角度分析，細葉藻比其他藻種更接近高等植物，可以合成更為復(fù)雜的碳水化合物。研究報道，在沼澤地里細葉藻（Euglena gracilis）和萵苣（Lactuca sativa L.）可以共培養(yǎng)［18］。Jochum 等［34］研究表明水稻和微藻的共培養(yǎng)可以提高水稻的產(chǎn)量與品質(zhì)。目前，已經(jīng)通過試驗證明微藻源生物刺激劑（生物肥）的效果顯著［35-38］。

3 微藻源生物刺激劑的制備及施用方法

微藻源生物刺激劑應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)主要以新鮮活體、提取物及單一活性物質(zhì)3 種形式，前者基于全藻細胞，而后兩者基于微藻活性物質(zhì)。

基于新鮮活體制備微藻源生物刺激劑的一般流程：培養(yǎng)至營養(yǎng)脅迫期的新鮮藻液，用殼聚糖改粘性土壤絮凝微藻，制成濃縮藻液。這種微藻源生物刺激劑可以采用單一藻種也可多藻種混合使用，用于培土期，播種前，播種后，苗期，以及植物各生長時期的灌溉，以活的生命體形式注入到土壤中，可通過其生命周期和自身代謝活動促進植物生長。采用與水一起灌溉的方式，在作物根系部位形成藻-作物互作體系。這種方式具有制備成本低、方便易行的優(yōu)點，但同時對藻種活力有較高要求，保存及運輸成本較高。另外大規(guī)模的制備微藻濃縮液需要花費大量人力財力，但與環(huán)境治理系統(tǒng)耦合，例如基于微藻培養(yǎng)的廢水［39］、廢氣、廢渣處理耦合獲得大量的微藻生物質(zhì)，用于制備生物刺激劑，可降低生產(chǎn)成本。劉淑芳等［40］用3 種微藻液作為功能性肥料，促進了黃瓜的生長，同時增加了土壤養(yǎng)分，提高了土壤酶活性。目前，已在實驗室或大田中對葡萄、桃樹、韭菜、山藥、萵苣、黃瓜和苜蓿［41］等作物進行了新鮮活體微藻源生物刺激劑的效果 驗證。

基于微藻提取物制備生物刺激劑主要有水提物與醇提物兩大類。水提物中的功效成分主要是一些水溶性的物質(zhì)，一般的制備流程：將培養(yǎng)獲得的藻液濃縮成濕藻泥，干燥后獲得干藻粉；在藻粉中加入10 倍體積的水，沸水浴3 h；室溫下離心3 000 r/min，4 min，取上清；水相0.22 μm 濾膜過濾；過濾液濃縮至粉末，4℃保存，此時藻中的大多數(shù)水溶活性成分被保留。醇提物主要含有一些脂溶性功效成分，一般制備流程包括：在藻粉中加入10 倍體積的無水乙醇，超聲波破碎15 min，離心取上清；在沉淀中再次加入10 倍體積無水乙醇，超聲波破碎15 min，離心取上清，混合兩次上清液；有機相0.22 μm 濾膜過濾；過濾液濃縮至粉末，4℃保存，此時藻中的大多數(shù)醇溶活性成分被保留。這種提取方法是經(jīng)過高度濃縮的，具有制備成本較高，獲得量小的特點。因此在使用方式上與上述不同，主要采用稀釋與噴施結(jié)合策略，作用于植物生長發(fā)育各個時期，因提取物中含有促進植物生長調(diào)節(jié)劑，可誘使植物生長，也可在自然災(zāi)害來臨之前預(yù)先噴施此種生物刺激劑，誘導(dǎo)植物的抵抗力，使植物在災(zāi)害來臨時可安全度過，達到預(yù)防的目的。例如，小球藻熱水提物（CE）具有促進作物生長的功效［42］。

單一活性物質(zhì)生物刺激劑是在水提物和醇提物的基礎(chǔ)上進一步提純獲得的。這種制備方法得到的生物刺激劑成本更高，但功效更強。有研究報道微藻源寡糖（由2-10 個氨基葡萄糖以β-1，4-糖苷鍵連接而成）作為誘導(dǎo)因子可以有效提高植物的防御應(yīng)答反應(yīng)［43］。寡糖還可以促進種子萌發(fā)，促進根系生長，促進莖葉、果實生長，加快植物生長發(fā)育、改善品質(zhì)、增產(chǎn)增收等功效［44-45］。1，3-葡聚糖是一種從小球藻中分離的活性成分免疫刺激劑［46］，可清除動植物體內(nèi)的自由基。另外還有藍藻中的藻膽蛋白和固氮酶可以固定氮元素［47］。多數(shù)情況下單一活性物質(zhì)是以復(fù)合添加劑的形式添加在其他肥料和生物農(nóng)藥中。

微藻源生物刺激劑制備目前存在的問題是：微藻種類繁多，體內(nèi)的活性物質(zhì)也是多種多樣，針對不同提取物的提取工藝差距較大，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。另外我國農(nóng)資產(chǎn)品登記中沒有專門的微藻生物刺激劑品類，對此將藻類提取型生物刺激劑劃歸到有機水溶肥料或微生物菌劑的品類中，因此急需行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，精準(zhǔn)應(yīng)用微藻源生物刺激劑獨特的促生提質(zhì)功效。

4 微藻源生物刺激劑在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用實例

微藻源生物刺激劑的應(yīng)用主要體現(xiàn)在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可分為大田肥料增強劑、溫室大棚肥料增強劑及園藝生產(chǎn)肥料增強劑3 大類。

大田作物，即在作物生長周期內(nèi)不覆蓋或階段性覆蓋地膜、頂棚等設(shè)施的，全天接受自然光照、溫度、養(yǎng)分調(diào)節(jié)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。由于大田環(huán)境相對不穩(wěn)定，無論是光照、雨水、肥力流失和風(fēng)力等非生物因素，還是土害、病蟲患等生物因素，均對微藻源生物刺激劑的制備及使用提出了很高的要求。一般的微藻源生物刺激劑篩選自當(dāng)?shù)鼗蛲蛔魑镩L期種植的土壤中，因此微藻源生物刺激劑具有廣適性、耐受性、生物固氮固碳強的特點。在大田中，微藻源生物刺激劑的量比較少，無法大規(guī)模使用，一般少量添加于其他肥料中。微藻源生物刺激劑主要是依靠活性細胞進行自身生長繁殖、釋放一些激素等小分子物質(zhì)進而調(diào)節(jié)作物的代謝。

瓜果蔬菜規(guī)?；a(chǎn)往往依賴溫室大棚，目前針對一些常見瓜果蔬菜進行了研究。對于設(shè)施生菜種植來講，同化肥減半組相比，藻源生物刺激劑施加能增產(chǎn)33.6%。同化肥組相比，在減少化肥一半用量時，藻源生物刺激劑增產(chǎn)23.4%。藻源生物刺激劑的施加，提高了生菜總可溶性蛋白含量。水稻大田實驗發(fā)現(xiàn)，在減少氮肥25%時，微藻源生物刺激劑能提高稻米10%-20%的產(chǎn)量，主要表現(xiàn)為增加穗數(shù)和千粒重［26］。本課題組對小油菜試驗研究表明，施加微藻源生物刺激劑的植株自身葉綠素合成顯著增加，其中葉綠素b 的生成量是對照組的2 倍。植物中葉綠素a 與葉綠素b 的比值一般為3∶1，施加微藻源生物刺激劑會降低葉綠素a/b 的值，促進植物生物質(zhì)的累積。另外，微藻源生物刺激劑—全藻細胞在種子萌發(fā)階段也有顯著效果，我們課題組對綠豆種子在光照條件和避光條件下施加微藻源生物刺激劑，表明微藻源生物刺激劑在避光條件下可提高綠豆種子的發(fā)芽勢（圖1-A）。以全藻細胞施肥于盆栽黃瓜生長全周期，黃瓜生長狀況與對照組相比具有明顯優(yōu)勢（圖1-B）。以水為對照，藻肥為實驗組，復(fù)合肥為陽性對照分別施于盆栽小油菜生長全周期，結(jié)果表明藻肥與復(fù)合肥生長狀況相差不大均比對照組好，但藻肥的營養(yǎng)成分和生物質(zhì)累積相比復(fù)合肥有明顯優(yōu)勢（圖1-C）。微藻源生物刺激劑—藻源提取物對谷子生長具有促進效果，我們課題組用小球藻、螺旋藻、萊茵衣藻、雨生紅球藻四種藻的水提取物在正常光照和黑暗下對谷子種子進行處理，發(fā)現(xiàn)在光照和黑暗條件下4 種水提物對谷子種子萌發(fā)至幼苗階段的生長均有促進效果，在黑暗條件下促進效果明顯（圖1-D）。

在園藝生產(chǎn)方面，微藻源生物刺激劑在家庭園藝中具有廣泛的應(yīng)用前景。家庭園藝由于生態(tài)系統(tǒng)很小，內(nèi)部可能有植物、部分藻類、甚至魚蝦等高等脊椎動物，因此養(yǎng)分的持續(xù)緩釋供應(yīng)和維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性功能顯得尤為重要。而微藻源生物刺激劑中的微藻就是來源于自然水體和土壤中，因此能極好地適應(yīng)該環(huán)境，且內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)的生物排泄物等也有助于藻類生長及其活性物質(zhì)的釋放。無論是養(yǎng)植物還是動物，微藻生物飼料或肥料添加量無需很多，可如同營養(yǎng)液一般兌水使用即可，如有高級的自動進料系統(tǒng)，可定時定量補充飼料，能夠在較長一段時間內(nèi)無需添加額外飼料或肥料，減少換水和移植頻率，穩(wěn)定園藝微生態(tài)系統(tǒng)。

已有文獻報道［48-49］及我們團隊的實驗都證實了微藻源生物刺激劑能夠促進土壤改良及農(nóng)作物綠色增產(chǎn)。

圖1 微藻源生物刺激劑應(yīng)用于作物效果

5 微藻源生物刺激劑作用效果與作用原理

微藻源生物刺激劑的作用機制（圖2）包括改善土壤理化性質(zhì)、調(diào)節(jié)群落微生物、增強土壤肥力、促進作物的代謝與生長、增強作物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用、提升作物抗逆能力及提高作物產(chǎn)量與產(chǎn)品品質(zhì)。

5.1 改善土壤理化性質(zhì)

土壤理化性質(zhì)包括土壤結(jié)構(gòu)和土壤酸堿度等。土壤結(jié)構(gòu)實際上是土壤顆粒按照不同的排列方式堆積、復(fù)合而形成的土壤團聚體。不同的排列方式往往形成不同的土壤結(jié)構(gòu)，化學(xué)肥料的長期過度使用，使得土壤微生物減少，土壤板結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重。土壤板結(jié)現(xiàn)象造成土壤性質(zhì)變化，土壤孔隙狀況欠佳，進而影響土壤肥力和耕力。土壤酸化是指土壤中氫離子增加，pH 值下降，土壤呈強酸性或極強酸性的現(xiàn)象。導(dǎo)致土壤酸化的物質(zhì)包括大氣污染造成的酸雨，土壤中有機質(zhì)的分解產(chǎn)生的有機酸，土壤中微生物及植物根系的代謝作用產(chǎn)生的碳酸等。一般情況下自然酸化過程較為緩慢，人為因素造成的土壤酸化速度非常快。

使用微藻源生物刺激劑可對土壤的團粒結(jié)構(gòu)進行改善，增強土壤的物理性能和減少土壤顆粒的損失，在一定的條件下，還能參與腐殖質(zhì)形成。一方面，微藻光合作用消耗大量的二氧化碳等碳源，經(jīng)過微生物分解后的有機酸如碳酸、醋酸、琥珀酸和檸檬酸等可以作為微藻的碳源，合成有機物。一般微藻培養(yǎng)過程中可調(diào)整pH 達到接近中性狀態(tài)，正好對抗土壤變酸的過程。活性微藻生物刺激劑復(fù)配的小蘇打和光合細菌可以改良酸性土壤，小蘇打是常用的改良酸性土壤產(chǎn)品，光合細菌能夠分解土壤大分子有機物，形成的小分子有機物可以被藻類利用作為碳源，同時光合細菌在土壤中的培養(yǎng)時間增長使pH 逐漸提高，亦可對抗土壤酸化。另一方面經(jīng)顯微鏡觀察，微藻源生物刺激劑改善了土壤團粒結(jié)構(gòu)，增加土壤表層葉綠素a 含量。土壤的團粒結(jié)構(gòu)決定了植株生根定植、汲取水分及養(yǎng)分，是土壤呼吸速率、持水性能等的主要載體和體現(xiàn)。微藻產(chǎn)生糖類物質(zhì)，占土壤有機質(zhì)的0.1%，與植物粘液，礦物胚體和有機膠體結(jié)合在一起，可以改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，增強土壤的物理性能和減少土壤顆粒的損失，在一定的條件下，還能參與腐殖質(zhì)形成。

土壤團粒結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣有時直接關(guān)系到植株的生長及土壤的健康可持續(xù)發(fā)展。團粒結(jié)構(gòu)過于緊密的土壤容易造成土壤尤其是下層結(jié)構(gòu)缺氧而形成異養(yǎng)環(huán)境，使得土壤性質(zhì)和pH 等發(fā)生變化，生態(tài)系統(tǒng)朝向厭氧環(huán)境發(fā)展而非好氧和厭氧共存的方向發(fā)展，導(dǎo)致植物根系活力下降甚至壞死。由于微藻源生物刺激劑中的微藻生物基本都屬于單細胞或單細胞不緊密結(jié)合細胞團，可滲入土壤內(nèi)部，調(diào)節(jié)土壤微生物的活力，加速分解土壤塊，有效緩解土壤團粒結(jié)構(gòu)過于緊密的現(xiàn)象。在光照極弱的地下土壤部分，微藻即使因無足夠的光照而無法進行光合自養(yǎng)逐漸死亡，也會為其他有異養(yǎng)代謝的微生物提供能量，繼續(xù)為植株根系的共生體系做出貢獻。在部分荒漠化、水分含量較少、周期性的農(nóng)田地區(qū)，土壤表面和土壤下層結(jié)構(gòu)還容易形成藻-菌-原生動物共同構(gòu)成的生物結(jié)皮結(jié)構(gòu)，這一物理結(jié)構(gòu)對土壤結(jié)構(gòu)和作物的穩(wěn)定生長均有極大的好處。

5.2 調(diào)節(jié)土壤微生物群落

土壤微生物是生活在土壤中的肉眼看不見的微小生物統(tǒng)稱，包括細菌、真菌、病毒和顯微藻類等生物。不同土層分布著不同種類和數(shù)量的微生物，它們通過一些氧化、硝化、固氮等作用，促進土壤有機質(zhì)的分解和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化（圖3）。土壤中的微生物種類異常豐富，主要包括細菌、古菌、真菌、病毒、原生動物等。它們對土壤的形成發(fā)育、物質(zhì)循環(huán)和肥力演變等均有重大影響。

化學(xué)肥料的過量施用破壞了土壤微生物群落的豐度，如尿素里面的氨，高濃度的氨對于大多數(shù)微生物來說都是毒害性的。土壤微生物破壞后，土壤板結(jié)，肥力降低，繼而形成肥料使用量和肥力效果逆反的惡性循環(huán)局面。

采用活性微藻源生物刺激劑生物肥料可以改善土壤的微生物生態(tài)系統(tǒng)，提高肥力，降低化學(xué)肥料的使用，促進作物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用。某些微藻種類在生長過程中，胞內(nèi)胞外多糖含量明顯增加，可將更多的C 固定于土壤內(nèi)，因而土壤溶解性有機碳（Dissolved organic carbon，DOC）及總碳 （Total carbon，TC）含量明顯增加［50］。同時，無論微藻源生物刺激劑單獨使用還是與傳統(tǒng)化肥和生物肥混合使用，都能夠促進土壤固氮酶活性的提高。土壤固氮酶活性的提高，促進了土壤銨態(tài)氮（Ammonium nitrogen，AN）含量的提高［14］。

5.3 提高土壤肥力質(zhì)量

根據(jù)生物化學(xué)基本理論，從太陽光到生物質(zhì)理論上最大的能量轉(zhuǎn)化率大約為10%，現(xiàn)代田間農(nóng)作物的產(chǎn)量大概為理論值的1/10-1/3，因此提升整個生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵是提高光合作用的效率，微藻的能量轉(zhuǎn)化率普遍高于田間作物，液體微藻源生物刺激劑中的活體微藻在土壤表面形成一層保護膜，可大面積吸收利用轉(zhuǎn)化能量，為土壤增加有效肥力。微藻中的固氮株——固氮藍藻通過其細胞中固氮酶的作用，將大氣中游離態(tài)的分子氮還原成可供植物利用的氮素化合物，同時在其生長繁殖過程中不斷分泌出氨基酸、多肽等含氮化合物和活性物質(zhì)，加之固氮藍藻死亡后釋放出大量的氨態(tài)氮，因而大大增加土壤肥力。固氮藍藻單獨使用或與有機肥/生物炭/基質(zhì)等混合使用可形成微藻生物肥料，減少或替代部分化肥的使用。

圖2 微藻源生物刺激劑作用于設(shè)施農(nóng)業(yè)效果圖

圖3 土壤微生物作用于土壤結(jié)構(gòu)示意圖

微量元素作為土壤指標(biāo)之一，在評價土壤肥力質(zhì)量中也是至關(guān)重要的。微藻源生物刺激劑生物肥中含有多種微量元素，活體微藻亦可吸收土壤中的微量元素，轉(zhuǎn)化為植物可吸收的復(fù)合物。功能農(nóng)業(yè)中也強調(diào)在農(nóng)產(chǎn)品和食品中注重微量元素含量。微藻源生物刺激劑生物肥的使用可提高土壤中的微量元素進而增加農(nóng)產(chǎn)品的營養(yǎng)價值。

傳統(tǒng)化肥釋放氮磷鉀等元素時間很短，短時間在局部就能達到作物需求營養(yǎng)元素相應(yīng)的濃度，但由于施肥方式、作物特性、土壤類型等多種因素，化肥的利用率一般都不高。而微藻生物肥具有的生物活性恰恰可以解決這一問題。微藻生長過程也需要氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)進行代謝，并不斷同化成為細胞內(nèi)含物、細胞器、細胞膜及其它組分，也會通過其種群的不斷擴大而逐步、緩慢地釋放土壤中的氮碳磷庫內(nèi)的元素儲備，而后通過微藻群落的繁殖—死亡循環(huán)使得土壤氮碳磷元素處于不斷的“匯”和“源”的交替過程中，這樣的代謝通路比化肥的釋放通路要延長不少，使得土壤和其上的植株在收納肥料和土壤原本肥力的過程中有一個緩沖的能力和屏障，既能保證植株在一些特定時期不發(fā)生肥力過猛、植株細胞內(nèi)脫水的“燒苗”現(xiàn)象導(dǎo)致減產(chǎn)甚至絕收，也能夠在一段時期內(nèi)固定來自土壤本身或人工施加的肥料營養(yǎng)成分，達到緩慢釋放營養(yǎng)的效果，保證植株生長的營養(yǎng)需求。

從微藻的培養(yǎng)過程來講，將富含氮磷鉀的廢水中培養(yǎng)出來的微藻用于微藻源生物刺激劑生物肥的開發(fā)，既達到了廢水去氮去磷的效果，又能將氮磷緩慢釋放到土壤中，有效增加土壤肥力，保證植物生長所需要的營養(yǎng)。就以農(nóng)家肥和微藻肥做對比（表1），微藻肥的各類營養(yǎng)物質(zhì)均高于常用的農(nóng)家肥。但是，微藻生物質(zhì)累積量不足，因此在生物肥料方面，還是以活體液體肥為主，通過其他方式作用于土壤和植物，而不是直接作為生物質(zhì)來增加土壤肥力。

5.4 增強植株對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用

微藻源生物刺激劑包含活體的復(fù)合細胞團，其來源大多數(shù)是采集、分離、純化自屬地的生態(tài)結(jié)構(gòu)。因此其施加到當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)中后能夠快速地對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)中的非生物和生物因子做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。而作為植株來說，其營養(yǎng)吸收的主要手段便是通過其根系從土壤周隙中汲取水分及水溶性的無機和有機物質(zhì)，作為其光合同化和呼吸的底物。因此其根系周邊的微環(huán)境就顯得尤為重要，其根系表面的氧化還原反應(yīng)類型、速率、反應(yīng)條件的變化程度等將直接影響植株吸收和生長的速率。微藻源生物刺激劑施加入土壤中后，其活體成分能夠在土壤表面快速形成一層微藻、細菌等優(yōu)勢生物的群體性生物結(jié)皮結(jié)構(gòu)，在根系組織表面，微藻能夠和細菌等形成較為穩(wěn)定的、呈現(xiàn)周期性規(guī)律的共生體，持續(xù)不斷地為植株提供必要的代謝產(chǎn)物，而植株也會給予其相應(yīng)的有機碳及其它植株不能利用而共生體結(jié)構(gòu)能夠利用的氮源或碳源，形成互惠共利的關(guān)系。

表1 農(nóng)家肥和微藻肥的營養(yǎng)元素比較

5.5 促進作物生長、提升抗逆能力及提高產(chǎn)量與品質(zhì)

在藍藻無害化處理和資源化利用的基礎(chǔ)上，將藍藻制備成微藻源生物刺激劑，并應(yīng)用于水稻種植［52］，能顯著促進水稻生長，提高產(chǎn)量和稻米品質(zhì)，其蛋白質(zhì)含量比化肥種植的水稻高出55.8%，直鏈淀粉和膠稠度分別高出 9.3% 和7.9%?；诟咝Ч痰δ艿脑松铩{藻與高能營養(yǎng)和光合功能的真核生物——綠藻混合制備的微藻源生物刺激劑能顯著促進桃樹平均單果重，增加可溶性固形物含量，大幅提升產(chǎn)品品質(zhì)?；诠痰~腥藻制備的微藻源生物刺激劑能顯著促進小麥和西紅柿的 產(chǎn)量［53］。

6 微藻源生物刺激劑應(yīng)用展望

微藻源生物刺激劑具有獨特的優(yōu)勢，但目前還存在一系列問題，包括微藻細胞或活性物質(zhì)的制備，微藻源生物刺激制備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、微藻源生物刺激劑的使用方法等。

降低微藻養(yǎng)殖成本是實現(xiàn)微藻源生物刺激劑規(guī)?；苽涞年P(guān)鍵。設(shè)計新型微藻規(guī)模化養(yǎng)殖設(shè)備是有效途徑之一［54-55］。例如，近年來廣泛采用的垂直管道、水平管道、跑道池、交錯流平板反應(yīng)器及仿生樹形反應(yīng)器等有效提高了微藻光合活性及生物量，具有高的混合效率及停留時間，30L反應(yīng)器最大生物量在7 g/L 左右。以35%更新率，可半連續(xù)培養(yǎng)20 d，比批次培養(yǎng)可多獲得20%左右的微藻生物量。除此之外，微藻已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境治理，在環(huán)境治理的同時制備微藻生物質(zhì)也是降低成本的有效途徑。通過與廢液（生活廢水、畜禽養(yǎng)殖廢水、市政廢水等）和廢氣（電廠、煤焦煙道氣等）處理系統(tǒng)耦合，利用微藻吸收煙道氣中的CO2及NOX提供碳源與氮源，利用工廠的余熱及其他能量，提供微藻生長所需溫度及微藻干燥，結(jié)合高效光生物反應(yīng)器，實現(xiàn)微藻的規(guī)?；畠r生產(chǎn)。利用某些微藻的異養(yǎng)和混養(yǎng)特性，吸收廢液中的氮、磷等營養(yǎng)成分，轉(zhuǎn)化為微藻自身生物質(zhì)，達到低碳減排、微藻源生物刺激劑的制備及設(shè)施農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效的目的。

當(dāng)然，微藻源生物刺激劑的產(chǎn)業(yè)發(fā)展還有很長的路要走，還需要更多的科研工作者投入精力和資金，研究每種植物和土質(zhì)適合的微藻源生物刺激劑，除了要考慮藻種配方和加工方式及施用方式外，還要考慮微藻源生物刺激劑的釋放速率和保質(zhì)期，以及當(dāng)?shù)胤N植的慣有操作，當(dāng)?shù)貧夂蚺c土壤本底值等因素。這些因素也將成為微藻源生物刺激劑開發(fā)的重點和難點。