生物刺激素及其在農業(yè)中的應用

劉國秀，沈 宏

（華南農業(yè)大學 資源環(huán)境學院，廣東 廣州 510642）

化肥和農藥的使用使我國農產品產量得到明顯提升，然而其過量使用帶來了一系列問題，如農業(yè)投入成本增加、效益下降、土壤板結退化、水體富營養(yǎng)化、環(huán)境污染、病蟲害抗藥性等。人們生活從溫飽向小康過渡過程中，對農產品質量提出更高要求，高品質、功能性農產品更受市場歡迎。天然生物發(fā)酵、對環(huán)境危害小、見效快的生物刺激素剛好能滿足這樣的要求，在農業(yè)生產中的應用發(fā)展迅速。充分發(fā)揮生物刺激素的多重作用，提高農產品的產量和品質，對完成“化肥農藥雙減”目標具有重要現(xiàn)實意義。

1 生物刺激素的定義

從宏觀上講，生物刺激素是可改善作物營養(yǎng)和健康狀況，提高農藥和肥料利用率，刺激作物自然生理過程，可作用于植物、種子或土壤，提高作物抗逆能力，最終提高作物產量和改善品質的一系列有機化合物、無機化合物或微生物產品［1］。微觀上講，生物刺激素是影響基因表達水平，進而調節(jié)生理生化及信號傳遞過程，影響?zhàn)B分、水分及同化產物代謝的一系列有機物或無機物分子。

2 生物刺激素的分類

目前，市場上的生物刺激素產品有很多種，而且新的生物刺激素產品不斷出現(xiàn)。

根據(jù)物質種類或來源，生物刺激素產品可分為微生物制劑及其提取物、蛋白質水解產物、腐植酸、海藻及植物提取物、無機及合成產品。在我國市場上，銷售量比較大的生物刺激素產品主要為腐植酸類、氨基酸類、海藻酸類產品及微生物發(fā)酵產物。

根據(jù)是否直接參與作用和功能大小可分為特定生物刺激素和一般生物刺激素。直接參與代謝，影響作物養(yǎng)分和水分吸收基因、抗逆基因表達的生物刺激素稱為特定生物刺激素，如小分子提取物、寡糖、寡肽、類激素等；間接參與調控，通過改善根際環(huán)境或優(yōu)化葉片養(yǎng)分吸收環(huán)境作用的生物刺激素稱為一般生物刺激素，如大分子的腐植酸、海藻酸、保水劑、表面活性劑等。

根據(jù)生物刺激素的作用部位分為土壤生物刺激素、根系生物刺激素、花芽分化生物刺激素、果實生物刺激素、著色增甜生物刺激素等。土壤生物刺激素能夠調理根際土壤環(huán)境，促進土壤養(yǎng)分轉化，激活土壤生物活性，如大分子腐植酸、海藻酸等。根系生物刺激素具有促進根系生長發(fā)育，刺激根毛、側根生長的功能［2］，如含有微量生長素和細胞分裂素的海藻提取物?；ㄑ糠只锎碳に卮龠M植物花芽分化、開花。果實生物刺激素促進植物保花保果，并有利于果實膨大。著色增甜生物刺激素促進果實著色、增甜。

根據(jù)功效或作用大小分為效果明顯的生物刺激素（增產提質幅度大于10%）、效果一般的生物刺激素（增產提質幅度為5%～10%）和差質生物刺激素（增產提質幅度小于5%）。目前，開發(fā)具有明顯效果的生物刺激素，是各企業(yè)研究的重點和難點，也是今后重要的研究方向。

3 生物刺激素的功能

生物刺激素對作物生長具有多方面的作用，雖然它不是肥料或農藥，但具有肥料或農藥的功能，在促進作物生長、增強作物抵抗逆境脅迫能力方面具有重要作用。生物刺激素的作用靶標是作物本身，少量施用就可達到促進植物生長發(fā)育的功效，而且這種促進作用是傳統(tǒng)營養(yǎng)元素很難達到的。

3.1 抵抗環(huán)境脅迫

農業(yè)生產上，生物刺激素提高作物抗逆脅迫，主要表現(xiàn)在抗干旱、抗鹽害、抗低溫、抗病害等方面。干旱脅迫時，甘蔗［3］、菜心［4］、蘋果［5］等施用海藻提取物能降低葉片丙二醛（MDA）含量、電導率及葉片脫水速率，顯著提高相對水含量，緩解干旱脅迫傷害。丁振中等［6］發(fā)現(xiàn)，在100 mmol/L的NaCl脅迫環(huán)境下，噴施20 mg/L的殼寡糖能明顯緩解鹽脅迫對油菜的傷害，增強油菜幼苗的耐受能力。生物刺激素不僅能夠提高作物抗寒能力，而且在作物遭遇冷害后，能夠加速癥狀緩解，減少損失［7］。另外，生物刺激素還能提高作物對氯乙酰胺類除草劑傷害的抗性［8］。

3.2 提高資源利用率

生物刺激素通過促進作物對營養(yǎng)物質和水分的吸收、運轉和使用，使植物可以更好地利用自然資源。ERTANI等［9］向玉米噴施從農業(yè)廢棄物中提取的腐植酸，極大地提高了作物對氮的吸收和氮肥利用率。沙培條件下，50、100、150、200 mg/L腐植酸處理均可促進黃瓜莖稈的生長，提高黃瓜葉片中N、P、K、Mg、Ca、Fe等元素的含量，其中腐植酸的施用質量濃度在100～150 mg/L時效果較佳［10］。氨基酸與水溶肥復配能夠促進棉花各個時期的生長發(fā)育及對氮磷鉀養(yǎng)分的吸收利用，肥料偏生產力和農學利用效率分別提高54.22%、32.48%［11］。在番茄苗期，添加腐植酸復合施肥比單獨施肥土壤中速效氮和速效鉀含量高，速效磷交換性好，節(jié)省了20%的肥料［12］。

3.3 提升農產品品質，增加農產品產量

生物刺激素可以提高農產品的質量屬性。噴施海藻提取物3次，可使蔬菜（辣椒、番茄、黃瓜、茄子、油菜、胡蘿卜、西芹、甘藍）提早采收6～14 d，總產量增加6.4%～36.5%。同時還有改善品質的作用，具體表現(xiàn)為：辣椒干物質量增加13.8%，w（可溶性糖）增加4.1%，w（Vc）增加23.3%；胡蘿卜中w（胡蘿卜素）提高45.0%，w（類胡蘿卜素）提高29.2%，從而影響肉質根的色澤；西芹粗纖維降低6.6%，w（Vc）增加10.4%；番茄w（有機酸）增加11.3%，w（可溶性固形物）增加26.7%，w（Vc）提高12.2%［13］。生物刺激素會增加辣椒果實成熟和顏色相關的代謝產物，促進辣椒成熟和著色［14］。

生物刺激素通過提高葉綠素含量、光合作用效率等方式增加作物產量。腐植酸能夠以植物為靶標，通過改善植物的生理生化狀態(tài)，提高農藥和肥料的利用率，增強農作物抗逆能力，最終實現(xiàn)農作物增產和農產品品質改善［15］。宛氏擬青霉提取物和腐植酸鈉處理的蘿卜塊根產量分別顯著提高64.2%和25.7%［16］。田間葉面噴施海藻素對多個甘蔗栽培品種的產量均有顯著提高，提高幅度在4.30%～10.66%，平均提高8.55%［17］。

3.4 改善生長環(huán)境

生物刺激素（如腐植酸等）可以改善土壤部分理化性質，形成良好的團粒結構，解磷解鉀，提高土壤有效養(yǎng)分含量。李進平等［18］發(fā)現(xiàn)，大田條件下，生物有機肥與生物刺激素協(xié)同對撂荒香蕉園具有土壤改良作用，具體表現(xiàn)為有機肥與生物刺激素作基肥較有機肥作基肥pH提高0.92，w（有機質）、w（堿解氮）、w（速效磷）、w（速效鉀）分別顯著增加7.1%、9.2%、4.4%、11.8%。農田耕作條件下使用生物刺激素（二苯基脲磺酸鈣）拌種可以促進根際土壤微生物中固氮菌、解磷解鉀菌等功能菌屬的數(shù)量增加，其中，根瘤菌的數(shù)量平均增加8%［19］。

3.5 對病蟲害有一定的防治作用

生物刺激素兼具農藥特性，對病蟲害有一定的防治作用，具有明顯的作物針對性。腐植酸對蘋果輪紋病菌（Physalospora piricola）的抑制率達到85.3%［20］。實驗室生物活性測定和田間藥效實驗證明，殼寡糖對番茄早疫病、黃瓜白粉病、棉花黃萎病、大豆病毒病、辣椒病毒病、木瓜病毒病等均有很好的預防效果［21］。施用含有海藻活性物質的海藻肥對番茄晚疫病、葉霉病、根腐病、灰霉病以及病毒均具有一定的抑菌防病效果，特別是對土傳病害有非常好的防治效果［22］。

4 生物刺激素的作用機制

生物刺激素對農作物的作用機制是復雜的、多方面的（見圖1）。生物刺激素可以從植株外部或內部同時起作用，既可以作用于養(yǎng)分、水分吸收基因，誘導其表達變化［23］，還可以刺激植物體內非特異性活性因子，調節(jié)內源激素平衡，進而影響植物內源激素的代謝以及信號傳遞途徑［24-25］。例如，褐藻膠寡糖可使蠶豆根尖細胞有絲分裂指數(shù)增大，且能有效降低蠶豆根尖細胞染色體畸變率［26］。海藻提取物預處理能夠通過調控作物脫落酸（ABA）基因表達，誘導部分氣孔關閉，并提高葉片水分利用效率，增強抗旱性［27］。植物激素的一個作用是發(fā)出化學信號，即告訴植物何時存在脅迫的環(huán)境條件。植物因此來啟動或增加生理過程，提高他們對脅迫的耐性。

圖1 生物刺激素作用機制

腐植酸［28］、海藻提取物［29］等生物刺激素含有大量的有機質和有機膠體，可提高土壤團聚體的穩(wěn)定性，形成較好的團粒，提高養(yǎng)分有效性，同時腐植酸類物質具有較高的陽離子交換量，能提高土壤陽離子交換量。生物刺激素含有多種有效成分，可以為作物根系及微生物提供營養(yǎng)來源，從而提高土壤微生物數(shù)量。同時生物刺激素對根系有直接或間接的刺激性，可提高土壤及作物體內多種酶活性。如施用w（黃腐酸）20.6%的肥料與不施肥料及單施化肥相比，提高了土壤中土壤脲酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶、土壤蔗糖酶的活性［30］。

生物刺激素通過調節(jié)作物體內次生代謝物，增強植物體抗性，提高植物光合作用效率以及對自然資源（水、有機質、肥料等）的利用率，從而達到增效、減量、提質的效果。生物刺激素能提高植物體內可溶性糖含量，激活小分子滲透調節(jié)物質脯氨酸的合成途徑，提高植物體細胞內脯氨酸的積累量，增強植物體內抗氧化酶（POD、SOD、CAT等）活性，并誘導植保素的合成及病程相關蛋白的表達，降低細胞膜的相對透性和丙二醛含量，從而增強植物的抗逆性［31-32］。在菜心上噴施海藻酸鈉寡糖能提高葉片類囊體膜色素及其蛋白復合體含量，增加脂肪酸不飽和度，增強葉綠體ATP合成酶活性，從而促進葉片對光能的捕獲及其轉化，提高其光能利用效率［33］。

生物刺激素對病毒、細菌、真菌的防治機制：一是直接抑制其繁殖生長；二是誘導作物啟動相關防御機制。例如海藻提取物對巨細胞病毒（CMV）的防病機制表現(xiàn)在體外鈍化、抑制病毒增殖、提高防護酶活性和增強植株抗性等方面［34］。甲殼素及其衍生物對植物病菌和真菌有一定的抑制作用，還可以誘導植物產生抗性蛋白、酚類物質，誘導受侵染點木質化，增強細胞壁，使植物具有廣譜的抗性［35］。

5 國內外生物刺激素的發(fā)展簡介

國際上，雖然對生物刺激素的作用機制認識還不夠，但這并不影響其在農業(yè)領域應用的飛速發(fā)展。歐洲是全球最大的生物刺激素市場，相對比較成熟，有200多家生物刺激素生產企業(yè)；北美是全球第二大生物刺激素市場，主要生產微生物產品，拉美地區(qū)生物刺激素市場價值增長較快；亞太地區(qū)對生物刺激素的需求快速增長。不同區(qū)域生物刺激素市場價值見表1。

表1 生物刺激素市場價值

2011年6月歐洲生物刺激素行業(yè)委員會成立，并于2012年11月舉辦了全球生物刺激素大會，之后每2年舉辦1次會議，為促進行業(yè)間的交流融合，共同探討生物刺激素產業(yè)發(fā)展趨勢、技術研發(fā)進展和監(jiān)管法規(guī)提供了平臺。2018年美國出臺《美國農業(yè)法》，給出了生物刺激素的定義，這是美國法規(guī)對農用生物刺激素的首次描述［36］。2019年歐盟新的《肥料產品法規(guī)》以歐盟所有官方語言版本登載于2019年6月25日的《歐盟官方公報》上，自此，歐盟成為全球第一個將植物用生物刺激素在農業(yè)投入品中單獨分類的地區(qū)。目前，包括中國在內的大部分國家尚無專門的生物刺激素法規(guī)。

近幾年，生物刺激素的研究和開發(fā)熱潮逐漸從國際傳入國內，國內舉辦了一系列以生物刺激素生產技術、市場應用、管理政策為主題的研討會，一片農資市場的藍海正在浮現(xiàn)。

6 生物刺激素發(fā)展過程中存在的問題

6.1 缺少注冊流程及監(jiān)管機制

由于生物刺激素既不是農藥，也不是肥料，因而，生物刺激素在國際上沒有明確的登記定位。功能派主張生物刺激素的登記以產品功能分類，而成分派則要求每個產品登記以有效成分為主。目前，整個行業(yè)依然比較分散，法規(guī)進程依國家、政府和組織而異。歐洲生物刺激素聯(lián)盟趨向于將生物刺激素與肥料、農藥區(qū)分開，單獨確定登記標準［37］。在國內，還沒有出臺明確的法規(guī)對生物刺激素進行管理。整體上看，將生物刺激素登記為肥料的呼聲較多。一般廠家在登記時，往往根據(jù)生物刺激素性質是偏肥還是偏藥，依據(jù)農肥管理或農藥管理進行登記。例如含氨基酸水溶肥料、含腐植酸水溶肥料等是按照肥料來登記的，部分微生物產品是在微生物菌肥制度下管理的。而其他一些產品，例如微生物菌劑、氨基寡糖素、免疫蛋白等則更多的是按照農藥來登記。盡管不少企業(yè)聯(lián)盟共同申請了生物刺激素團體標準（第一個生物刺激素團體標準《生物刺激素甲殼寡聚糖》），但相關行業(yè)標準還是很缺乏。制定符合生物刺激素發(fā)展的政策法規(guī)和登記注冊流程已經成為生物刺激素行業(yè)的呼聲。一些公司呼吁在探索和研發(fā)生物刺激素時，要兼顧安全性和環(huán)境可持續(xù)性，以期最大限度地利用作物周邊環(huán)境中蘊藏的現(xiàn)有資源。而另一些企業(yè)希望簡化生物刺激素注冊流程和監(jiān)管框架，以提高生物刺激素行業(yè)可信度，增加企業(yè)信心，加大研發(fā)投資。

6.2 作用機制復雜、不夠明確

目前，對生物刺激素促進作物生長、增強抗逆性的內在機制并不十分清楚，市場對生物刺激素產品應用較多，但深入研究其作用機制的較少，導致產品的針對性不強、效果不顯著。另外，檢測方法不完善，產品功效尚不明確，含生物刺激素肥料難以通過指標測試來判定其作用效果，這限制了生物刺激素產品的規(guī)模應用。而且，科學家對生物刺激素的認識也未達成共識，這些都嚴重制約其規(guī)范化進程。

6.3 功能明確的生物刺激素產品欠缺

生物刺激素因作物種類、環(huán)境條件、生育時期、施用次數(shù)、施用方式和葉片穿透性能等不同，其表現(xiàn)出的效果存在很大差異。例如：腐植酸對單子葉植物的促生效果要大于雙子葉植物；海藻寡糖對老葉的免疫抗性誘導作用強于新葉或嫩葉。作物種類很多，而且生育階段、環(huán)境條件存在很大差異，但針對特定條件下促進作物生長或增強抗逆性效果顯著的生物刺激素產品并不多見。市場上大多數(shù)產品為廣譜性產品，對作物生長和抗逆所起的作用為一般性作用。

7 生物刺激素的發(fā)展展望

目前，市場上生物刺激素產品有兩大類：純生物刺激素制劑和含生物刺激素復配產品，應用較多的是含生物刺激素復配產品。由于生物刺激素具有多種功能，市場上有很多生物刺激素產品，但產品質量良莠不齊。很多生物刺激素產品被宣傳具有很多功能，然而，在實際應用中，沒有產生預期效果。在生產實踐中，生物刺激素能否被正確使用，是許多農戶必須注意的問題。

未來生物刺激素發(fā)展應在以下幾個方面開展深入研究與實踐。

（1）開發(fā)功能明確的生物刺激素產品。說明生物刺激素產品中功能物質的種類、數(shù)量、施用方式、施用次數(shù)以及可解決的問題，解決的問題必須要有針對性，同時還必須考慮作物狀況和環(huán)境條件，如光照、溫度、濕度、水分等環(huán)境因素。

（2）生物刺激素中功能性物質的快速檢測與活性保全研究。專一性生物刺激素具有明顯功能，這是建立在適宜含量上的。由于功能活性物質隨環(huán)境條件以及保存時間變化而變化，因此，必須明確其檢測方法，以便評估其施用效果。

（3）加強生物刺激素產品的備案、登記與立法。

（4）生物刺激素產品必須向高檔化、效果顯著、針對性方面發(fā)展。

（5）打破根據(jù)物質種類來源概念，開發(fā)復合化、高效性的生物刺激素產品。根據(jù)某一功能需要，將氨基酸、腐植酸、海藻酸中的精華部分，有目的地收集、加工，以開發(fā)解決生產實踐問題的產品。