李 雙
中國腐植酸工業(yè)協(xié)會 北京 100120
近年來,生物刺激素在農(nóng)資行業(yè)已成為有非常影響力的產(chǎn)業(yè),可謂第5次農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料領(lǐng)域革命產(chǎn)物。腐植酸生物刺激素居5大類生物刺激素(腐植酸、氨基酸、微生物、海藻酸、無機合成物)之首[1],頗具活力,且天然、質(zhì)優(yōu)、性情溫和。新時期,面向我國以國內(nèi)大循環(huán)為主、國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進發(fā)展的新格局,讓腐植酸為開啟第5次農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料大門舉旗定標具有重要現(xiàn)實意義。
細數(shù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展,歷經(jīng)了多次重要的革命,不僅改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)粗放式生產(chǎn)模式,也大大提高了糧食單產(chǎn),推動農(nóng)業(yè)發(fā)展取得巨大進步。其中,種子是實現(xiàn)農(nóng)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的內(nèi)因,是承載其他變革的重要載體;農(nóng)機是推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進程的物質(zhì)條件,是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要手段;而化肥→農(nóng)藥→地膜→除草劑4次革命,以及新生的生物刺激素第5次技術(shù)革命,貫穿植物生長全過程,于土壤安全、糧食安全、環(huán)境安全、氣候變化等息息相關(guān),可稱之為狹義的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料。
化肥始于硫酸銨,源于歐洲,是工業(yè)革命的產(chǎn)物。1800年,英國率先從工業(yè)煉焦中回收硫酸銨作為肥料[2]。1840年,德國農(nóng)業(yè)化學家李比希提出的“植物礦質(zhì)養(yǎng)分理論”[3]使得化肥工業(yè)興起,掀起了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料第1次革命。此后,1842年英國用硫酸分解磷礦石生產(chǎn)出過磷酸鈣[4],1860年德國人從鉀鹽礦中提煉出鉀肥[5],1908年德國諾貝爾化學獎獲得者Fritz Haber(1918年)和 Carl Bosch(1931年)發(fā)明了合成氨技術(shù)和工藝。隨著生產(chǎn)工藝的發(fā)展,化肥的濃度逐漸提高,養(yǎng)分由單一向復合化發(fā)展?;使I(yè)經(jīng)過200多年的發(fā)展,為世界農(nóng)業(yè)和糧食安全作出的貢獻毋庸置疑。然而,面對資源、能源、食品安全和生態(tài)環(huán)境安全的巨大壓力,化肥工業(yè)必須進行變革即綠色轉(zhuǎn)型升級。腐植酸集合大中微量營養(yǎng)元素及有益元素,制成的腐植酸功能性肥料發(fā)揮了先鋒隊作用,經(jīng)過時間和實踐的檢驗已成為肥料行業(yè)綠色化發(fā)展的先進代表。
農(nóng)藥應(yīng)用早在3000年前,荷馬《奧德塞》中介紹了硫具有殺菌作用。1851年法國人格里森(M.Grison)研制的石硫合劑開始在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用,使得無機農(nóng)藥興起,極大地緩解了農(nóng)藥緊缺的現(xiàn)象[6]。直到1939年,諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的獲獎?wù)摺A_·赫爾曼·穆勒發(fā)現(xiàn)雙對氯苯基三氯乙烷(1873年,維也納化學家發(fā)現(xiàn))具有良好的殺蟲效果,并把它命名為DDT,有機合成化學農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)興起[7]。今天,推進農(nóng)藥減量化、保護生態(tài)環(huán)境是大勢所趨。腐植酸與農(nóng)藥配伍,低毒、高效、安全、環(huán)保,是開發(fā)現(xiàn)代綠色環(huán)保型農(nóng)藥的一個優(yōu)良助劑[8]。
地膜應(yīng)用始于20世紀40年代,1943年日本最早嘗試用塑料薄膜覆蓋地面進行作物生產(chǎn)[9],具有良好的增溫、保墑、除草等作用[10],掀起了一場“白色革命”,為當時農(nóng)業(yè)增產(chǎn)(30%~50%)作出了積極貢獻。然而,由于長期重使用、輕回收,隨著農(nóng)用地膜的用量和覆膜年限增加,廢舊地膜在土壤中的殘留量逐年增多,曾被譽為“白色革命”的地膜殘留成為農(nóng)村“白色污染”的主要來源[11]。今天,全生物可降解地膜替代技術(shù)解決“白色污染”成為新趨勢。腐植酸黑色可降解地膜是一項革命性的技術(shù),將在今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用[12,13]。
除草劑應(yīng)用始于19世紀末期,法國、德國、美國同時發(fā)現(xiàn)硫酸和硫酸銅等的除草作用,并用于小麥等地除草[14]。1942年,H.B.Tukey和CeliaKitby等成功地合成了氯化苯氧乙酸類化合物2,4-D,從此有機化合物作為除草劑使用,也標志著現(xiàn)代化學防治雜草技術(shù)的開始[15]。20世紀80年代,除草劑品種的開發(fā)更為迅速,每年上市的品種有7~18個,成為除草劑發(fā)展的鼎盛時期,尤其是磺酰脲、咪唑啉酮、磺酰胺和嘧啶水楊酸等超高活性類型產(chǎn)品的成功開發(fā),將除草劑品種開發(fā)推向超高效階段,給化學除草技術(shù)及環(huán)境保護帶來了革命性的變化。今天,除草劑逐漸成為種植者的一種重要工具,發(fā)展高效、低毒、易降解、殺草譜廣、水性化劑型、滅生性除草劑將成為主流。然而,大量施用化學除草劑帶來了環(huán)境污染危機,長殘效除草劑的應(yīng)用引起了殘毒藥害,導致下茬作物減產(chǎn)甚至土地退化[16]。在現(xiàn)代除草劑變革中,腐植酸與除草劑配伍,高效、低毒、廣譜、用量少,且減少漂移,對環(huán)境污染小[8]。
20世紀70年代以來,生物刺激素在農(nóng)資市場上一直很活躍。它既不是激素也不是農(nóng)藥更不是肥料[17,18],而是介生其間發(fā)揮單一農(nóng)資難以補益的調(diào)節(jié)作用。因其具有針對性強、作用面寬、使用量少、經(jīng)濟安全、環(huán)境績效好等優(yōu)勢和特點,迅速發(fā)展成為服務(wù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一支新生力量[1]。尤其面對全球氣候變化、新生農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求,在化肥、農(nóng)藥、地膜、除草劑4類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料必須綠色轉(zhuǎn)型、提質(zhì)增效的背景下,生物刺激素已成眾多產(chǎn)業(yè)界、學術(shù)界、科研領(lǐng)域、分析機構(gòu)專家眼中的新寵兒。腐植酸位居5大類生物刺激素之首[1],為生物刺激素產(chǎn)業(yè)舉旗定標恰如其分。
(1)生物刺激素產(chǎn)品在前。
“生物刺激素”一詞,最早由西班牙格萊西姆礦業(yè)公司于1974年提出[19],當時并未對生物刺激素有明確的定義,只是相應(yīng)地推出了一系列產(chǎn)品,這些產(chǎn)品可用于蔬菜、花卉、盆栽植物、設(shè)施保護地和非保護地等,能有效地滿足全球不同地區(qū)、不同作物、不同資源條件下的作物肥料調(diào)節(jié)需要。足以說明,生物刺激素產(chǎn)品應(yīng)用在前。
(2)生物刺激素產(chǎn)業(yè)形成。
近年來,生物刺激素產(chǎn)業(yè)在全球興起并迅速發(fā)展。
國際市場:歐美地區(qū)成為生物刺激素產(chǎn)品的最大市場,以北美、拉美、西歐、東歐、非洲等區(qū)域為主[1],其應(yīng)用較為成熟,2011年6月歐洲生物刺激素產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立,是其產(chǎn)業(yè)化的一個重要標志[20]。
中國市場:實際生產(chǎn)中早有應(yīng)用,但引用生物刺激素概念不足10年。生物刺激素在我國沒有明確的登記地位,目前主要作為肥料進行登記,這在一定程度上限制了該類產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
(3)生物刺激素產(chǎn)業(yè)管理。
關(guān)于生物刺激素的歸屬問題,是農(nóng)藥還是肥料領(lǐng)域管理,至今仍未統(tǒng)一。
美國環(huán)保署(2019)發(fā)布了一份指南草案,建議在農(nóng)藥法規(guī)下對天然存在的生物刺激素進行管理并登記為農(nóng)藥。依據(jù)《聯(lián)邦殺蟲劑、殺菌劑和殺鼠劑法案》(FIFRA)7 U.S.C. 136-136y,對這些產(chǎn)品按農(nóng)藥進行監(jiān)管[21]。歐盟新版肥料法規(guī)(2019年7月15日生效,2022年7月正式實施),將生物刺激素納入肥料產(chǎn)品管理,同時修改農(nóng)藥法規(guī)的管轄范圍,從法規(guī)層面明確了生物刺激素的歸屬[22]。對于一些界限不明確的產(chǎn)品,強調(diào)從產(chǎn)品的主要功效以及定位出發(fā),選擇合適的上市路徑。
在我國,從法律定義上來講,生物剌激素產(chǎn)品登記地位不明確,一部分以肥料的名義登記,一部分以農(nóng)藥登記[23]。不論是農(nóng)藥還是肥料,目前主要是以其中所含有的有效成分登記。建議屬于生物刺激素類的產(chǎn)品,實行統(tǒng)一登記,以利于讓農(nóng)民更快接受、產(chǎn)品更快推廣、國際化深度融合。
隨著生物刺激素產(chǎn)業(yè)快速興起并不斷發(fā)展,國際、國內(nèi)紛紛對生物刺激素概念作出不同的描述或定義。
(1)2011年7月,美國生物刺激素聯(lián)盟首次對生物刺激素進行了定義:一種物質(zhì),當施用于作物、種子、土壤或者生長媒介時,同已有的施肥計劃相結(jié)合,提高作物養(yǎng)分施用效率,或者對作物生長和脅迫響應(yīng)提供其他直接或間接的益處[17,19,24~26]。
(2)2012年7月,歐洲生物刺激素產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在第一屆國際生物刺激素大會上對生物刺激素進行了定義:植物生物刺激素是一種包含某些成分和微生物的物質(zhì),這些成分和微生物在施用于植物葉圍或者根圍時,其功效是對植物的自然進程起到刺激作用,包括加強/有益于營養(yǎng)吸收、營養(yǎng)功效、非生物脅迫抗力及作物品質(zhì),而與營養(yǎng)成分無關(guān)[17,25]。這次會議,使得歐洲率先在思想、理論、技術(shù)等方面掌握了話語權(quán)。
(3)2015年11月,歐洲生物刺激素產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟召開第二屆國際生物刺激素大會,對生物刺激素重新進行了定義:是指一類物質(zhì)和(或)微生物,當被應(yīng)用于植物葉圍或根圍時,具有刺激植物體內(nèi)自然的生理過程,以提高營養(yǎng)吸收、營養(yǎng)利用效率,耐非生物脅迫及提高作物品質(zhì),且功效與其營養(yǎng)成分相獨立[17]。
至今,關(guān)于生物刺激素,學術(shù)上未有統(tǒng)一的說法,業(yè)內(nèi)叫法也多種多樣,如生長調(diào)節(jié)劑、植物抗性增強劑、天然抗性促進劑、活力增強劑、植物激活劑、誘導因子、植物強壯劑、生理激活劑、植物助長劑、生物活性劑、生物刺激劑、土壤改良劑……。事實上,這些叫法因人而異,并非準確,但也無可厚非。我們有理由相信,隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷成熟,一個科學的名稱和定義更容易被大家接受。
生物刺激素已被證明能夠影響作物的多個代謝過程,如呼吸作用、光合作用、離子運輸、氧化還原反應(yīng)、DNA合成等,其有機來源及環(huán)境無毒害性成為推動消費需求不斷增長的重要因素?,F(xiàn)代有機農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展、作物產(chǎn)量增長遭遇瓶頸、綠色健康優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品需求的增加、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境破壞的加劇等都將擴大對生物刺激素的新需求。
(1)構(gòu)筑農(nóng)業(yè)立體防控體系。隨著人類活動引發(fā)的土壤問題與環(huán)境問題越來越嚴重,氣候變化和極端天氣的頻發(fā),以及農(nóng)藥和肥料抗性、過量、缺乏、不平衡等原因,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須面向綠色、安全、環(huán)保、可持續(xù)等方向發(fā)展。對此,建立土壤生態(tài)、作物根際、植株葉面“三位一體”立體化防控體系是必然趨勢和時代要求。生物刺激素作為“植株立體防控”的重要技術(shù)手段,隨著科學技術(shù)的進步必將揭示出強大的生命力。
(2)促進農(nóng)藥化肥減量。生物刺激素是植物的“改良劑”。比照農(nóng)藥,生物刺激素可以誘導植物抵抗真菌、細菌及病毒等病害。比照肥料,生物刺激素可以大幅提高作物對肥料的吸收利用率,獲得更高的產(chǎn)量和品質(zhì)。研究表明,生物刺激素可使肥料使用效率增加5%~25%,農(nóng)藥用量節(jié)省10%~15%。通過精量灌溉,肥料的使用效率更高,產(chǎn)量增幅最少為5%~10%[19]。簡而言之,生物刺激素最優(yōu)秀的特質(zhì),僅僅微量即可實現(xiàn)功能倍增、減藥減肥的功效。但是,生物刺激素并不直接威脅肥料的消費,最可能的情況是放緩市場上已經(jīng)幾乎成熟的主流肥料的消費。
(3)提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。隨著人們生活水平的提升,對于高品質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品、優(yōu)質(zhì)的食物乃至功能保健型食品的需求都在不斷增加。研究發(fā)現(xiàn),生物刺激素可以提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量屬性,包括外在品質(zhì)(如著色、果實大小、耐貯性等)和內(nèi)在品質(zhì)(如糖、Vc、蛋白質(zhì)、淀粉含量等)[27~29],還可以提高果實的抗氧化活性,對人體健康有著重要意義。
(4)調(diào)節(jié)植株氣候變化。生物刺激素調(diào)節(jié)植株氣候變化意義重大,是幫助作物構(gòu)建復原能力以應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵手段,與新型良種具有同等重要性。比利時列日大學讓布盧農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學院Patrick du Jardin教授指出“生物刺激素現(xiàn)在被視為作物種植和可持續(xù)性的第四大支柱,其他三個支柱分別為種子、肥料和植保產(chǎn)品,我們應(yīng)利用生物刺激素來解決諸如氣候變化以及作物收獲損失等問題”[30]。
(5)市場越來越旺盛。當前,生物刺激素在全球農(nóng)業(yè)的應(yīng)用率正獲得顯著增長。據(jù)美國市場研究機構(gòu)Markets and Markets(M&M)數(shù)據(jù)顯示,生物刺激素的全球市場份額在2015年銷售額達15億美元,并且以復合年增長率超過10%的速度發(fā)展[19,31],2017年大約是20億美元,到2022年將達到32.9億美元[31],未來10年市場銷售額將超過50億美元,市場前景非常廣闊。
腐植酸生物刺激素主要是以煤炭(風化煤、褐煤、泥炭)或潔凈的生物質(zhì)資源為原料,通過工業(yè)提取或生物轉(zhuǎn)化而制成,適用不同區(qū)域、不同土壤、不同植物、植物不同生長階段的相關(guān)農(nóng)用產(chǎn)品,兼具改良土壤、激發(fā)作物生長潛能、提高作物營養(yǎng)吸收和利用、增強作物抗逆能力、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、減少有害氣體排放等多元化功效,以達經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益的統(tǒng)一為目的[1]。
腐植酸生物刺激素產(chǎn)品特點突出,主要表現(xiàn)在以下6個方面。
(1)自然親和。腐植酸來自于土壤、水體、煤炭等自然之中,其屬性天然、生態(tài)、有機、綠色和環(huán)保。通過工業(yè)化利用腐植酸,其產(chǎn)品調(diào)和性強、適應(yīng)性廣[1]。
(2)抗逆性強。腐植酸含有多種活性官能團,通過酚羥基/醌基通過氧化/還原作用相互轉(zhuǎn)化,使得作物體內(nèi)不斷形成瞬時自由基,強化了新陳代謝過程,從而提高了作物的生理活性、健康水平和抵御各種惡劣環(huán)境的能力,包括抗旱、抗寒、抗鹽堿、抗病蟲害、抗干熱風、抗倒伏、抗重茬、抗重金屬等逆境脅迫能力,這對于氣候變暖大背景下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分重要[32,33]。
(3)靈活多效。腐植酸可以復合大、中、微、有益營養(yǎng)元素,通過優(yōu)化養(yǎng)分組合,以發(fā)揮肥料的功效為主;腐植酸可與多種農(nóng)藥進行單配、復配或混配,以發(fā)揮農(nóng)藥的功效為主;腐植酸還可與其他農(nóng)資產(chǎn)品精準融合,發(fā)揮提質(zhì)增效作用[1]。
(4)經(jīng)濟安全。腐植酸生物刺激素產(chǎn)品具有節(jié)約資源、利用率高、使用量少、無(低)毒無殘留等特點,可減少對土、水、氣污染物的排放,且減少對植物的傷害[1]。
(5)愈專愈活。腐植酸是大分子有機弱酸聚合物,分子量從幾百到幾百萬,變化范圍巨大,且含有多種官能團,具有很強的物理、化學、生物活性,可以根據(jù)不同區(qū)域、不同植物、植物不同生長階段等,開發(fā)功能性、專一化、多元化產(chǎn)品[1]。
(6)應(yīng)用廣范。腐植酸生物刺激素產(chǎn)品可速效、可長效、可二者兼具,腐植酸生物刺激素產(chǎn)品可根施、沖施、葉面噴施,廣泛應(yīng)用于大田作物、蔬菜、果樹、花卉等[1]。
在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,生物刺激素表現(xiàn)出非常好的效果。腐植酸與海藻酸、氨基酸以及微生物菌劑3類生物刺激素相比(無機合成物未列),優(yōu)勢明顯,見表1。
表1 4類生物刺激素比較[1,34]Tab.1 Comparison of four biostimulants
通過表1分析,腐植酸生物刺激素在礦質(zhì)資源、活性基團、功能開發(fā)、技術(shù)/產(chǎn)品標準、環(huán)境友好等方面優(yōu)勢明顯。
面向國內(nèi)大循環(huán),基于化肥減量化、土壤污染治理、綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展等需要,應(yīng)對腐植酸生物刺激素產(chǎn)業(yè)進行戰(zhàn)略規(guī)劃,開展物質(zhì)分類、基礎(chǔ)研究、檢測方法研究等,完善標準體系,建立規(guī)范的市場準入、登記和監(jiān)管程序,促進國內(nèi)腐植酸生物刺激素市場的健康發(fā)展,同時推動產(chǎn)業(yè)國際化發(fā)展進程。
不論是風化煤、褐煤、泥炭還是生物質(zhì)來源;不論是大分子,還是小分子;本著簡單性、唯一性和一致性的原則,應(yīng)從產(chǎn)品的物理屬性、化學屬性、生產(chǎn)屬性、工藝屬性、用途屬性、服務(wù)屬性等方面,將具有相同屬性的產(chǎn)品進行分類,并為每一類產(chǎn)品制定產(chǎn)品規(guī)范和統(tǒng)一的技術(shù)標準。
由于腐植酸生物刺激素的成分相對復雜,不同來源的腐植酸其作用機制還不是十分明確。在今后的研究中應(yīng)深入8方面的研究:
(1)腐植酸生物刺激素基礎(chǔ)材料選擇;
(2)腐植酸生物刺激素基礎(chǔ)學原理;
(3)腐植酸生物刺激素在可控條件和露天環(huán)境中表型反應(yīng);
(4)腐植酸生物刺激素純化技術(shù)及功能性產(chǎn)品開發(fā);
(5)腐植酸生物刺激素用途的多樣化特征;
(6)腐植酸生物刺激素對農(nóng)產(chǎn)品收獲后的生物學特性;
(7)腐植酸生物刺激素在作物特定生長階段針對性施用;
(8)同時引入分子生物學、代謝組學等技術(shù),開創(chuàng)新的研究模式。
腐植酸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(chǎn)品功效尚不明確。這種產(chǎn)業(yè)發(fā)展比其標準和法規(guī)更快的現(xiàn)象,很容易造成市場混亂,甚至對整個行業(yè)產(chǎn)生威脅。對此,腐植酸標準化體系建設(shè)應(yīng)充分考慮與國際標準接軌,參照歐盟已有生物刺激素相關(guān)標準,考慮各國的差異,制定符合國際化市場要求的標準,以讓腐植酸生物刺激素更快速、便捷地占領(lǐng)國際市場,快速發(fā)展。
目前,腐植酸生物刺激素在我國以肥料登記,這不僅不能完全反映腐植酸生物刺激素的多種功能,還在一定程度上對行業(yè)發(fā)展造成了阻滯。對此,建議國家農(nóng)業(yè)有關(guān)部門的支持,參照國際生物刺激素產(chǎn)業(yè)管理方法,設(shè)立專屬于“生物刺激素”產(chǎn)品的登記管理。
目前,雖然腐植酸生物刺激素在國內(nèi)外生產(chǎn)銷售市場火爆,但以初級產(chǎn)品居多,高端產(chǎn)品市場為國外所壟斷。對此,通過建立腐植酸生物刺激素“政+經(jīng)+產(chǎn)+學+研+用”聯(lián)合體,以集中優(yōu)勢解決高效生產(chǎn)技術(shù)問題,在激烈的國際競爭市場中形成核心競爭力,以更好地服務(wù)我國乃至世界新生農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
生物刺激素與傳統(tǒng)化肥、農(nóng)藥相比,它既能提質(zhì)增效化肥、農(nóng)藥,還能將二者功效集于一體,又有其獨特的功能。腐植酸生物刺激素與其他化學合成品相比,既具有自然環(huán)保的屬性,又可實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益俱佳的多贏效果,為生物刺激素產(chǎn)業(yè)舉旗定標優(yōu)勢明顯。當前,基于我國的基本國情,在國家鼓勵、生產(chǎn)需要、業(yè)界推動下,腐植酸生物刺激素不僅為我國“化學農(nóng)藥肥料減施增效”提供動力,還將邁上國內(nèi)、國際綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的快車道。