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我国是农业大国，为了满足人民日益增长的物质需求，在过去几十年的农业生产过程中使用大量化肥来实现农产品的增产增收。然而，化肥的过量使用不仅导致土壤结构变化、危害作物、浪费资源，而且还会渗透到深层土壤及地下水，危害生态平衡，甚至影响人类的身体健康[1]。因此，在 “十三五”期间，国家特别强调要大力发展“生态农业”。为发展生态农业、提高化肥利用率、降低不合理投入以及实现农业的可持续发展，我国农业农村部制定了《到 2020 年化肥使用量零增长行动方案》。至“十四五”期间，农业发展规划中不仅依然坚持化肥零增长、提高肥料利用率的目标，更重要的是，要大力发展新型肥料，拓展肥料功能，提倡开发具有土壤调节功能的绿色新型肥料。因此，基于微藻的生物肥料便成为新型绿色功能肥料中重要的一种。
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微藻生物肥作为改善土壤环境的良方，其优势有以下几点：（1）微藻生长速度快，可以进行大规模的培育，其生物质可以被直接应用到土壤，不会对地下水、土壤等周边环境造成污染；（2）微藻生命力强，种类数量多，来源广泛，能够生存于土壤、海洋、河流甚至极端环境（南北极土壤、干旱土壤和盐碱土壤等）[2]，大大减少微藻生物肥的制备成本；（3）微藻除含大量营养元素外，还含有微量元素和促进植物生长的物质，如植物激素、维生素、类胡萝卜素、氨基酸和抗真菌物质[3]，可以极大提高作物的品质与产量；（4）藻肥可以提高土壤有机质及土壤营养元素含量，并改善修复被破坏的土壤环境。基于微藻的诸多优势，微藻生物肥逐渐得到人们的重视，其制备方式与应用效果也得到广泛关注。
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综上所述，由于早期大量单一使用化肥造成土壤肥力下降，土壤盐碱化加重及土壤荒漠化扩大； 而微藻生物肥因营养元素丰富、含有活性物质、可增加土壤的抗逆性等诸多优势而逐渐成为一种重要的新型生物肥料，其对改善土壤环境，提高作物品质具有积极影响，因此，本研究围绕微藻生物肥特性、形态配方，对“土壤-作物”系统的影响，以及对土壤修复和污染防治方面进行了全面综述，以期为农业生产提供一条增产增收路径，促进我国绿色生态农业发展。
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1 藻肥的特性
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微藻属于一类低等生物，具有微小的细胞以及简单的生理构造，分布范围广泛，易于培养，甚至在极端的环境中也能生存[2]。微藻生物肥又称藻肥，是由微藻制成，且有望广泛制作并与化肥共同使用的一种新型生物肥料。藻肥中含有大量的有益微生物、丰富的微量元素及营养元素且能够提高土壤肥力，促进植物生长，提高产品产量与质量；更重要的是，它还可以通过自身含有的活性细胞改变土壤微环境，降低土壤污染，改善农业生态环境[4-5]。
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关于藻肥的制备形态，当前市面上的藻肥产品以液体制备型为主，主要包括两个类型。第一种类型是以全藻类活性细胞为基础，优点是微藻细胞可以生存和繁育[6]，此类型藻肥无藻毒素，安全、生态、环保、易吸收。第二种类型藻肥是从微藻中提取活性物质为基础而生产成的肥料，目的是挖掘功能独特的成分[7]，这是因为微藻富含多种作物生长所需的活性成分，包括藻多糖及其衍生物（寡糖、特殊脂肪酸、氨基酸、植物激素、微量元素、抗生素）等[7-8]，不仅能够满足作物生长需要的各种营养成分，而且能够弥补传统化肥所缺少的微量元素，该类藻肥具有针对性强、见效快、制备简单、成本低等优势。
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目前藻肥的配方形式主要包括两种。第一种藻肥是使用单一的藻种进行藻肥制作，以期为不同农作物提供更专一的营养成分，且不会造成土壤污染。另一种藻肥则是采用混合微生物的方式制备，包括不同藻种混合以及细菌与微藻混合制作藻肥，这是为了给作物提供更丰富的养分而研制的一种配方。诸多研究表明，单一藻肥和混合藻肥均能促进作物生长[9-12]。例如，Dineshkumar 等[13]将小球藻和螺旋藻混合液补充到土壤中，结果表明，玉米鲜重和干重均有不同程度的增加，玉米植株的氮、磷和钾水平也均有所提高。此外，微藻和细菌混合使用也具有突出效果。Rana 等[14] 在大田条件下对菌株 PW5（Providencia sp.）与微藻 CW1（Anabaena sp.）、CW2（Calothrix sp.）和 CW3（Anabaena sp.）进行混合施肥试验，研究发现，藻-菌肥组合（CW1+PW5）可提高小麦产量 11.00%～16.00%。其他研究者也得到了类似结论[7]。这可能是因为微藻和细菌均能产生多种活性物质，对作物产生积极作用。然而，由于各种研究条件的差异以及多种因素影响，很难去对比不同藻肥的差异，因此，如何规范藻肥使用，明确不同藻肥之间的效果和成本差异将具有重要意义。
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2 藻肥还田对“土壤-作物”系统的影响
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2.1 藻肥施用对土壤的影响
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土壤是农业中最基本的要素，可为植物提供必要的营养和水分，直接决定着作物的产量和品质。藻肥还田对整个“土壤-作物”系统具有重要的积极作用，如图1 所示，藻肥可以提高土壤养分含量，增强土壤保水性，增加土壤酶活性和微生物丰度，从而促进作物生长，提高农产品的产量和品质。
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图1 微藻生物肥对“土壤-作物”系统的影响
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2.1.1 对土壤理化性质的影响
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藻类可以影响土壤结构和其他生物的活性，在改善土壤理化性质方面具有独特生物功能[15]。不同藻肥对土壤酸碱度、有机质含量、含水量的影响也有不同。
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在不同条件下，藻肥对土壤 pH 影响有所不同。王铭𪩘 等[16]研究了微藻对土壤酸碱度的影响，结果表明，在弱光和黑暗条件下，微藻使土壤 pH 下降，而在正常光条件下使土壤 pH 升高。唐东山等[17]研究表明，将微藻接入贫瘠土壤中，藻类的光合作用及其自身的代谢活动可以使土壤 pH 升高，且藻类数量越高，土壤 pH 也越高（相关系数为 0.690）。张靖洁[18] 的研究结果表明，对照组、半藻肥处理、全藻肥处理组的土壤 pH 无显著性变化，都维持在中性状态；使用传统化肥组土壤 pH 出现下降现象，而小球藻液体生物肥会减缓土壤的酸化现象。以上研究说明藻肥施用有助于维持土壤 pH 稳定，缓减土壤的酸化或碱化，这是由于藻类在光合作用下，一方面吸收二氧化碳，释放氧气，致使碳酸氢盐变为碳酸盐，同时又分泌碱性物质碱化周围环境，从而导致土壤环境中 pH 升高[16，19]；另一方面，土壤微藻易与土壤氨氮相结合形成氨基酸，被根系吸收合成蛋白质，从而降低土壤 pH。因此，在不同条件下，微藻的两种作用相互协调平衡，有助于维持土壤 pH 中性状态。
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研究普遍表明，藻肥施用能够显著提高土壤有机质含量。姜继辉等[20]研究表明，施用新鲜蓝藻肥能提高土壤有机质含量，相对藻肥处理前增加了 33.30%。蒋龙刚等[21]在微藻对土壤质量影响的研究中表明，藻肥可显著提高土壤有机质含量，其中施用不同剂量微藻与对照组相比，土壤有机质增长幅度在 7.00%～39.10%。微藻能提高土壤有机质含量是因为其具有很强的固碳能力，能够通过光合作用将二氧化碳固定在土壤中，从而增加土壤有机质；此外，微藻死后也能被转化成肥料，提高土壤的有机质含量[22]。然而，藻肥施入量过多也会降低土壤有机质，蒋龙刚等[21]研究表明，高量微藻施用组（WZ3）土壤的有机质含量显著低于低量 （WZ1）和中量微藻施用组（WZ2）。这可能是由于向土壤中投入高量微藻，其通过大量生命活动（光合作用）释放养分和 O2 使得土壤微生物快速、大量繁殖[16]，从而加剧了对土壤有机碳的矿化、分解，导致土壤有机质积累速度降低。
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土壤含水量在一定程度上也会影响土壤质量和作物生长，相比于藻肥对土壤其他指标影响的研究，微藻对土壤含水量影响的研究相对较少。张靖洁[18]的研究表明，土壤施入半藻肥与全藻肥，其土壤含水量分别增加了 21.10% 和 24.68%。 Carillo 等[23] 的研究也发现施用藻肥可以改善土壤持水性，因此，对微藻生物肥的研究是有必要的。
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2.1.2 对土壤氮、磷元素含量的影响
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藻肥的施用可提高土壤中氮、磷等元素的含量，提高土壤肥力，为作物提供更优越的生长环境，但不同藻肥对土壤不同营养元素的改善效果不同，其中对氮元素的提高效果明显，其次是磷元素，而对各种形态的钾元素含量增加量不显著（表1）。
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注：增加量均为同试验下最高值。
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微藻具有固氮作用，大量研究表明[24-26]，将微藻施入土壤中，可以使土壤中的氮素增加 17.00%～50.00%。孔德柱等[30]通过小麦和西红柿的盆栽试验发现，施用微藻 90 d 后，土壤中氮含量从 0.023% 增加到 0.075%。蒋龙刚等[21]通过向设施蔬菜土壤中施入微藻发现，施用不同微藻剂量的土壤硝态氮含量均显著高于对照处理，其增幅范围为 22.60%～47.00%。耿德晔等[31]研究也证明，向土壤中施入 3 组不同剂量的藻肥水后，土壤全氮含量相比对照组分别提高了 26.10%、41.30% 和 47.80%；土壤碱解氮分别增加了 22.90%、74.80% 和 124.80%。张靖洁[18]的研究表明，土壤施入半藻肥与全藻肥，土壤碱解氮含量分别提高了 10.61% 和 5.12%。藻肥增加土壤中氮含量的原因主要包括两个方面：一是由于藻肥中含有大量未分解的含氮有机物，有机物可分解成小分子营养成分，提高土壤中全氮含量[31]；二是微藻可发挥固氮作用，从而增加土壤中有效氮含量。
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土壤中磷元素的作用也不可忽视，研究表明，藻肥的施用也能提高土壤中磷元素的含量。耿德晔等[31]研究表明，相比对照组，施入低量（每次 260 mL，共 2 次）和中量（每次 520 mL，共 2 次）藻肥使土壤中有效磷含量分别增加 9.00% 和 9.80%。唐东山等[17]在利用微藻改良贫瘠土壤的研究中也表明，微藻能矿化土壤有机磷，增加土壤的有效磷含量，改善供磷状况；该研究对微藻提高土壤有效磷的原因进行了详细分析：施用藻肥后 0～30 d 有效磷含量增加主要是因为细菌分解死亡的藻体释放有效态磷的结果；30～90 d 有效磷的增加则主要是因为微藻对有机磷的矿化作用，以及 pH 值升高的影响；第 90 d 有效磷含量是第 30 d 的 1.37～1.41 倍。姜继辉等[20] 研究也得出相似结果。此外，不同的藻种对土壤元素含量的影响不同，如棕榈藻和 Digitata 有助于提高土壤无机氮浓度，而小球藻和螺旋藻可以提高土壤全氮、全磷含量[32]，在实际施用中应根据作物实际需求和土壤背景值选择合适的微藻生物肥。
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2.1.3 对土壤酶活性的影响
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土壤酶活性代表土壤中物质代谢的旺盛程度，是评价土壤肥力的重要指标之一[33]，有研究表明，藻肥施用可以提高土壤酶活性，增加土壤肥力。唐东山等[34]研究了人工藻结皮对土壤酶活性的影响，结果表明，人工接种鞘微鞘藻（M.vaginatus）和纤细席藻 （P.tenue）两种藻种使土壤的转化酶、蛋白酶、脲酶以及碱性磷酸酶活性均增强；其中在接种 30、60 和90 d 的转化酶活性比接种前分别提高了 1.40、2.00 和 3.60 倍，原因可能是接种的鞘微鞘藻和纤细席藻在生长过程中向土壤中分泌大量的胞外多糖，其中含有转化酶的底物，因而促进转化酶的活性增强。此外，不同土壤质地同一种酶活性也是不同的，例如王铭𪩘 [35]的研究表明，肥沃土壤比贫瘠土壤更利于微藻繁育，其藻种数量多，藻种之间差异小，磷酸酶活性更强；且肥沃土壤与贫瘠土壤的 3 种磷酸酶活性的比率为 2.87（酸性磷酸酶）、4.06（中性磷酸酶）、 23.13（碱性磷酸酶）。由此可见，虽然向土壤中施入藻肥，能够普遍提高土壤酶活性，改善土壤质量，但是应该根据不同土壤质地和作物需求合理施用微藻生物肥。
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2.1.4 对土壤微生物的影响
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在土壤中施用藻肥，可能会对土壤微生物产生影响。Evan 等[36]研究发现，藻悬液可以增加土壤中微生物的数量以及活性。Marks 等[37]在研究中得出，用废水培养的小球藻作为生物有机肥施用后，土壤表面的细菌生物量增加了 25.00%。 Haslam 等[38]研究也提出，施加海藻后，可利用土壤底物有所增加，引起了土壤微生物量的增加及活性的提高，但高添加量的海藻可能会对微生物活性有抑制作用，这可能因为微生物受到其他因素的影响。此外，土壤微生物与土壤酶活性息息相关，两者的增加均促进土壤物质的转化和循环，为作物提供更多的可利用物质，从而促进作物产量[39]。Wang 等[40] 研究结果表明，将海藻肥施入土壤一段时间后，土壤酶活性可能影响土壤微生物群落变异，同时施肥使番茄产量提高了 1.48～1.83 倍。Cao 等[41]研究表明，生物肥料中的微藻可增加土壤中细菌生物量和种类，从而可能间接影响植物生长。藻肥的施用对土壤微生物及作物都产生积极影响，这可能由于藻肥中含有丰富的维生素和微量元素以及光合作用和代谢活动产生的多种活性物质[18]，可以使土壤中的各种微生物活跃起来，提高土壤的生物活动量，因此，可以加快养分的释放，并使土壤中的养分得到有效利用[42]。
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2.2 藻肥施用对作物的影响
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研究普遍表明，藻肥中含有大量多糖、蛋白质、不饱和脂肪酸、植物生长激素（脱落酸、赤霉素、乙烯等）及大量微量元素等成分[43]，可以刺激种子萌发，促进根系发育，增强养分吸收，提高作物叶绿素含量及作物产量等，具体效果如表2 所示。
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注：增加量均为同试验下最高值。
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2.2.1 促进种子萌发
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微藻能合成和分泌多种促进作物生长的活性物质，这些物质对种子萌发以及幼苗生长具有一定的促进作用[44-46]。牛亚胜[47]在藻肥对板蓝根种子萌发影响的研究中指出，采用衣藻、小球藻、衣藻 + 小球藻微藻肥均能够促进种子萌发，其中衣藻处理组发芽率最高，为 72.06%，同时浓度为 50～100 倍衣藻肥液效果最为明显，这说明若要得到较高的种子发芽率需选择合适藻肥浓度。Herrera 等[48] 研究结果表明，利用 4 种藻种（石莼、蕨藻、扇藻和马尾藻）制备的液体海藻提取物（LSE）对番茄种子萌发具有显著影响。Faheed 等[49] 研究结果表明，藻液处理可以提高生菜种子的发芽速率。 Saadatnia 等[50]研究也得出相同结论。以上研究均表明，藻肥对种子萌发起促进作用，但不同的作物所需藻肥及浓度不同，需进行深入研究，进行针对性施肥。
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2.2.2 促进作物生长
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藻肥分泌合成的大量生长激素及含有的微量元素都对作物根、茎、叶、鲜重和干重等生长参数产生积极影响。例如孔德柱等[30]进行了固氮鱼腥藻在小麦和西红柿上的肥效试验，结果表明，施用藻肥 50 d 后小麦的鲜重是未施用藻肥的 3 倍，干重是未施用藻肥的 2 倍；同理，生长到 50 d 的西红柿，其鲜重达到 87.70 g，干重达到 11.40 g。Layek 等[51] 发现，卡帕藻和江蓠提取物的浸提液对水稻的根、苗长度和幼苗活力指数均有增加效果。Wuang 等[12] 研究也表明，接种微藻后，芝麻菜植株生长量较对照提高 71.80%。另外，Dineshkumar 等[13]在研究微藻肥对玉米影响的研究中指出，施加小球藻与螺旋藻均能增加玉米的鲜重及干重，涨幅分别是 32.40%～86.70% 和 21.60%～48.60%。Wuang 等[12] 研究衣藻 M9V 和小球藻 S3 对小麦的生长试验也表明，与对照和尿素处理相比，活态 M9V 最大程度地提高了植株鲜重（166.67% 和 125.68%）、根系干重 （188.89% 和 77.35%）、叶片长（26.88% 和 14.56%） 和根系长（46.04% 和 43.93%），其原因可能是微藻 M9V 和 S3 增加了土壤养分含量以及微藻衍生的生物活性，从而促进作物生长。其他诸多研究也得出相同结论[52，55-56]。
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2.2.3 提高作物叶绿素含量
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光合作用是植物获取能量和有机物的重要途径之一，而叶绿素含量对植物光合作用起着非常重要的作用，植物叶绿素含量和净光合速率是判断植物生长状况的重要指标[53]，藻肥的施用能提高作物的叶绿素含量。佘旭东等[54]研究结果表明，与对照组相比，向土壤中施入蓝藻肥液能显著提高矮牵牛的叶绿素 SPAD 值。Wuang 等[12]试验结果也表明，与对照和尿素处理相比，活态衣藻处理组最大程度地提高了植株叶绿素 a（257.81% 和 82.23%） 和叶绿素 b 含量（269.00% 和 247.27%）。也有研究表明，不同藻肥浓度对作物叶绿素含量提高程度不同。例如 Cordeiro 等[55] 研究结果表明，在 AQ15 （微藻浓度 0.15 g·L-1）和 AQ25（微藻浓度 0.25 g·L-1）处理下，马铃薯的叶绿素 a 含量分别提高了 33.91% 和 47.97%，而叶绿素 b 含量在 AQ 25 处理下平均提高了 28.73%；对于类胡萝卜素，与对照相比，马铃薯也增加了 37.16%（AQ15）和 29.20%（AQ25）。以上研究结果表明，叶绿素含量的增加可能是因为藻肥施入土壤后，部分微藻会因环境死去而发生细胞裂解，微藻中的叶绿素成分会被分解并释放到土壤中，最后依靠作物的输导组织运输到叶片合成叶绿素前体，导致作物叶绿素含量升高。同时，微藻可以产生诸多活性物质，促进作物生长，也有利于叶绿素含量的增加。
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2.2.4 提高作物营养品质与产量
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藻肥的施用还可以提高作物品质与产量，缓解市场农产品的供需矛盾。Dineshkumar 等[13]研究结果表明，向土壤中施加小球藻与螺旋藻，可促进玉米对养分的吸收，氮含量分别增加 0.53% 和 0.61%，磷含量分别增加 0.38% 和 0.41%，钾含量分别增加 1.21% 和 1.31%。这可能是由于藻肥施入土壤后提高了土壤肥力，促进了玉米的生长，从而提高了玉米对氮、磷、钾的利用效率。同时，Cordeiro 等[55]研究结果表明，施入藻肥可以提高马铃薯的品质与产量。王荣敏[56-57]通过利用阿尔格活性微藻液对桃树和巨峰葡萄果实进行喷施处理，结果表明，藻肥液可以大幅度提高桃树和巨峰葡萄果实的品质。张靖洁[18]的研究结果也表明，对照组小油菜产量为 2986.16 kg·hm-2，半藻肥处理组小油菜产量为 5250.40 kg·hm-2，而全藻肥处理组小油菜产量为 4022.16 kg·hm-2，出现了下降。朱守诚等[58]研究表明，施入藻肥的试验田相较于对照组，水稻各项指标都有明显提高，其中蛋白质含量、直链淀粉含量和胶稠度分别提高了 55.80%、 9.30% 和 7.90%，可见，藻肥可以提高水稻品质；同时向土壤中施入 1 倍藻肥、2 倍藻肥与施入化肥相比，1 倍藻肥对提高水稻产量有明显促进作用， 2 倍藻肥反而使水稻减产。综上，藻肥可以增加农作物的品质与产量，但过度施用会导致其产量下降，其原因可能是土壤底物过高抑制作物产量，或者由于外界自然条件（温度、水分、光照等）对藻肥的效用起到抑制作用。因此，建议因地施肥，根据不同土壤条件、不同作物、不同外界环境选择最适宜藻肥，并确定最佳藻肥浓度，力求取得理想结果。
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3 改善土壤环境
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土地是作物赖以生存的根本，土地质量的好坏对耕地生态系统的发展有直接的影响[59]。虽然大量的化肥投入使农作物的产量有了很大的提高，但是随着每年施肥量的增加，土壤质量不容乐观，包括土壤盐渍化、土壤荒漠化以及土壤重金属含量升高等问题。而藻肥与传统化肥养分相似，在满足作物需求的同时，可以减少土壤污染、提高土壤质量。
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3.1 修复盐碱地
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盐碱地是一种重要的土地资源，我国约有 9913×104 hm2。现如今，人口、环境等压力不断增大，促使人们开发利用大片的盐碱荒地来缓解危机。蓝藻在盐碱地改良中起到了非常重要的作用，它不仅可以改善土壤中的氮、碳等营养物质，还可以促进土壤中有害钠离子的螯合[38]。Borowitzka 等[60]研究了固体蓝藻对水稻盐碱土的影响，结果表明，土壤 pH 值由 9.20 下降至 8.30，可交换性钠离子下降至 39.41%，孔隙率增加 12.00%，水力传导率由 0.579 cm·h-2 增加至 1.659 cm·h-2，碳含量由 0.99% 增加至 1.31%，氮含量由 0.034% 增加至 0.045%，全磷增加至 68.31%，由此可见，蓝藻施用可有效改善盐碱地的理化性质。更有学者指出，将固氮蓝藻施入盐碱地后，作物生长所需氮的 85% 都来自固氮蓝藻，因此，蓝藻所固的氮是盐碱地中氮素的主要来源。张巍[61]的研究也表明，固氮蓝藻（Anabaena azotica Ley）可以在盐碱土上生长、繁殖，而且还可以对土壤环境进行改良，这更加说明蓝藻生物肥具有修复盐碱地土质，促进作物生长的作用。因此，利用蓝藻对盐碱地进行改良，是一种行之有效的方法。
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3.2 改善土壤荒漠化
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大量研究表明，蓝藻在土壤荒漠化改良上也具有明显优势和应用潜力[62-63]。近十几年来，一些学者发现鞘微鞘藻、纤细席藻、念珠藻（Nostoc sp.）等具有修复沙化退化土壤的功能[64-65]。目前，为治理生态环境，防止土壤进一步沙化，通常采用向荒漠化土壤中人为地接入一定量的藻类使其在土壤表面形成结皮的方法[66]，而且土壤的黏性和微生物含量会明显增加，从而取得良好的效果（图2）。吴丽等[67]在研究生物结皮演替过程中发现，藻结皮是以蓝藻为优势群落，它们能够通过改善表层土微环境来增加晚期结皮物种拓殖生存的可能性，从而促进结皮的发育演替。杜宇[68]的研究表明，在流沙表层种植的藻结皮能够改变土壤的物理化学特性，随着藻结皮厚度的增大，土壤中的水分、有机质、总氮、总磷含量有所升高，而土壤 pH 有所降低。这表明，将藻肥施入到沙土中，可以增加土壤的营养成分，增加土壤的保水能力，促进土壤微生物和沙生植物的生长，进而改变沙漠化土壤表层单一松散的原状，并向固化方向发展。高丽倩[69]研究结果也表明，生物结皮能明显提高土壤有机质、全氮、土壤细粒含量，提高土壤黏性，使土壤容重下降。同时，生物结皮使土壤的可蚀性明显下降，从而提高了土壤的耐蚀性，这可能是由于藻类的丝状体同沙粒缠结并分泌大量多糖和有机胶体，改变荒漠土壤的松散结构[70]。所以，对于沙漠藻结皮的研究，离不开对微生物和其他因素的研究。综上，沙地表层所形成的藻结皮，可促进微生物及低等植物的繁衍与生长，从而提高沙地品质，可有效减少风沙与水分对沙地的侵蚀，在某种程度上抑制沙地的沙化，进而改善土壤荒漠化。
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图2 微藻对荒漠化的改善
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3.3 降低土壤重金属含量
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利用微藻对土壤中重金属进行脱除，属于一种高效环保的生物修复方法，且在生物修复方面已经取得了一些进展[71]。研究发现，蓝藻对重金属的毒性存在着特殊的反应机理（图3）：藻类肽链与重金属结合产生有机金属复合物，进入液泡并调节细胞质中的重金属浓度；同时，藻细胞膜可以通过主动运输和被动运输实现对重金属较强的富集作用[72]，藻细胞比表面积很大，且表面有大量的氨基、羰基、醛基、羟基、硫酸根等基团，可以通过物理吸附、络合、离子交换和沉淀等方式吸附环境中的金属离子[73]，减少土壤中重金属浓度。陈家武等[74]以普通小球藻吸附 Cd 为例，结果表明，吸附 1 h 后 Cd 浓度由 50.00 mg·L-1 下降至 22.40 mg·L-1，吸附速率为 27.60 mg·g-1·h-1。Rady 等[75] 研究也得出类似结论。同时，朱亚利[76] 的研究结果表明，藻类添加比例为 5% 时对土壤中 Cd、Pb 总量降低效果最好，分别降低了 8.00% 和 8.30%，并与对照组相比，藻类处理组降低 Cd 含量效果最显著； 且添加藻类（1.00%、3.00%、 5.00% 和 7.00%）的土壤有效态 Cd 含量分别降低了 15.30%、16.50%、27.10% 和 30.60%，这可能是因为向土壤中施入藻类可以对土壤的理化性质进行有效的调控，同时还可以提升土壤 pH，从而使土壤中的 Cd、Pb 等金属阳离子更容易形成难溶性的氨氧化物沉淀，从而达到减少重金属毒性的目的。
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图3 微藻脱除重金属机理
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注：M 为重金属离子，PC、B、E 为其他离子，n 为所需离子数量。
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4 结论与展望
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4.1 结论
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为了解决长期大量使用化肥、农药引起的问题，本研究重点综述了微藻生物肥在“土壤-作物”系统中的重要作用，以及在土壤污染修复中的巨大潜力，得出如下结论：
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（1）藻肥施用可以改善土壤理化性质，增加土壤有机质、氮、磷元素含量，提高土壤酶活性，增加土壤微生物量和多样性，从而改善土壤质量，提升土壤肥力。
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（2）藻肥含有及其代谢中产生的多种活性物质可以促进种子萌发，提高种子发芽率；刺激农作物的生长（根、茎、叶等）；增强作物对养分的吸收和利用率，提高作物叶绿素含量，从而提高作物产量，提升农产品品质。
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（3）对土壤污染方面，藻肥的施用不仅能使土壤污染物含量降低，而且可以通过藻结皮等方法对劣质土壤进行修复和改善。
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4.2 展望
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在我国提倡减少化肥、农药用量的大背景下，微藻肥作为一种新型生物肥，因其内含丰富的营养物质（无机盐、有机质、氨基酸等），能够调节土壤质量，促进作物生长，因此，具有良好的发展前景；此外，国家法律法规的支持与技术的不断更新，都将成为藻肥产业可持续发展的关键推动力。但现在对藻肥的研究仍停留在试验阶段，相关技术经验不成熟，未进行大规模生产使用。因此，仍需在以下几个方面进行重点研究：
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（1）现在能进行工业化生产的藻种很少，今后还需要筛选更多的优质藻种，有望在保证生物量的前提下，还能将其固碳能力发挥到零碳的生产方式中。
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（2）微藻生物质生产和加工的成本导致微藻生物肥、生物促进剂、生物农药等都面临着巨大的成本压力，且价格不能与化学药品相抗衡，因此，微藻作为一种重要的能源资源，降低其生产成本是亟待解决的一个问题。
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（3）需要对不同作物品种、不同土壤类型的微藻生物肥进行匹配性研究，并研制出与我国主要作物、土壤情况相适应的产品。
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（4）单一藻类抗干扰性较低，研究两种及两种以上不同性状藻种的耦合藻肥，或是藻类与土壤微生物的混合发酵，制备具有“藻”“菌”双重作用的微生物肥料，是现在微藻生物肥研发领域的热点之一。
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微藻是一种绿色的、可持续发展的重要能源，微藻生物肥的发展需要进行更广泛的认识和更深入的研究，在对“藻种”“作物”“土壤”进行匹配性研究的过程中，应该更加注重微藻生物肥的加工方式、使用方法、保质方式、耕作习惯、地域性气候等工业化应用因素，这些因素是微藻生物肥推广应用的关键。
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参考文献
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[1] 张洪程，胡雅杰，戴其根，等．中国大田作物栽培学前沿与创新方向探讨［J］．中国农业科学，2022，55（22）：4373-4382．
-
[2] Chen J，Wang Y，Benemann J，et al．Microalgal industry in China：challenges and prospects［J］．Journal of Applied Phycology，2016，28（2）：715-725．
-
[3] Spolaore P，Joannis-Cassan C，Duran E，et al．Commercial applications of microalgae［J］．Journal of Bioscience and Bioengineering，2006，101（2）：87-96．
-
[4] 周泽宇，罗凯世．我国生物肥料应用现状与发展建议［J］． 中国农技推广，2014，30（5）：42-43，46．
-
[5] 元文霞，毕影东，樊超，等．我国生物肥料的发展现状与应用［J］．农业科技通讯，2022，612（12）：4-9．
-
[6] 李武阳，崔岩，孟宪刚，等．微藻生物肥制备及农业应用研究进展［J］．山东农业科学，2022，54（8）：144-150．
-
[7] Gonçalves A L．The use of microalgae and cyanobacteria in the improvement of agricultural practices：a review on their biofertilising，biostimulating and biopesticide roles［J］． Applied Sciences，2021，11（2）：871．
-
[8] 卢仡，林红华，柯群．微藻的生物活性物质及其功能［J］． 食品工业科技，2011，32（7）：470-473．
-
[9] Sido M Y，Tian Y，Wang X，et al．Application of microalgae Chlamydomonas applanata M9V and Chlorella vulgaris S3 for wheat growth promotion and as urea alternatives［J］．Frontiers in Microbiology，2022，13：1035791．
-
[10] 李羡，姜梦柔，何林乾，等．小球藻提取物对几种十字花科蔬菜种子萌发的影响［J］．江苏农业科学，2010，276（4）：160-162．
-
[11] Chittapun S，Limbipichai S，Amnuaysin N，et al．Effects of using cyanobacteria and fertilizer on growth and yield of rice，Pathum Thani I：a pot experiment［J］．Journal of Applied Phycology，2018，30：79-85．
-
[12] Wuang S C，Khin M C，Chua P Q D，et al．Use of Spirulina biomass produced from treatment of aquaculture wastewater as agricultural fertilizers［J］．Algal Research，2016，15：59-64．
-
[13] Dineshkumar R，Subramanian J，Gopalsamy J，et al．The impact of using microalgae as biofertilizer in maize（Zea mays L．）［J］．Waste Biomass Valor，2019，10：1101-1110．
-
[14] Rana A，Joshi M，Prasanna R，et al．Biofortification of wheat through inoculation of plant growth promoting rhizobacteria and cyanobacteria［J］．European Journal of Soil Biology，2012，50：118-126．
-
[15] 刘永定，黎尚豪．土壤藻类及其生理生态［J］．水生生物学报，1993（3）：272-277．
-
[16] 王铭𪩘，兰利琼，卿人韦，等．土壤微藻对土壤质量影响的研究［J］．水土保持学报，2001（4）：103-106．
-
[17] 唐东山，卿人韦，傅华龙，等．利用土壤微藻改良贫瘠土壤的研究［J］．四川大学学报（自然科学版），2003（2）：352-355．
-
[18] 张靖洁．微藻生物肥改善土壤肥力及根际菌群和提高小油菜产量品质效应的研究［D］．晋中：山西农业大学，2022．
-
[19] 王伟，林均民，金德祥．藻类的光控发育［J］．植物学通报，1998（5）：32-40．
-
[20] 姜继辉，严少华，陈巍，等．蓝藻沼肥对土壤的影响［J］． 土壤，2010，42（4）：678-680．
-
[21] 蒋龙刚，王丽英，任燕利，等．微藻用量对滴灌日光温室番茄/黄瓜土壤质量、产量及品质的影响［J］．北方园艺，2022（20）：48-56．
-
[22] Wang R，Peng B，Huang K．The research progress of CO2 sequestration by algal bio-fertilizer in China［J］．Journal of CO2 Utilization，2015，11：67-70．
-
[23] Carillo P，Ciarmiello L F，Woodrow P，et al．Enhancing sustainability by improving plant salt tolerance through macro-and micro-algal biostimulants［J］．Biology，2020，9（9）：253．
-
[24] Renuka N，Prasanna R，Sood A，et al．Exploring the efficacy of wastewater-grown microalgal biomass as a biofertilizer for wheat ［J］．Environmental Science and Pollution Research，2016，23：6608-6620．
-
[25] Tripathi R D，Dwivedi S，Shukla M K，et al．Role of blue green algae biofertilizer in ameliorating the nitrogen demand and fly-ash stress to the growth and yield of rice（Oryza sativa L．）plants［J］． Chemosphere，2008，70（10）：1919-1929．
-
[26] Manjunath M，Kanchan A，Ranjan K，et al．Beneficial cyanobacteria and eubacteria synergistically enhance bioavailability of soil nutrients and yield of okra［J］．Heliyon，2016，2（2）：e00066．
-
[27] Incharoensakdi A，Karnchanatat A．Salt stress enhances choline uptake in the halotolerant cyanobacterium Aphanothece halophytica［J］．Biochimica et Biophysica Acta（BBA）-General Subjects，2003，1621（1）：102-109．
-
[28] Schoebitz M，Mengual C，Roldán A．Combined effects of clay immobilized Azospirillum brasilense and Pantoea dispersa and organic olive residue on plant performance and soil properties in the revegetation of a semiarid area［J］．Science of the Total Environment，2014，466-467：67-73．
-
[29] Prasanna R，Triveni S，Bidyarani N，et al．Evaluating the efficacy of cyanobacterial formulations and biofilmed inoculants for leguminous crops［J］．Archves Agronomy Soil Science，2014，60：349-366．
-
[30] 孔德柱，张树峰，周玉生，等．固氮鱼腥藻在小麦和西红柿上的肥效［J］．江苏农业科学，2016，44（10）：499-502．
-
[31] 耿德晔，吕锡武，余亚琴．施用腐熟陈藻水对青菜产量和土壤质量的影响［J］．东南大学学报（自然科学版），2013，43（1）：110-114．
-
[32] Ammar E E，Aioub A A A，Elesawy A E，et al．Algae as Biofertilizers：Between current situation and future prospective［J］． Saudi Journal of Biological Sciences，2022，29（5）：3083-3096．
-
[33] 吴凤芝，孟立君，王学征．设施蔬菜轮作和连作土壤酶活性的研究［J］．植物营养与肥料学报，2006（4）：554-558，564．
-
[34] 唐东山，王伟波，李敦海，等．人工藻结皮对库布齐沙地土壤酶活性的影响［J］．水生生物学报，2007（3）：339-344．
-
[35] 王铭𪩘．土壤藻类对土壤质量指标影响的研究［D］．成都：四川大学，2002．
-
[36] Evan A N，Manuel L．Application of a microalgal slurry to soil stimulates heterotrophic activity and promotes bacterial growth［J］． Science of the Total Environment，2017，605-606：610-617．
-
[37] Marks E A N，Montero O，Rad C．The biostimulating effects of viable microalgal cells applied to a calcareous soil：Increases in bacterial biomass，phosphorusscavenging，and precipitation of carbonates［J］． Science of the Total Environment，2019，692：784-790．
-
[38] Haslam S F I，Hopkins D W．Physical and biological effects of kelp（seaweed）added to soil［J］．Applied Soil Ecology，1996，3（3）：257-261．
-
[39] 张信娣，史永军，陈银科．光合细菌和有机肥对土壤主要微生物类群的影响［J］．中国土壤与肥料，2007（3）：59-62．
-
[40] Wang M，Chen L，Li Y，et al．Responses of soil microbial communities to a short-term application of seaweed fertilizer revealed by deep amplicon sequencing［J］．Applied Soil Ecology，2018，125：288-296．
-
[41] Cao T N D，Mukhtar H，Le L T，et al．Roles of microalgaebased biofertilizer in sustainability of green agriculture and food-water-energy security nexus［J］．Science of The Total Environment，2023，870：161927．
-
[42] 保万魁，王旭，封朝晖，等．海藻提取物在农业生产中的应用［J］．中国土壤与肥料，2008（5）：12-18．
-
[43] Karthikeyan K，Shanmugam M．The effect of potassium-rich biostimulant from seaweed Kappaphycus alvarezii on yield and quality of cane and cane juice of sugarcane var．Co 86032 under plantation and ratoon crops［J］．Journal of Applied Phycology，2017，29（6）：3245-3252．
-
[44] Sood A，Singh P K，Kumar A，et al．Growth and biochemical characterization of associations between cyanobionts and wheat seedlings in co-culturing experiments［J］．Biologia，2011，66：104-110．
-
[45] Hashtroudi M S，Ghassempour A，Riahi H，et al．Endogenous auxins in plant growth-promoting Cyanobacteria—Anabaena vaginicola and Nostoc calcicola［J］．Journal of Applied Phycology，2013，25：379-386．
-
[46] Garcia-Gonzalez J，Sommerfeld M．Biofertilizer and biostimulant properties of the microalga Acutodesmus dimorphus［J］．Journal of Applied Phycology，2016，28：1051-1061．
-
[47] 牛亚胜．微藻肥对板蓝根种子萌发和幼苗生长的影响［J］． 农业科技与信息，2023（5）：63-66，70．
-
[48] Hernández-Herrera R M，Santacruz-Ruvalcaba F，Ruiz-López M A，et al．Effect of liquid seaweed extracts on growth of tomato seedlings（Solanum lycopersicum L．）［J］．Journal of Applied Phycology，2014，26：619-628．
-
[49] Faheed F A，Fattah Z A．Effect of Chlorella vulgaris as biofertilizer on growth parameters and metabolic aspects of lettuce plant［J］．Journal of Agriculture and Social Sciences，2008，4：1813-2235．
-
[50] Saadatnia H，Riahi H．Cyanobacteria from paddy fields in Iran as a biofertilizer in rice plants［J］．Plant Soil Environ，2009，55（5）：207-212．
-
[51] Layek J，Das A，Idapuganti R G，et al．Seaweed extract as organic bio-stimulant improves productivity and quality of rice in eastern Himalayas［J］．Journal of Applied Phycology，2018，30：547-558．
-
[52] Dias G A，Rocha R H C，Araújo J L，et al．Growth，yield，and postharvest quality in eggplant produced under different foliar fertilizer（Spirulina platensis）treatments［J］．Semina：Ciências Agrárias，2016，37（6）：3893-3902．
-
[53] 刘贞琦，刘振业，马达鹏，等．水稻叶绿素含量及其与光合速率关系的研究［J］．作物学报，1984（1）：57-62．
-
[54] 佘旭东，刘凤军，宋英，等．蓝藻沼液对矮牵牛生长和观赏品质的影响［J］．江苏农业科学，2013，41（12）：186-188．
-
[55] Cordeiro E C N，Mógor Á F，Amatussi J O，et al．Microalga biofertilizer improves potato growth and yield，stimulating amino acid metabolism［J］．Journal of Applied Phycology，2022，34（1）：385-394．
-
[56] 王荣敏．施用微藻肥液对不同桃品种果实品质的影响［J］． 果树实用技术与信息，2019（2）：17-19．
-
[57] 王荣敏．活性微藻液对巨峰葡萄果实的影响初报［J］．果树实用技术与信息，2019（4）：14-15．
-
[58] 朱守诚，苗春光，武艳，等．蓝藻有机肥的制备及其对水稻生长的影响［J］．安徽农业科学，2013，41（4）：1513-1514，1582．
-
[59] Creamer R E，Barel J M，Bongiorno G，et al．The life of soils：Integrating the who and how of multifunctionality［J］．Soil Biology and Biochemistry，2022，166：108561．
-
[60] Borowitzka L J，Demmerle S，MacKay M A，et al．Carbon-13 nuclear magnetic resonance study of osmoregulation in a bluegreen alga［J］．Science，1980，210（4470）：650-651．
-
[61] 张巍．固氮蓝藻在松嫩平原盐碱土生态修复中作用的研究 ［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010．
-
[62] Acea M J，Prieto-Fernández A，Diz-Cid N．Cyanobacterial inoculation of heated soils：effect on microorganisms of C and N cycles and on chemical composition in soil surface［J］．Soil Biology and Biochemistry，2003，35（4）：513-524．
-
[63] Sadeghi S H，Kheirfam H，Homaee M，et al．Improving runoff behavior resulting from direct inoculation of soil micro-organisms ［J］．Soil and Tillage Research，2017，171：35-41．
-
[64] 饶本强，王伟波，兰书斌，等．库布齐沙地三年生人工藻结皮发育特征及微生物分布［J］．水生生物学报，2009，33（5）：937-944．
-
[65] Wu Y，Rao B，Wu P，et al．Development of artificially induced biological soil crusts in fields and their effects on top soil［J］． Plant and Soil，2013，370：115-124．
-
[66] 景丽百合．具鞘微鞘藻与爪哇伪枝藻混合藻种藻结皮条件的优化研究［D］．兰州：兰州理工大学，2016．
-
[67] 吴丽，张高科，陈晓国，等．生物结皮的发育演替与微生物生物量变化［J］．环境科学，2014，35（4）：1479-1485．
-
[68] 杜宇．人工藻类生物结皮固沙效果的研究［D］．呼和浩特：内蒙古农业大学，2008．
-
[69] 高丽倩．黄土高原生物结皮土壤抗水蚀机理研究［D］．杨凌：中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心，2017．
-
[70] 陈兰周，刘永定，李敦海，等．荒漠藻类及其结皮的研究 ［J］．中国科学基金，2003（2）：28-31．
-
[71] 刘璠．微藻处理单一及混合重金属废水的实验研究［D］． 南宁：广西大学，2022．
-
[72] 陈思嘉，郑文杰，杨芳．蓝藻对重金属的生物吸附研究进展 ［J］．海洋环境科学，2006（4）：103-106．
-
[73] 李志勇，郭祀远，李琳，等．藻类生物富集［J］．广州化工，1999（1）：13-15．
-
[74] 陈家武，邓沛怡，程明玲，等．藻类吸附缓解稻田重金属污染的研究［J］．湖南农业科学，2014（12）：52-55．
-
[75] Rady M M，Elrys A S，Selem E，et al．Spirulina platensis extract improves the production and defenses of the common bean grown in a heavy metals-contaminated saline soil［J］．Journal of Environmental Sciences，2023，129：240-257.
-
[76] 朱亚利．几种固定剂对土壤重金属 Cd、Pb 污染的修复效应研究［D］．信阳：信阳师范学院，2019．
-
摘要
我国是农业大国，长期大量使用化肥不仅造成资源浪费，还导致土壤质量下降、作物减产、污染加剧等问题，甚至危害人类公共健康。微藻生物肥因其原料广泛、营养元素丰富、含有活性物质等优点而成为了一种具有潜力的新型功能肥料。采用文献调研的方法，对微藻生物肥的制备形态、配方，以及其在“土壤-作物”系统和土壤污染修复方面的作用进行了综述。结果表明，藻肥以液体制备型为主，混合型藻肥的效果要优于单一藻肥； 微藻可以通过自身的光合作用和固氮、固碳作用增加土壤的养分含量，并通过自身的细胞活性和代谢产生的活性物质刺激作物发芽、生长以及对养分的吸收，提升农产品产量和品质；最重要的是，微藻可以增加土壤酶活和微生物活性，从而改善土壤微生态，修复土壤荒漠化和酸碱化，降低土壤污染物含量。最后，对如何优选藻种、更大地发挥微藻在农业中的降碳固氮作用做出展望，以期为微藻生物肥的农业应用提供有益参考。
Abstract
China is a big agricultural country，long-term use of fertilizer will not only cause waste of resources，but also lead to soil quality decline，crop yield reduction，pollution intensification and other problems，and even endanger human public health. Microalgae bio-fertilizer has become a potential new functional fertilizer because of its wide range of raw materials，rich nutrients and active substances. In this paper，the preparation forms and formulations of microalgae biofertilizer，as well as its role in soilcrop system and soil pollution remediation were reviewed. The results showed that the main type of algae fertilizer was liquid，and the effect of mixed type was better than that of single type. Microalgae could increase the nutrient content of soil through their own photosynthesis，nitrogen fixation and carbon fixation，and stimulate the germination and growth of crops and nutrient absorption through their own cell activity and metabolism of active substances，so as to improve the yield and quality of agricultural products. Most importantly，microalgae could increase soil enzyme activity and microbial activity，thereby improving soil microecology， repairing soil desertification and acidification，and reducing soil pollutant content. Finally，this research made a prospect on how to optimize the algae species and give full play to the role of microalgae in reducing carbon and fixing nitrogen in agriculture，in order to provide a useful reference for the agricultural application of microalgae biological fertilizer.
Keywords
microalgae ； biological fertilizer ； soil ； crops ； soil environment