摘要
气候变化引发的全球变暖、水资源和土壤盐分变化等问题给农业生产带来了巨大挑战，严重威胁粮食安全。此外，农业过度使用化肥和灌溉水等生产投入，导致土地和水资源的退化，进一步加剧了气候变化，最终对农业生产产生负面影响。鉴于农业生产对粮食安全至关重要，需要采取农业集约化措施提高粮食生产力，同时保护环境，以确保粮食供应的稳定性和持续性。生物活性物质作为欧盟国家通过促进植物生长、增强抗逆性和提高产品质量来发挥作用的产品，是加强可持续农业实践的有效策略之一。综述了腐植酸、海藻酸、氨基酸等生物活性物质作为肥料增效剂在增效肥料中应用的国内外进展，阐述了生物活性物质应用于国内登记产品的数量、类型等，展望了生物活性物质在未来高质量发展的应用前景。
Abstract
Global warming，water resources and soil salinity changes caused by climate change have brought great challenges to agricultural production and seriously threatened food security. In addition，the overuse of production inputs such as fertilizers and irrigation water in agriculture has led to the degradation of land and water resources，further exacerbating climate change and ultimately negatively affecting agricultural production. In view of the importance of agricultural production to food security，agricultural intensification measures are needed to increase food productivity while protecting the environment to ensure the stability and sustainability of food supply. As a product in EU countries play a role in promoting plant growth，enhancing stress resistance and improving product quality，bioactive substances are one of the effective strategies to strengthen sustainable agricultural practices. The progress of the application of humic acid，alginate，amino acids and other bioactive substances as fertilizer synergists in synergistic fertilizers at home and abroad was reviewed. The number and types of bioactive substances applied to domestic registered products were described. The application prospects of bioactive substances in high-quality development in the future were prospected.
Keywords
随着全球人口的持续增加，粮食安全问题愈发引起社会关注。全球人口已超过 70 亿，按照目前的趋势，到 2050 年全球人口将达到 97 亿，这一增长将导致粮食需求量比目前的产量高出 25%～70%[1]。但气候变化却对作物生产造成威胁，气候变化加剧了生物胁迫和非生物胁迫，包括病虫害的数量增加、土壤有益微生物减少、干旱、内涝等，以多种方式影响植物生长，最终造成农作物降质减产[2]。此外，肥料等化学品的不合理施用也不利于农业的可持续发展。我国肥料的平均施用量达到 346.5 kg/hm2，是欧美国家的两倍以上，远远超出国际标准，但肥料利用率经过多年的努力刚突破 40%[3]。肥料低效率施用已经成为农业污染中的主要环境因子之一，为积极应对气候变化，切实加强环境污染防治，实现农业生产的可持续发展，适当减少肥料等物质要素的投入势在必行，社会各界对于控制和减少肥料施用量的呼声越来越高。
自党的十八大以来，我国始终贯彻新发展理念，着力推动农业可持续发展。2017 年，《农业部关于推进农业供给侧结构性改革的实施意见》明确了面源污染防治攻坚战的工作目标，旨在实现“一控两减三基本”，并将重点放在实施化肥零增长行动上。2015 年，《农业部关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》提出，要积极迈出农业绿色发展的新步伐，重点推进化肥的减量增效。2024 年，中央一号文件再次明确通过实现投入品减量化，不断推进农业可持续发展的重要方针。然而，传统化肥产品和施肥技术的局限性使得粮食安全与生态环境安全之间难以实现协同发展。因此，提高作物抵抗胁迫能力、发展新型绿色肥料以及推动肥料产业转型升级成为保障国家粮食安全和农业可持续发展的必然选择[4]。
生物刺激素又称为生物活性物质，指具有促进植物生长和提高应激作用的物质，主要包括腐植酸、蛋白水解物与氨基酸、海藻酸等，这些物质施用于植物或根周围时，会对植物的自然进程起到刺激作用，包括加强或有益于养分吸收、营养功效、逆境胁迫能力以及作物产量和品质[5]。生物活性物质因其对环境危害小、见效快的特点而备受关注[6]，被视为作物种植和可持续性的第四大支柱[7]。多项研究表明，该物质对于作物生长影响显著，既能增强作物本身抗逆境胁迫能力，也能够改善作物生长的土壤环境，进而实现作物增质增产的效果[8]。我国含生物活性物质的肥料以复合肥为主，年产量约为 900 万 t，占复合肥料总产量的 20%[9]。尽管如此，我国目前在售的各类生物活性物质产品的施用效果仍有较大的不确定性，这主要是由于大部分生物活性物质类产品缺乏农艺原理的研究，研发技术还不够成熟以及营养配方未能满足农作物类型、土壤或气候差异化的精确匹配，抑制了生物活性物质产业的发展。
相比于传统肥料而言，生物活性物质具备可持续开发的潜力，是值得长期发展的产品。近些年来，我国有关生物活性物质类产品的研发与应用水平虽取得了一定进步，但依旧存在产品缺乏规范化、实际应用技术不够成熟、产品发展方向不明确等问题。本研究系统归纳了 2000 年以来我国对于生物活性物质研究的现状与进展，注意到，腐植酸是多种生物活性物质中增长最快的形式，氨基酸是最大的形式，而海藻酸的研究近年来也颇受重视，故选取上述 3 种关注度较高的生物活性物质进行详细分析，同时系统梳理该 3 类生物活性物质的相关增效肥料产品标准，以期为我国持续深化生物活性物质类产品的研发与应用提供参考。
1 生物活性物质有助于实现肥料减施增效
生物活性物质有着植物生长素类似的活性，通过直接或间接方式作用于植物，可提高植物的养分利用率和胁迫耐受性，同时有利于土壤有益微生物的生存，改善土壤质量，最终实现作物的提质增产[10]。目前应用研究的生物活性物质主要是腐植酸、氨基酸和海藻酸 3 类。腐植酸可改善植物对养分和水分的吸收情况，促进根系的生长发育，增强对环境胁迫的耐受性；氨基酸的应用有利于作物的生长，提高其非生物胁迫的耐受性；海藻酸来源于各种海藻提取物，显著影响作物产量、产品质量以及对非生物胁迫的耐受性。当前，生物活性物质在农业生产方面发挥着重要作用，主要通过追肥（叶喷、土施）和基肥的方式与肥料配施或者制成新型增效肥料，以提高肥料利用率并促进作物生长[11]。
相关专业的研究学者已经对生物活性物质产品开展了大量田间试验和 Meta 分析，初步明确了生物活性物质在改善作物品质，提升作物产量和肥料利用率，减少养分损失等方面的潜力 （表1）。相比于传统肥料，生物活性物质类新型增效肥料或者与生物活性物质配施对作物产量和养分利用率影响显著，增产率范围为 2.6%～32.1%，肥料利用率提高 9.04%～55.0%。需要注意的是，生物活性物质的最佳效果依赖于合理的施用方法，例如，Li 等[12]的 Meta 分析发现，生物活性物质多次使用效果反而变差。故而，需要考虑不同作物、土壤、气候条件，有针对性地使用生物活性物质进行肥料增效技术的改良创新。
表1生物活性物质的应用效果
2 我国生物活性物质产业的发展现状
“生物活性物质”这一概念最早在 1974 年由西班牙格莱姆矿业公司提出，当时并未引起重视。至 2010 年，科学界及相关行业开始关注这一物质并推出了大量相关产品，但仍旧未能明确生物活性物质的定义。2015 年，欧洲生物刺激素产业联盟给出了当前普遍认可的定义：植物生物活性物质是一种包含某些成分和微生物的物质，这些成分和微生物在施用于植物或者根围时，其功效是对植物的自然进程起到刺激作用，包括加强或有益于营养吸收、营养功效、非生物胁迫抗力及作物品质，而与营养成分无关[31]。 2016 年，欧洲生物刺激素产业联盟公布了肥料的修订案，将生物活性物质归纳到了肥料管理范围[31]。
生物活性物质的总体检索可以反映我国生物活性物质产业的研究现状。以分析生物活性物质在作物以及肥料发展方面的应用现状为目的，确定生物活性物质的总体检索的检索式：主题 =[腐植酸（腐殖酸）+ 聚谷氨酸 +γ-聚谷氨酸 + 聚天门冬氨酸 + 聚天冬氨酸 + 海藻酸 + 海藻提取物]； 数据库 = 中国知网（CNKI）数据库；时间跨度 = 2000-01-01—2023-01-01。检索得到中文文献 16121 篇。
检索结果（图1）表明，2000—2022 年关于生物活性物质相关研究的发文量呈现上升趋势。 2017—2020 年 CNKI 数据库中的年度发文量增长迅速，其年度发文量从最初的 10 余篇逐步增至 150 余篇，由此可见，我国研究学者对生物活性物质的相关研究持续升温。已有众多研究表明，生物活性物质能够改善土壤理化性质，改善作物生长环境[32]；同时能够刺激作物根系，提高作物的养分吸收能力，有利于实现“肥料减施”；提高作物抵抗逆境胁迫能力，进而提高作物产量和品质。
为凸显生物活性物质领域目前的研究布局与分布，对 CNKI 核心数据库中生物活性物质研究领域出现频次不低于 30 的关键词进行聚类共现分析，通过 VOSviewer 软件对关键词进行处理。2010— 2022 年，关于生物活性物质研究的高频关键词为产量、品质、腐植酸（腐殖酸）、聚天冬氨酸、 γ-聚谷氨酸、干旱胁迫、低温胁迫、土壤养分、土壤理化性质、化肥减量、经济效益、棉花、玉米等。结合图1和图2可以看出，我国对于生物活性物质的研究开始较晚，三种酸类物质研究侧重于腐植酸的研究，氨基酸的研究主要集中在聚合类氨基酸，而海藻酸的研究则相对较少，且未形成明显聚类。生物活性物质的应用作物包括粮食作物、蔬菜、果蔬以及经济作物，其中，小麦、玉米和水稻等粮食作物是主要研究对象，且效果研究主要集中在作物产量、经济效益和品质指标 3 个方面。近年来，对于大量研究结果的系统整合分析，基本确定腐植酸作物增产增质、化肥增效、营养增值、土壤质量改良和环境友好的优势潜力，而对于氨基酸和海藻酸仍缺乏系统研究。
图12000—2022 年关于生物活性物质相关研究的发文量
图2我国生物活性物质相关研究领域聚类网络图
2015 年 7 月 20 日，腐植酸、氨基酸、海藻酸类增效肥料被列入《关于推进化肥行业转型发展的指导意见》。截至 2023 年底，农业农村部登记的肥料产品（图3）中，微生物肥料 10322 个，大量和中微量元素肥料 3056 个，其他肥料 1355 个，生物活性物质类新型增效肥料包括腐植酸水溶肥产品有 3413 个，氨基酸水溶肥产品有 3201 个，有机水溶肥（主要是含海藻酸水溶肥）产品有 950 个，占所有已登记肥料产品的 30% 左右。以腐植酸、氨基酸和海藻酸 3 种生物活性物质为基础生产的新型增效肥料年产量 900 万 t，占复合肥料总产量的 20% 左右。预计在未来 5～10 年，我国增效肥料年产量将达到 2000 万 t，占复合肥料总产量的 50%[33]。可见，腐植酸、氨基酸和海藻酸类生物活性物质随着水肥一体化进程加快和高质量农业的发展在肥料产业中发挥作用巨大，未来前景向好。
图3农业农村部登记肥料
2.1 腐植酸在增效肥料行业的应用现状
腐植酸是由自然界中的动植物残体经过一系列的物理、生物、化学过程产生且积累起来的一类有机物质，在泥炭、褐煤以及风化煤等煤炭中广泛存在[34]。腐植酸含有大量官能团，结构成分复杂，会因来源、组分、分子量的不同而造成其性质不同，具有较大的异质性。其中，腐植酸的分子量有数百到数十万道尔顿，对腐植酸的活性有着重要影响[35]。Nardi 等[36]研究表明，分子量较低的腐植酸中含有的官能团主要是羟基、羧基和芳香族碳，生物活性较高；而分子量较高的腐植酸聚合度相对较高，对酶的活性起到积极作用。
腐植酸作为土壤有机质的重要组成成分，能够减少氨挥发，有利于作物对氨的吸收，进而提高氮肥利用率；可以阻止土壤对磷肥的吸附，同时能够将土壤中的磷解析和活化，使磷肥的有效性得到提高；还能够活化土壤中的钾素，且作物较易吸收利用腐植酸钾，缓释钾肥能够有效提高肥效[37]。目前，腐植酸主要为土壤施用、叶面施用和种子施用的应用方法，不仅能够减少肥料的用量，而且也能提高作物胁迫耐受性，并使土壤结构得到有效改善，促进作物增产。由于羟基和羧基两种官能团决定了腐植酸具有亲水性[38]，因此，其可以改善土壤干旱状况。王相平等[15]研究表明，与常规施肥相比，在干旱盐碱区配施腐植酸处理显著改善土壤质量并提高棉花品质和产量；腐植酸液体肥料在减少化肥施用方面效果明显，腐植酸水溶肥与马铃薯专用配方肥、中微量元素肥以及有机肥配合施用，在化肥养分减少 20%～50% 的情况下，依旧能够使马铃薯的产量保持稳定上升[39]；李金鑫等[19]研究发现，与传统复混肥相比，施用腐植酸增效复混肥具有促进玉米增产的效果，增产 8.94%。因此，腐植酸作为一种生物活性物质对于实现肥料减施增效以及实现作物提质增产具有重要意义[40]，在增效肥料产业中逐渐受到重视。
截至 2023 年，农业农村部已经登记的腐植酸肥料相关产品标准如表2所示。标准文件规定了腐植酸中量元素肥料、含腐植酸水溶肥料、腐植酸微量元素肥料、含腐植酸尿素、腐植酸有机无机复混肥料、腐植酸复合肥料、农业用腐植酸钾、腐植酸生物有机肥、含腐植酸磷酸一铵、磷酸二铵以及肥料增效剂腐植酸生产和储运各个过程的要求。各个标准均采用酸沉淀的方法测定腐植酸含量。针对不同类型的腐植酸产品，养分含量、水分以及其他要求存在差异。比如对于腐植酸中量元素肥料和腐植酸微量元素肥料要求腐植酸含量高于 30%，含腐植酸水溶肥料则要求腐植酸含量不小于 3% 即可。水分要求差异较大，含腐植酸尿素产品要求水分含量不大于 1%，而腐植酸生物有机肥产品则要求水分含量不大于 30% 即可。分析其他要求发现，已有产品 pH 要求类似，均要求中性偏碱，部分产品对于水不溶物、氨挥发抑制率和粒度等有所限制。
表2农业农村部腐植酸肥料登记标准及典型产品
2.2 氨基酸在增效肥料行业的应用现状
氨基酸是一类含有氨基和羧基的有机物质[42]，有植物源氨基酸（大豆、小麦、玉米等）和动物源氨基酸（动物毛发、动物血液、内脏等），来源不同的氨基酸有着不同的功能，按功能划分常见的氨基酸种类如表3所示。天冬氨酸主要用来为作物供氮；丝氨酸、谷氨酸和赖氨酸能够促进叶绿素的合成，对光合作用具有积极影响；除此之外，脯氨酸和甘氨酸作为动物源氨基酸以及苏氨酸能够提高作物抵抗逆境胁迫的能力；精氨酸、色氨酸、甲硫氨酸以及苯丙氨酸能够作为生长促进物质的前体物质，促进作物生长发育[43]。目前商业用氨基酸主要是从植物和动物中通过化学和酶水解的方式得来[44]，在肥料增效减施方面研究较多的是聚合类氨基酸，如聚天冬氨酸和 γ-聚谷氨酸。
聚天冬氨酸作为一种水溶性聚合物，可以将土壤中的氮、磷、钾以及一些微量元素在作物根系附近富集，进而能够提高肥料利用率，有利于作物产量增加[45]。侯晓娜[46]研究发现，聚天冬氨酸与尿素配施显著提高了萝卜的产量和品质；聚天冬氨酸对于节约肥料方面也有着重要影响，曹本福等[47] 研究发现，减量施肥 20% 的条件下，聚天冬氨酸的添加对于烤烟的根系活力以及光合速率等有着显著影响，明显提高烤烟的产量。
γ-聚谷氨酸具有极强的水溶性、生物亲和性、生物降解性以及吸附性等性能[48]，在农业领域发挥着比较重要的作用，比如 γ-聚谷氨酸可以用作肥料增效剂或者土壤改良剂[27]。张静静[49] 通过盆栽试验表明，在减氮 30% 的条件下，喷施γ-聚谷氨酸可促进夏玉米对于氮、磷和钾营养元素的吸收，提高产量 20% 左右；Liang 等[50]发现， γ-聚谷氨酸与复合肥料配合施用提高了氮和磷的吸收利用率，进而显著提高了棉花的产量；同时， García-García 等[44]的研究表明，γ-聚谷氨酸可通过增加相容渗透物的浓度及脯氨酸生物合成基因的水平，进而提高作物的抗旱性能。
目前，已有一部分氨基酸肥料产品得到市场认可和广泛应用，其具体参考标准见表4。标准文件规定了含氨基酸水溶肥料以及含有机质叶面肥料生产和储运各个过程的要求，且对于氨基酸含量测定原理以及 pH 要求一致。
表3常见的氨基酸
表4农业农村部氨基酸肥料登记标准及典型产品
2.3 海藻酸在增效肥料行业的应用现状
海藻酸是从海生植物体内提取的一类天然多糖聚合物，可活化土壤中的养分，改善土壤结构，提高养分利用效率[62]，进而提高作物产量。海藻酸主要来源于褐微藻类、红微藻类、绿微藻类等海藻，主要功能性有机组分有海藻多酚、褐藻多糖、海带多糖、甘露醇以及海藻酸钠[63]（表5）。其中海藻多酚具有提高作物抗氧化的作用；褐藻多糖、海带多糖及甘露醇能够提高作物抵抗胁迫的能力；海藻酸钠作为一种海藻酸盐类可以和土壤中的金属离子结合为胶体，利于土壤团聚体稳定，增强土壤持水能力，进而改善土壤的理化性质[64]。相比于普通复合肥，海藻复合肥可显著增加叶类蔬菜的产量 375～10500 kg/hm2，增产范围为 1.1%～25.0%[65]。同时，施用海藻酸可改善土壤质量，可显著提高养分利用率，节约肥料。王伟涛[64]在小麦玉米轮作的盆栽试验中发现，减量控释尿素 30% 的条件下，配施海藻酸可显著提高小麦和玉米的氮肥利用率和产量。此外，Rathore 等[66]研究表明，叶面喷施海藻酸可改善大豆、苹果等作物的养分吸收情况，进而实现增产[67]。海藻酸预处理可诱导植物气孔关闭，改变脱落酸相关反应和抗氧化系统通路的基因表达水平[68]，进而提高植物抵抗干旱胁迫能力，崔丹丹等[30]研究发现，在干旱条件下，海藻酸的添加显著增加菜心所有品质指标。因此，多年来，人们一直在农业实践中使用海藻酸来促进作物生长和提高产量[69]。
表5海藻酸中的功能性组分及作用
截至 2023 年，农业农村部已经登记的海藻酸肥料相关产品标准如表6所示。标准文件规定了含海藻酸尿素、海藻酸类肥料、含海藻酸磷酸一铵、磷酸二铵以及肥料增效剂海藻酸生产和储运各个过程的要求。各个标准对于海藻酸含量测定原理要求一致；对于肥料产品的海藻酸含量要求类似，相比之下，肥料增效剂产品要求海藻酸含量更高；对于不同产品水分含量以及其他的要求存在差异。
表6农业农村部海藻酸肥料登记标准及典型产品
3 我国生物活性物质高质量发展的前景思考
针对气候变化以及不良施肥习惯对粮食安全造成的挑战，需要重新思考如何在全球范围内管理农业。生物活性物质的引入为农业的未来带来了一个有效的临时解决方案。生物活性物质的低剂量应用不仅能促进植物生长、减少植物胁迫和提高产量、品质；而且能够提高肥料利用率，减少肥料浪费。因此，生物活性物质类天然材料将在未来农业市场中占据巨大优势，是一个很有前途的实现化肥减施增效和作物提质增产的重要工具。但目前对于生物活性物质的应用仍存在较多亟需解决的问题，譬如产品缺乏规范化（已有产品成分、机制和效果等尚不明确）[75]、实际应用生产工艺不够成熟、产品发展方向不明确等。未来推动生物活性物质的深化发展可从以下 3 个方面着手：
（1）国家政策方面。尽管生物活性物质在我国农业生产中的应用逐渐受到重视，但生物活性物质最大的市场目前依然是欧洲，我国的生物活性物质研究开始较晚，市场上的商品质量参差不齐[76]。这就需要国家相关部门与行业重视生物活性物质相关产品的规范化，不断制定和完善相关法律法规、政策、规范条例与技术标准。
（2）农资市场方面。传统肥料行业的利润空间正面临瓶颈期，区域作物专用肥料的利润空间也处在紧缩状态。新型增效肥料是提高肥料市场利润空间的新利益增长点。生物活性物质类新型增效肥料产品既有持久养分供给和环境友好等优势，还使肥料具备了提高作物抗逆能力的效果，对于实现肥料减施增效意义重大。
（3）生产指导方面。生物活性物质本身的结构复杂、作用途径繁多，且施用剂量和施用方式对其作用效果也有着重要影响。若缺乏对生物活性物质结构和成分的了解，则难以针对性实现生物活性物质的作用效果。且不同类型生物活性物质的施用量和最佳施用方式（浸种处理、叶面喷施、随肥料或灌溉水一同施入）有较大差异[76]。需要注意的是，如果未合理施用可能产生抑制作用，甚至造成农作物减产等风险。未来需要更精确地确定生物活性物质的成分，进一步明确生物活性物质的作用机制，科学地生产指导以避免生物活性物质的盲目施用，实现生物活性物质的精准化、定量化以及高效化。