微藻生物肥料的農業應用研究進展

邊建文，崔 巖，楊宋琪，孟憲剛*，羅光宏，王振南

（1．蘭州交通大學化學與生物工程學院，甘肅 蘭州 730070；2．河西學院，甘肅省微藻技術創新中心，甘肅 張掖 734000）

我國是一個農業大國，為滿足人口不斷增長的需要，在過去幾十年的農業生產中單一大量的使用化學肥料以促進農產品的增產增收，同時也造成了土壤肥力下降和環境污染等問題［1-2］。近年來，隨著人民生活水平的提高，對高產優質農產品和營養保健食品的需求日益增加。國家在“十三五”規劃中明確提出要推廣“生態農業”。為了發展生態農業，提高化肥利用率，減少不合理投入，促進農業可持續發展，農業部制訂了《到2020 年化肥使用量零增長行動方案》，強調了合理利用有機養分資源，減少或不使用化學肥料。生物肥料是一類含有有益微生物的制品［3］，它能夠通過微生物的生命活動，促進土壤和水質中的物質轉化，促進作物對環境中營養的吸收，刺激和調控作物生長，同時可以防治病蟲害，從而達到作物增產的目的，在為作物提供養分、調節有機質動態、增強土壤生物活性等方面起著至關重要的作用［4-5］。生物肥料有著微量高效、對環境無危害的特點，所用的微生物都是環境友好型的，不會出現化學肥料污染水源、破壞土壤質量等各種環境問題，因此，生物肥料是一種化學肥料的最佳替代品［6］。

微藻是一類個體微小、結構簡單、光合利用度高的低等自養生物，廣泛分布于土壤、海洋、河流和湖泊等不同生境，甚至生活在一些極端環境（南北極、干旱和鹽堿土壤等）［7］。微藻種類繁多，地球上約有3 萬余種不同的微藻，占全球已知藻類的70%左右［8］，其中包括原核生物，如藍藻門種類，也有真核生物，如綠藻門、硅藻門等。微藻作為一種生物肥料的優勢有以下幾點:1）它可以通過緩慢釋放氮、磷、鉀來防止養分流失，滿足植物的生長需求［9］；2）除了含有大量營養元素外，還含有微量元素和促進植物生長的物質，如植物激素、維生素、類胡蘿卜素、氨基酸和抗真菌物質［10］，這些物質能促進作物生長和提高土壤肥力；3）微藻繁殖速度快，可規?；囵B，其生物質可直接用于土壤接種，不會污染地下水和土壤等周邊環境；4）利用微藻凈化養殖廢水或城市污水后收獲微藻生物來作為肥料［11-13］，在凈化水質的同時也極大地降低了生產成本［14］；5）能夠修復被破壞的土壤，如荒漠化土壤和鹽堿地等［15-16］?；谝陨蟽瀯?，微藻生物肥料在實驗室環境和大田種植方面獲得了廣泛的研究［17-20］。

1 微藻肥料的生物特性

1.1 固氮作用

生物固氮是自然生態系統最主要的氮來源［21-22］。固氮藍藻是地球上年固氮量僅次于豆科植物和根瘤菌共生結合體的固氮生物，是重要的可利用生物氮肥資源［23］。固氮藍藻通過異形胞將空氣中的分子氮轉化合成為氮素化合物［24］，從而滿足土壤中動植物的需要［25］。同時，固氮藍藻是目前唯一發現的可以同時進行光合作用和固氮作用的生物，它不與植物競爭對氮的需求，并且在生長繁殖過程中會不斷分泌出氨基酸、糖類、多肽和少量激素等含氮化合物和活性物質，促進其他微生物的生長，提高土壤中的有效氮的濃度［26］。

自1939 年印度首次報道用固氮藍藻肥田開始［27］，許多研究證明使用固氮藍藻可以增加農業生產的產量［28-30］，提高土壤中的氮含量［26，31］。國內最初由黎尚豪院士率領的團隊研究表明，接種固氮藍藻后水稻平均增產超過15%，最高達33%，是很有發展前景的晚稻肥源［32］。之后，國內外許多學者研究表明在土壤中接種固氮藍藻后，土壤氮含量顯著提高。Manjunath 等［33］以南非東開普省的兩種土壤為研究對象，研究了接種念珠藻對土壤結構的影響，結果表明接種念珠藻后兩種土壤中氮含量分別增加了17%和40%?？椎轮龋?4］研究固氮魚腥藻在小麥和西紅柿上的肥效，發現施用藍藻肥料的土壤在90 d 后，土壤含氮量從最初的0.023%上升到0.075%；而施用尿素的土壤，剛施入時土壤中氮含量較高，達到0.083%，但之后迅速下降，在90 d 后土壤含氮量基本回到最初的水平（0.018%）。上述研究表明固氮魚腥藻肥料肥效比較緩慢，但十分持久。Pereira 等［35］研究表明，在水稻作物上接種絲狀藍藻，可以減少50%的化肥用量，且糧食產量和品質與施用化肥相近。

1.2 固碳作用

近年來，化肥的使用增加了各種溫室氣體的排放［36］，它們會以CO2、CH4和NO2的 形式從土壤中排出，對全球氣候變暖具有重要影響［37］。Lal［38］報道了化學肥料中不同營養成分的碳排放量，估算了N、P2O5、K2O 和CaCO3碳排放量分別是0.9 ～1.8、0.1 ～0.3、0.1 ～0.2 和0.03 ～0.23 CE kg/kg。

微藻是光養微生物，光合效率高，其固碳效率是一般陸生植物的10 ～50 倍［8］。土壤中的藻類通過光合作用吸收空氣中的CO2，釋放O2可以提高土壤氧含量，為好氧微生物提供生存條件，改善土壤性質［39］。凌麗俐等［40］研究發現在正常光照下，藻類通過光合作用，能使土壤的有機質不斷增加，并且在藻類和微生物的共同作用下，能夠將土壤中的難溶磷釋放出來，為植物生長提供營養。Durall等［41］發現綠藻和藍藻通過光合作用可以利用各種工業排放煙氣中的CO2產生營養豐富的藻生物量，收獲藻生物質可以生產高附加值產品，如生物燃料、飼料和生物肥料等。藻類分泌的胞外多糖和土壤微生物在土壤表面形成的藻生物膜還有助于封存大氣中的CO2，并增加土壤中的有機碳［42］。Wang等［43］報道，藻類生物肥料除了固定CO2和減少溫室氣體排放之外，藻細胞死亡后可以轉化為有機肥，改善土壤結構，提高水稻產量和品質。

1.3 生物活性物質

土壤微藻除了進行固氮和固碳作用以外，還能夠分泌多種生物活性物質，如類胡蘿卜素、蛋白質、脂肪酸、植物激素、胞外多糖、維生素和抗生素等。其中，植物激素是一類小分子，是協調高等植物細胞活動的化學信使［44］，在植物的生長發育中起著重要的作用；而胞外多糖能夠為土壤微生物提供營養物質和增加土壤有機碳含量，進而對土壤性質產生影響［45］。

Lu 等［46］從基因組的代謝重建出發，認為現代高等植物激素生物合成途徑起源于古代微藻，雖然其中的一些微藻激素信號通路尚不清楚，但這表明了微藻在植物激素合成和分泌過程中的重要性。微藻的細胞提取物和生長液中已被證明含有植物激素（如生長素、細胞分裂素、赤霉素、脫落酸和水楊酸），在植物發育中起著至關重要的作用［47-49］。Hussain 等［50］研究了在實驗室和田間條件下，藍藻菌株分泌激素刺激植物生長的能力。研究表明，藍藻分泌的激素（細胞分裂素和生長素）與植物生長參數如芽長、根長、穗長和種子重量之間存在正相關關系，植物中植物激素水平的增加可能是根際的藍藻與植物相互作用的結果。胞外多糖是由微藻通過光合作用及代謝合成的另一種生物活性物質。許多綠藻和藍藻都被證明在周圍環境中產生和分泌胞外多糖［51］。Chittapun 等［52］從水稻田中分離出了兩株念珠藻，它們能夠分泌較高含量的胞外多糖和吲哚乙酸，胞外多糖能夠提高土壤團聚體的穩定性，并且可以通過生物吸附作用降低重金屬的毒性；吲哚乙酸則可以促進種子萌發和植物生長［53］。Issa 等［54］研究發現綠藻和藍藻產生的胞外多糖具有粘附性，有助于土壤顆粒的聚集，改善土壤結構，更大程度上防止土壤侵蝕。

1.4 微量元素

植物正常生長所需要的營養元素除大量元素氮、磷、鉀外，還包括中量元素和微量元素，尤其是微量元素對植物的正常生長和各項生理活動都起著非常重要的作用。微量元素的缺乏與過剩和病蟲危害一樣，會威脅植物正常的生長發育，并且對作物的產量和品質造成一定的影響［55］。

微藻中含有Cu、Fe、Se、Mn、Zn 等多種微量元素，在土壤中接種微藻后能夠增加土壤中微量元素的含量，促進植物生長。研究表明，項圈藻可以提高土壤中微量元素（Zn、Cu、Fe 等）和大量元素（C、N、P、K 等）的有效性，以及它們在植物體內向籽粒的轉運［56-57］。Renuka 等［58］報道了細菌與藍藻和綠藻的共同作用能夠強化植物根部微量元素Cu、Mn、Fe 和Zn 的富集。Simranjit等［59］在土壤中同時接種魚腥藻和固氮菌，發現土壤Zn、Mn、Cu 和Fe 的有效濃度增加，葉片中葉綠素a 含量提高了51.13%。Wuang 等［13］利用水產養殖廢水培養的螺旋藻生物質作為農業肥料，與化學肥料的成分相對比，發現藻類中氮、磷和鉀的含量較低，但檢測到鈣、鐵、錳、鋅和硒等微量元素的存在。鈣是細胞壁的重要組成部分，不僅可以促進新的生長點和根尖的形成，也可以增強細胞壁的彈性和膨脹，使生長點不會變得僵硬和脆弱。鐵是幾種必需酶的重要結構成分之一，鐵缺乏會造成植物葉綠素難以形成，導致葉片黃化，植物光合作用降低等問題。藻類生物質中的錳含量也顯著高于化學肥料［13］，錳元素作為同化氮的酶活化劑，對葉綠素的合成至關重要。此外，參與生物質和酶系統合成的鋅元素與具有提高種子苗期根系活力作用的硒元素在化學肥料中并未檢測到，但是，它們對于葉綠素和碳水化合物的產生以及促進某些代謝反應是非常重要的［60］

2 農業生產的應用

2.1 對作物生長的影響

微藻對作物的影響主要是它可以合成和分泌多種促生長物質，如生長素、赤霉素和細胞分裂素［61-63］，這些生物活性物質在植物發育、植物代謝和植物生長調節等方面具有重要的作用，可以促進種子萌發、幼苗生長，影響果實品質以及作物產量。

在促進種子萌發方面，Faheed 等［64］研究了小球藻對生菜的影響，結果表明，經過藻液處理可以顯著提高種子的發芽速率，在土壤中添加藻液也顯著增加了幼苗的鮮重、干重和色素含量。Saadatnia 等［65］研究發現用0.1 g 藍藻藻泥和水混合浸泡的水稻種子萌發速度快于對照，2 d 后觀察到種子萌發，20 d 后測量幼苗高7 cm，根長3 cm；而對照組中，5 d 后觀察到種子發芽，20 d 后測量幼苗高4 cm，根長0.5 cm。李羨等［66］探究了不同濃度的小球藻提取液對蔬菜種子萌發的影響，結果表明，不同濃度小球藻提取物處理種子均可提高發芽率、發芽勢和發芽指數，當小球藻提取物濃度為4%時，白菜、芥菜、蘿卜的發芽率分別比對照增高15%、12%、10%；發芽勢分別增高14%、10%、20%；發芽指數分別比對照增加10.53%、17.98%、9.87%。另外，小球藻提取物還可促進種子萌發過程中胚根生長和縮短種子萌發周期。Osman 等［67］研究接種兩種藍藻（念珠藻和顫藻）藻液對豌豆生長的影響，發現土壤中單獨接種念珠藻和顫藻藻液或者接種兩種藍藻混合藻液，均能顯著提高豌豆的發芽率，分別比對照增加25.98%、22.55%、35.47%，同時指出豌豆種子萌發、幼苗根和莖長度的增加可能是藍藻中存在的生長素、細胞分裂素和赤霉素共同作用的結果。

在促進幼苗生長方面，Chittapun 等［52］分別研究了藍藻和化肥對水稻生長的影響，藍藻的施加促進了水稻幼苗的生長，與未施加藍藻和化肥的對照組相比，接種藍藻對水稻幼苗的根長、芽長、鮮重和干重均有提高的作用。Das 等［12］利用城市污水培養的微藻生物質作為小麥生長的生物肥料，與常規N、P、K 肥料相比，藻肥組的植株葉片數和平均葉片大小均較高，說明微藻對促進幼苗生長有積極的作用。Grzesik 等［68］通過使用藍藻和綠藻改善玉米種子萌發、幼苗生長和代謝活性，結果表明，單株培養的銅綠微囊藻、魚腥藻和小球藻均能顯著提高玉米幼苗的生長，并強化了酶的代謝活性，如核糖核酸酶、脫氫酶等。Wuang 等［13］利用富含螺旋藻的土壤中栽培的芝麻菜植物，與未使用任何肥料的對照組相比，植物株高增加55.3%，鮮重和干重分別增加18.7%和21.1%；與使用商用化肥的植物相比，在富含螺旋藻的土壤中生長的植物株高增加了71.8%。

在改善果實品質方面，Coppens 等［9］通過實驗發現藻肥能夠使番茄果實中糖濃度顯著升高，施用微擬球藻藻肥生長的番茄果實中葡萄糖濃度比有機肥處理高18%，比無機肥處理高33%；類胡蘿卜素含量比無機肥處理高36%。Dias 等［69］研究了不同濃度的螺旋藻葉面肥處理對茄子品質的影響，發現施用低濃度螺旋藻葉面肥雖然不影響果實的顏色和可溶性物質，但延長了果實的保質期。Dineshkumar 等［70］通過田間試驗研究了藻肥對洋蔥栽培的影響，結果表明，添加螺旋藻與牛糞或者小球藻與牛糞的處理組效果均好于只添加牛糞的對照組，處理組中的洋蔥色素含量、總可溶性糖、總游離氨基酸等成分都有所增加。

在提高作物產量方面，郗煥芳等［71］通過田間試驗，研究了藻類活性生物肥在馬鈴薯上的肥效。試驗結果表明，馬鈴薯的產量隨著施肥濃度的增加而增加，使用濃度為3 L/hm2時與對照相比增產33.59%，使用濃度為6 L/hm2時與對照相比增產36.95%。代小等［72］研究了藻類活性細胞生物肥對苜蓿草產量及品質的影響，施用生物肥料的兩茬平均增產502.50 kg/hm2，增產率為15.07%。

2.2 對土壤理化性質的影響

土壤理化性質的變化直接影響土壤質量，而土壤質量的好壞是制約農業生產的重要因素之一。目前改善土壤質量的方法有很多，如物理法、化學法和生物法等，但如何高效、環保、經濟地改善土壤質量是當前農業生產面臨的問題。微藻在土壤中普遍存在，是一種重要的有機質來源，它在提高土壤肥力和改善土壤微生態系統方面具有獨特的生態學功能［73］。因此，利用微藻改善土壤質量是一種經濟可行的方法。

微藻一方面能增強土壤團聚體的穩定性，另一方面能提高土壤中有機質和氮、磷的含量，同時對土壤pH 產生重要影響。穩定的土壤團聚體是維持土壤肥力的一個重要因素，土壤團聚體為植物提供了生長和根部滲入土壤所需的最小孔隙，良好的土壤團聚結構能夠增加土壤中氧含量和提高土壤的持水能力。Issa 等［54］研究表明，在土壤中接種藍藻6 周后形成由藻絲和胞外多糖組成的有機土壤團聚體，與未接種的對照組相比，明顯增強了土壤團聚體的穩定性。Yilmaz 等［74］研究了不同微藻生物肥料處理對土壤團聚體穩定性的影響，結果表明，單獨接種小球藻或與蛭石聯合接種均能提高土壤團聚體的穩定性。藻類生物質還能夠增加土壤中的有機質，改善土壤結構和提高土壤肥力。唐東山等［75］利用肥沃土壤中的微藻改良貧瘠土壤，研究發現，在無光照條件下的微藻在30 d 內進入休眠狀態或死亡；但在光照條件下，微藻的數量在第30 d 以后迅速增殖，隨著藻類的生長，土壤pH 值發生了一定變化；土壤有機質含量第90 d 時分別為第30 d 的1.57、1.75 和1.95 倍；土壤有效磷含量第90 d 時分別為第30 d 的1.37、1.41 和1.40 倍。這表明土壤微藻能改善貧瘠土壤的微生態環境和提高土壤肥力。劉淑芳等［76］施用3 種微藻液體肥種植黃瓜后發現土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量明顯增加，土壤脲酶和蔗糖酶活性也有不同程度的增加。Yilmaz 等［74］在溫室條件下進行盆栽試驗，研究不同有機肥和生物肥料對土壤有機碳含量的影響，結果表明，與未加肥料對照組相比，藻類生物肥料的施用顯著增加了土壤的有機碳；Emanga等［77］研究了溫室中兩種藻類（小球藻和螺旋藻）對土壤C、N、P 含量和土壤團聚體穩定性的影響，發現兩種藻均可以增加土壤中總碳、總氮和有效磷的濃度，其中螺旋藻還可以增加土壤中硝態氮的濃度。

2.3 對土壤生物性質的影響

一般來講，土壤生物性質即指土壤微生物性質。微藻對土壤微生物的影響主要是藻細胞通過其生命活動，利用環境中的營養物質，釋放胞外物質，或者藻細胞發生死亡，微生物分解死亡細胞，利用其營養成分，改變環境pH，同時影響環境中微生物群落的構建，促使土壤形成不同數量及種類的微生物群落［78-79］。葉華勛等［80］研究了土壤藻類在植物生長過程中對植物生長及基質狀況的影響，結果表明，在正常光照下，單細胞土壤藻類（沙角衣藻）可以促進土壤微生物的生長，能夠轉化磷礦粉中作物不能吸收的磷為可吸收的磷，從而提高土壤中有效磷的含量，增強土壤酶活性，最終達到改善土壤質量的作用。Priya等［81］的研究表明，接種藍藻會導致根際微生物群的變化，使參與營養物質礦化和溶解的微生物群落的結構和豐度發生變化。Marks 等［82］將污水處理產生的活性微藻生物作為生物肥料研究藻類對土壤性質的影響，發現自養藻類促進了異養細菌的生長，光合藻懸液的應用增加了土壤中真核微生物和原核微生物的生物量以及異養微生物的活性。

3 農業環境保護

3.1 土壤荒漠化治理

在我國北方干旱和半干旱地區，由于降水稀少，植被難以生長，土壤荒漠化嚴重，致使水土流失導致土壤退化、土地生產力下降，并帶來一系列生態環境問題。為治理生態環境，防止土壤進一步沙化，通常采用向荒漠化土壤中人為地接入一定量的藻類使其在土壤表面形成結皮［83］，并獲得了較好的效果。土壤生物結皮是由細菌、真菌、藻類、地衣和苔蘚等形成的一種混合體，而藻結皮是土壤生物結皮的主要組成部分［84］。吳麗等［85］在研究生物結皮演替過程中發現，藻結皮是以藍藻為優勢群落，尤其是絲狀藍藻，如具鞘微鞘藻、爪哇偽枝藻，它們能夠通過改善表土微環境為異養微生物的生長提供良好條件。許多藍藻和綠藻分泌的胞外多糖可以為農業上有益微生物的生長提供有機碳，并在植物根際形成有用的生物絮團和生物膜［45，51］，其生物膜對于水土保持、流沙固定、其他生物類群的生長繁殖以及土壤微生態系統的最終形成具有重要的促進作用。杜宇［86］進行了人工藻類生物結皮固沙效果的研究，發現流沙表面生長的人工荒漠藻結皮可以改變土壤的理化性質，隨著藻結皮的增厚，土壤含水量、有機質、總氮、總磷含量增加，土壤pH 呈下降趨勢，但都大于7，呈弱堿性。說明在沙土中接種藻類能夠提高土壤養分含量，增強土壤持水力，使得土壤微生物和沙生植物生長，從而改變荒漠化土壤表面單一、松散的原始狀態，使土壤表面趨于固定化。饒本強等［87］研究發現，將荒漠藍藻接種到沙地表面，絲狀藍藻通過緊密和高強度的機械束縛作用以及藻體胞外分泌物對沙粒的黏結作用，對維持藻結皮的強度起著至關重要的作用。高麗倩［88］研究發現生物結皮后顯著增加了土壤有機質、全氮、土壤細顆粒含量及土壤粘結力，降低了土壤容重。同時生物結皮顯著降低了土壤可蝕性，增強了土壤抗蝕性。由此表明，在荒漠土壤中接種藻，形成的藻結皮能使菌類和低等植物繁殖生長，進而改善土壤性質，有效地減小風和水對荒漠化地表的侵蝕，從一定程度上遏制了荒漠化進程。

3.2 鹽堿地修復

鹽漬土通常氮、碳和磷含量較低，電導率較高，并含有一些有毒離子，這極大地限制了植物的生長［89］。據統計，我國目前鹽堿地約有9 913 萬hm2，尤其是西北地區的甘肅、寧夏、新疆等省區都不同程度發生鹽漬化危害。以甘肅省為例，全省目前受鹽漬化影響的土壤已接近3 萬hm2，特別是河西及沿黃灌區，由于受不合理灌溉所致，土壤鹽漬化面積逐年增加，因土地鹽漬化損失的糧食每年超過1 億kg［90］。藍藻在鹽漬土改良中發揮著重要作用，它不僅改善了土壤中的氮、碳等營養物質含量，而且有助于土壤中有害鈉離子的螯合［91］。藍藻分泌的胞外多糖，具有螯合陽離子的趨勢，這些胞外多糖具有像尿酸這樣的帶負電荷的基團［92］，它們與Na 離子結合，從而降低了Na 離子在土壤溶液中的有效性，有利于植物的生長。張?。?3］研究了藻類對鹽堿土的改良發現，固氮藍藻提高了土壤有機質和土壤氮含量，分別達530.01%和269.12%，降低了土壤交換性Na+86.28%，使土壤pH 下降到8.0 以下，且改變了根際微生物構成，促進了植物生長。這說明固氮藍藻可以改善土質，促進植物生長，這對于生態修復鹽堿化土壤具有一定的作用。Nisha 等［91］從鹽堿地中分離出了幾株耐鹽耐干旱的藍藻，將藍藻作為生物肥料來修復鹽漬土，通過盆栽實驗240 d 后，藍藻肥料處理后的土壤中碳、氮、磷、鉀、鎂陽離子交換能力和土壤持水能量均有明顯提高，而鈉離子和電導率均有降低。

4 展望

在當前國家要求農業生產中化肥和農藥減量化的背景下，微藻生物肥料具有廣闊的應用前景。但是藻類生物肥料的應用依賴于其生物質生產的經濟性。利用農業廢棄物或廢水培養藻類是一種經濟可行的策略，且具有環境效益。此外，單一藻細胞分泌生物活性物質含量較低，結合兩種或兩種以上具有不同潛在性狀的藻種，是提高藻類生物肥料活性的有效策略；同時，篩選能與微藻互利共生的有益土壤微生物，利用微藻與微生物混合發酵，制備具有藻菌雙重作用的微生物肥料，是微生物肥料開發領域的研究熱點之一?，F代分子生物技術的發展為進一步闡明微藻、土壤和植物的作用機制提供了工具，有助于驗證藻類生物肥料的商業化潛力。微藻是發展可持續和環境友好型農業的重要資源，藻類生物肥料的發展需要建立更廣泛的認識和更深入的研究。