Research Progress of Biostimulant and Analysis of Relevant European Management System
Abstract：
The latest research progress of biostimulant is introduced in detail, the definition, species and mechanism of biostimulant are systematically studied. Relevant EU regulations and registration management systems are analyzed, and development status of biostimulant products at domestic and abroad are compared, which found that exist many differences in concept, appellation and cognition of biostimulant around worldwide. China has issued a number of relevant national standards and industrial standards, but the corresponding international standards have not been formulated, relevant testing methods and biochemical mechanisms remains unclear. At present, EU standard of biostimulant is the most recognized and international standards can be established on this basis in the future. At the same time, learning from EU rules and regulations will contribute to improve the corresponding regulations and standards in China.
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前言
近年来，环境污染的加剧、土壤生态的破坏、作物增长的瓶颈、食品安全问题的频发、高品质农产品的需求正推动着一个新兴、朝阳型产业的发展，生物刺激素以其独特的作用机理成为农资行业的下一片沃土。目前,生物刺激素已在超过600种作物上应用，可使作物产量提高5%～10%，使肥料增效5%～25%，使农药用量减少10%～15%。2011年，欧洲14家公司成立了欧洲生物刺激素产业联盟，2018年该联盟的成员单位已达到54家。自2012年12月初在法国斯特拉斯堡召开第1届国际生物刺激素大会后，生物刺激素产品已在国外大热，欧盟是其最大市场(图1)，北美是第二大市场。全球生物刺激素市 场的复合年增长率预计达到10.43%， 将从2017年的20.0亿美元增至2022年的32.9亿美元。2016年欧洲农业应用生物刺激素最多，亚太地区生物刺激素市场预计将在2017—2022年增长最快[1]。近3年来，我国生物刺激素类肥料的登记数量增加了近2倍，达3 000～4 000个产品，其中氨基酸类占38%、腐殖质类占35%、有机物类占15%、微生物类占12%。
图 1
生物刺激素不属于化肥或农药，具有改善植物生理功能、促进营养吸收、增强植物应激响应的特性，可作为化肥或者植物保护剂。生物刺激素源于有机质，健康无毒，协同营养和植物保护剂，维持作物健康生长，提高作物品质和产量，为农用产品开辟了新的应用途径。目前，欧洲化肥研究所、意大利瓦拉格罗股份公司、意大利意塞格、美国爱丽思达公司、中国农业科学院、俄罗斯阿尔比特公司、美国布兰特、乌克兰国家科学院等都是全球领先的生物刺激素研究机构。意大利瓦拉格罗股份公司是该领域的领军企业，推出了全球“作物健康理疗”产品研发的最前沿科技，出品了全球知名的生物刺激素产品“美加富”，产品销往全球80多个国家。另外，美国爱利思达公司在全球生物刺激素的市场运作中处于领先地位。
2018年的中央一号文件指出，必须坚持质量兴农、绿色兴农、加快由农业大国向农业强国转变。生物刺激素由于在减肥增效、改良土壤等方面有着神奇效果，备受国内外农资行业有关人士的关注，尽快制定相关国际规范是每一位农资人迫切的心声。为此，欧洲标准化委员会(CEN)已于2017年成立了植物生物刺激素技术委员会(CEN/TC 455 Plant BioStimulants)开始研究制订相关标准。ISO/TC 134 肥料、土壤调理剂和有益物质技术委员会(ISO/TC 134 Fertilizers, Soil Conditioners and Beneficial Substances)于2018年3月通过投票决定成立生物刺激素的特别小组，相关领域国际标准的制订也被提上日程。
按法律严格意义来说，生物刺激素在我国没有明确的登记地位，国内将其作为肥料进行登记。为此，全国肥料和土壤调理剂标准化技术委员会(SAC/TC 105)正积极开展相关领域内的全国标准化技术工作，已出台的国家标准包括《农业用腐殖酸钾》(GB/T 33804—2017)、《矿物源黄腐酸含量的测定》(GB/T 34765—2017)、《矿物源总腐殖酸含量的测定》(GB/T 34766—2017)、《矿物源游离腐殖酸含量的测定》(GB/T 35106—2017)、《矿物源腐殖酸肥料中可溶性腐殖酸含量的测定》(GB/T 35107—2017)、《农业用腐殖酸和黄腐酸原料制品》(GB/T 35112—2017)，已发布的行业标准包括《农业用腐植酸钠》(HG/T 3278—2011)、《腐植酸铵肥料分析方法》(HG/T 3276—2012)、《含腐植酸尿素》(HG/T 5045—2016)、《腐植酸复合肥料》(HG/T 5046—2016)、《含海藻酸尿素》(HG/T 5049—2016)、《海藻酸类肥料》(HG/T 5050—2016)。此外，正在制订中的国家标准包括《黄腐酸原料及肥料 术语和定义》(20173896-T-606)、《腐植酸原料及肥料 术语和定义》(20173897-T-606)，将不断规范及促进国内生物刺激素市场的发展。
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生物刺激素的种类和作用机理
1.1
生物刺激素的种类
欧洲生物刺激素联盟(EBIC)、北美生物刺激素联盟(Biostimulant Coalition)、全国肥料和土壤调理剂标准化技术委员会(SAC/TC105)给出的生物刺激素定义不尽相同，其被冠以不同的名称，如生物促进剂、代谢增强剂、植物强壮剂、正向植物生长调节剂、诱导因子、化感制剂、植物调理剂等。广义来说，生物刺激素是指具有促进植物生长和提高应激响应的物质，包括腐殖酸类物质、复合有机物质、有益化学元素、非有机矿物(包括亚磷酸)、海藻类、甲壳素和壳聚糖、抗蒸腾剂、游离氨基酸、微生物[2]。各类生物刺激素无需严格区分，并非相互独立。
(1)腐殖酸类物质
腐殖酸类物质是天然土壤有机质，源于死亡细胞基质的分解，在土壤微生物的代谢下生成腐殖质、腐殖酸和富里酸，可由土壤(泥碳土、火山土)、废弃物(污水淤泥)中的腐殖质有机物提取得到。
腐殖酸作为营养剂作用于土壤和植物，可提高土壤的物化特性和生物活性。腐殖酸通过吸附多价态阳离子，提高土壤的通气性和水合作用，提高养分的吸收和利用率，提高土壤的钙离子交换能力、固碳作用和促进细菌呼吸，从而提高酶的活性，促进植物的应激响应能力。
(2) 非有机矿物
非有机矿物的来源为化学合成及矿物提取物，包括亚磷酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、硝酸盐，都能通过刺激植物自身防御机制来达到杀菌的效果，从而提高植物的产量。如亚磷酸盐在氧化成磷酸盐的过程中能将有效磷传递给植物，促进植物细胞生长。同时，生物刺激素可调控生物大分子的活性，参与多重酶促反应和机体新陈代谢，调控细胞的分化和增殖，提高植物抗病能力。
(3) 海藻类
海藻来源广、种类多，包括褐微藻类、红微藻类和绿微藻类。海藻及其提取物富含促进植物生长的活性物质，如多糖物质(海藻酸盐、海带多糖、角叉蔡胶)、固醇、含氮化合物(甜菜碱、荷尔蒙)，可作为生物肥料、土壤调节剂和生物刺激素作用于土壤和植物。作用于土壤时，多糖物质利于凝胶的形成，维持土壤的保水性和透气性。海藻提取物富含的聚阴离子化合物利于阳离子的固定和交换、重金属的固定、土壤修复，并通过抑制细菌和病菌来促进植物生长。作用于植物时，海藻及其提取物不仅提供养分，还提供类荷尔蒙活性物质(固醇类和多胺类)，刺激细胞分裂和植物生长发育，提高离子摄入能力、土壤透气性和保水性。
(4) 甲壳素和壳聚糖
甲壳素是昆虫和甲壳类动物外骨骼、真菌类细胞壁的组成物质，甲壳类和真菌类是工业壳聚糖提取物的主要来源。甲壳素和壳聚糖具有生物活性，常被作为植物保护剂、抗蒸腾剂、生长刺激素。壳聚糖衍生物作为聚阳离子和脂质结合分子作用于细胞外，在植物叶面上形成壳聚糖保护膜，使植物免受病原体侵害，并通过诱导植物的自身防御来预防细菌、病菌和昆虫的侵害，其诱导的植物防御响应包括木质化作用、蛋白酶抑制剂合成、细胞壁水解、细胞液酸化、蛋白质磷酸化等。
(5) 抗蒸腾剂
成膜性抗蒸腾剂包括合成化合物(薄荷油、松脂二烯、萘、聚丙烯酰胺等)、无机化合物(高岭土、硅酸盐等)、天然生物聚合物(壳聚糖),可在植物表面和器官内产生物理作用。从表面上看，乳液状抗蒸腾剂喷洒在叶面上并形成薄膜后，可阻碍气孔向空气中扩散水蒸气，减少叶面反射和水分蒸发，降低热能吸收和叶子温度。从内部看，抗蒸腾剂可调控叶面上气孔的打开和水蒸气的扩散，作用于控制细胞防御的荷尔蒙物质，激发叶子蒸腾信号，提高作物保水率和抗旱性。
(6) 游离氨基酸
有机含氮化合物包括游离氨基酸、多肽、聚胺类、甜菜碱等，可以施于叶面、土壤和种子，是动物、植物和微生物的工业水解副产物。除了20种作为蛋白质合成前驱体的氨基酸，研究者还在植物中发现了250种非蛋白质氨基酸，它们与多重细胞和生理过程息息相关，参与木质素合成、种子发芽、细胞组织分化、信号转导、蛋白质降解、刺激应激响应等。
氨基酸通过与土壤中的养分形成螯合物来促进吸收，同时作用于植物的新陈代谢，促进光合作用和二氧化碳渗透，提高酶活及作物品质。
1.2
生物刺激素的作用机理
一方面，生物刺激素能改善土壤的理化性质，促进土壤有益微生物生长，提高土壤保水效果。另一方面，生物刺激素具有类似细胞分裂素和生长素的活性，充当一个化学信号，即告诉植物何时切换它们的防御系统以应对恶劣环境，植物以此来启动或增加生理过程，提高对胁迫的耐受性，调节和改善体内水分，促进营养物质吸收、运转和使用，从而提高作物质量[3]。
从细胞层面上看，生物刺激素影响酶活、膜转运蛋白活性和基因表达。从器官层面上看，生物刺激素促进叶子上的气体交换、激发根茎的生长。从整个植物层面上看，生物刺激素作为营养摄入、光合作用、器官生长等过程的化学调节剂起到控制、整合、协调的作用。从任何层面上看，生物刺激素都具有改善植物生理过程的功能。
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生物刺激素的欧盟法规制度
在欧盟的立法中，农用产品分为两大类别：①为植物提供营养的营养剂(肥料)，受控于欧盟肥料法(EC No.2003/2003)；②作为活性物质、安全剂、增效剂使用的农药、除草剂、激素类物质等植物保护剂，受控于欧盟植物保护剂法(EC No.1107/2009)。在欧盟肥料法修订前，只有矿物肥被划为“EC肥料”受控于欧盟肥料法(EC No.2003/2003)，有机肥、有机矿物肥、栽培基质、土壤改善剂、生物刺激素都基于欧盟共识性法律文件(EC No.764/2008)，由国家法案和国内市场监管。
生物刺激素不同于肥料和植物保护剂，具有复杂的化学性质，有的为合成物，有的为有机、无机自然形成物。不能简单地将生物刺激素划为化肥，因为其主要功能并非为植物传递营养，但其具有促进营养吸收和土壤营养化的功效。生物刺激素也不同于植物保护剂，并非直接保护植物，而是通过增强植物调节效应来提高植物的抗病能力，且不是所有生物刺激素都具有保护植物预防病害侵入的功能。
为了建立统一规范的生物刺激素管理制度，2012—2013年欧盟委员会对欧盟肥料法(EC No.2003/2003)进行了扩增修订，并在2013—2014年建立了关于植物刺激素和农用化肥添加剂的法律框架[4]。2016年3月，欧盟公布了肥料法的修订案，将生物刺激素归入肥料管理范围。修订后的欧盟肥料法涉及矿物肥、有机肥、栽培基质、土壤改善剂、生物刺激素和农用化肥添加剂，带来的益处包括：①使所有的肥料及相关产品都有统一的法律，规范相关市场；②确保在市场上流通的肥料及相关产品的安全性；③确保农民购买、使用的生物刺激素的功效；④简化新产品投入市场的流程，减轻主管当局的管理负担。
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生物刺激素的欧盟登记管理制度
目前，各国对生物刺激素的注册登记流程各不相同，需要建立统一完善的注册登记制度。在现行的欧盟农用产品管理制度中，化学品和植物保护剂分别按照REACH法规和欧盟植物保护剂法(EC No.1107/2009)进行登记管理，而食品和饲料添加剂由EFSA进行评估和登记。上述欧盟管理制度都不适用于生物刺激素，因为生物刺激素主要用于水果、蔬菜等农作物，还包含相当一部分的微生物产品。REACH法规不考虑与食物相关产品的潜在风险，且不将微生物纳入其管理制度，而食品安全管理制度主要针对食品、饲料添加剂。
为了符合现行的欧盟和各国管理制度，需要对生物刺激素进行注册登记。首先，应用商(登记者)向欧盟管理部门(ECHA或EFSA)提交一份关于生物刺激素的登记信息，包括：①安全性评估数据，如理化、健康生态毒性、致病性、传染性等信息；②风险评估信息，涉及危险特性、暴露评估、风险特性等；③产品特性描述信息，涉及物种、属别、化学名称、施用范围等。然后，ECHA或EFSA接收申报材料，对材料信息进行核实验证并给出全面的结论。最后，由ECHA或EFSA批准注册，并对申报材料进行管理。
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结语
目前，生物刺激素产品发展比其标准和法规更快，可能会对行业产生威胁，生物刺激素相关国际标准的制订已经被提上议程。生物刺激素以其独特的功效得到了越来越多的认可，但其检测方法还不完善，产品功效尚不明确。总的来说，行业内比较认可的是欧盟的生物刺激素相关标准，但考虑到各国的差异，国际标准将在欧盟标准的基础上，结合各国国情进行调整，以提高生物刺激素标准的全球适用性。
基于生物刺激素产品的组成现状和作用机理，国内一直将其纳入肥料管理中。我国政府已对生物刺激素产品施行了税费减免、补贴等政策，大力支持生物刺激素产品在国内的推广。此外，我国还应结合绿色农业发展需要对生物刺激素产品进行战略规划，开展活性物质作用机理、检测方法的研究，形成相应标准及规范，针对市场准入和监管建立登记、审核程序，促进国内生物刺激素市场的健康发展。
沪公网安备 31010702007066号