2021, Vol. 58
新中国成立70年来，化学肥料对我国粮食安全及社会、经济的平稳发展起到重要作用，但由于无机肥料中的矿质元素易于被土壤固定、吸附及淋溶流失等，导致肥料利用率低下，且过量或不合理施用加速了土壤环境质量退化，造成资源和能源的浪费，难以满足当前生态农业建设[1]。我国2019年正式实施的《中华人民共和国土壤污染防治法》[2]进一步强调了农业可持续发展的必要性。与普通无机肥料相比，螯合肥料的“闭环”结构特性能够有效减少养分流失、提高肥料利用率、改善土壤环境等[3-5]，因此，推广应用螯合肥料更加符合农业绿色发展理念[6]。
糖醇是一种新型螯合配体，以其为原料合成的糖醇螯合肥可有效促进矿质元素在植物韧皮部的运输，补充植物营养，在农业生产中的作用逐渐得到证实，但关于糖醇螯合物在植物和土壤中的迁移转化过程、作物吸收机理及生态效应等方面尚缺乏系统的认知，部分原因在于市场上常见的糖醇螯合肥多以混合物的形式存在（螯合态与非螯合态并存，或多种螯合产物并存），且不同的生产工艺对应的作用效果差异显著[7-8]，因此，采用有效手段进行糖醇螯合物的定性及定量判断，进而推进大田作物的肥效分析是亟需解决的科学问题。本文通过简述糖醇螯合技术及糖醇螯合肥的优势，概述糖醇在植物体内的生物学效应及糖醇螯合肥的农业应用效果，分析了当前研究中的不足，以期为糖醇螯合肥在我国生态型农业中的应用和推广、促进糖醇螯合肥的开发与机理研究提供参考。
1 糖醇螯合技术及糖醇螯合肥优势 1.1 糖醇螯合技术简介糖醇是具有两个及以上羟基结构的多元醇，能为配位原子提供多个孤对电子且空间结构满足螯合物形成的必要条件[9]。糖醇螯合肥则是以不同类型糖醇（甘露醇、山梨醇、赤藓糖醇等）为螯合配体，作物所需一种或多种无机矿质元素（钙、镁、锌、钾等）为中心离子，经特定螯合反应而生成的水溶性肥料，其生产多采用水体系合成法[10-11]，基本生产流程大致如图 1所示，在某些糖醇螯合肥的生产中还需要加入助剂以促进原料溶解、维持产物稳定等[12-13]。目前仅有糖醇螯合硼的螯合反应历程较为明确，实质是硼酸或硼酸根离子与糖醇中两个邻位顺式羟基发生脱水反应而形成环状结构[14]，但其他糖醇螯合物的反应历程及结构构型等需要进一步的实验分析。
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图 1 糖醇螯合肥基本生产流程 Fig. 1 Basic production process of sugar alcohol chelated fertilizer |
螯合肥之间的差异主要是由配体不同而造成的，目前常用的螯合配体主要分为两类，一类是以乙二胺四乙酸（EDTA）等为代表的人工合成螯合剂，另一类是各种天然螯合剂，如腐殖酸、氨基酸、糖醇等。某些传统螯合配体的生物降解性差导致其在环境中不断积累，且此类配体更易与重金属结合而存在潜在的浸出风险，进而造成二次污染等，因此，这些配体在可持续农业发展中的认可度正在不断下降[15]。氨基酸螯合物最早用于动物营养强化，将其应用于植物后发现同样可有效改善植物营养状况，但有研究人员[16]指出，其原料的来源及生产过程可能会产生持久性有机污染物及重金属污染等，对食品质量及土壤环境带来新的安全隐患。根据前人研究结果，表 1对EDTA、腐殖酸及氨基酸配体的主要负面效应进行了总结。
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表 1 三种常见螯合配体的主要负面效应 Table 1 The main negative effects of three common chelating ligands |
与其他同类螯合肥相比，糖醇作为螯合配体的优势之一在于与矿质养分螯合后可携带目标元素在植物韧皮部内进行运输，提高矿质元素的迁移性，缓解植物缺素症状。糖醇还是许多植物的主要光合产物，尽管在不同物种间的分布和积累模式存在较大差异[17-18]，但仍具有多种重要的生物学效应（具体内容参见第2节），能够在不同程度上调节植物的生长发育，提高植物应对胁迫的能力，且外源施用糖醇类物质还可为植物提供碳营养。同时，由于糖醇螯合态矿质元素与某些作物体内元素的存在形式相似，且糖醇本身分子量较小，多羟基结构决定其具有一定的润湿功能，因此，糖醇螯合肥的叶面渗透能力较强，能够促进作物对养分的吸收[19]。此外，糖醇的来源相对广泛，既可通过植物提取，又可通过微生物或相应的单糖还原制取[20-21]，原材料简单、成分单一，易于规模化生产，便于糖醇螯合肥在大田作物上的推广应用。
2 糖醇在植物体内的生物学效应糖醇是植物内源产生的营养物质，不仅能够作为光合产物参与细胞代谢，还可作为载体促进营养元素在植物体内的迁移。糖醇能通过维持细胞渗透压、清除活性氧、调节关键酶活性等方式提高植物的抗逆性，信号传导功能还可改变细胞的代谢过程，间接调控植物生理代谢，从而影响植物的生长发育。
2.1 运输营养物质人们普遍认为大多数高等植物中运输的主要营养物质是蔗糖[35]，而Webb和Burley[36]对苹果树进行碳同位素标记后发现，山梨醇是苹果韧皮部运输的主要营养物质，并推测在其他蔷薇科植物中也是如此。随后的研究发现，由源端（成熟叶片）向库端（根、幼叶、花和果实等）的运输途径中存在山梨醇浓度的递减趋势，间接证明山梨醇的运输物质作用[37]。此外，山梨醇可通过主动运输快速进入植株韧皮部且难以被代谢消耗，表明其性质比较稳定，适宜长距离运输，这也是山梨醇作为运输物质的证据之一[38]。
2.2 促进养分迁移糖醇可携带矿质养分以螯合（络合）物的形式在植物体内快速迁移。钙、硼等营养元素从源向库的转运需借助韧皮部运输，但韧皮部的碱性条件使得这些元素易于被固定，养分转运效率低下，易造成果实等库端局部缺素的状况[39-40]。然而在许多富含山梨醇的树种中，硼素在老、幼叶间的浓度差异不大，且果实中的硼含量显著高于叶片，研究认为糖醇是促进硼素迁移的主要因素[41]。此后在桃花、芹菜等蔷薇科植物的外蜜腺或韧皮部汁液中均鉴定出硼-糖醇复合物的存在[42-43]，直接证明硼素可与山梨醇形成稳定的复合物，从而增强其在植物体内的迁移性。为进一步验证糖醇在促进养分迁移中的关键作用，Brown等[44]将S6PDH（山梨醇-6-磷酸脱氢酶，系山梨醇合成的关键酶）基因导入无法自身合成山梨醇的茄科植物后，该基因的成功表达使得硼素即使在供应不足的情况下也具有较高的移动性，植物亦未出现缺素症状。
2.3 参与物质代谢和能量贮存糖醇在库端可通过转运蛋白进入细胞质内参与物质代谢或作为贮藏物质储存能量。例如，山梨醇在果实被卸载后主要参与以下三个过程[45]：（1）被相关酶分解为果糖和葡萄糖，进而参与淀粉、蔗糖和有机酸等有机物的合成；（2）降解后的产物可作为呼吸底物以维持细胞的物质和能量需求；（3）进入液泡等贮藏部位作为贮藏物质储存能量。除蔷薇科植物外，某些物种在某些特定时期或部位也存在山梨醇代谢过程。同样，甘露醇在许多藻类或陆生植物中也可作为贮藏物质参与生命活动，如海带[46]、羊草和大针茅[47]等。
2.4 渗透调节功能在各种非生物胁迫条件下，植物会积累大量小分子有机物进行渗透调节以维持正常的生命活动。许多研究[48-49]证实，山梨醇、甘露醇等与多种胁迫反应紧密相关，可作为渗透调节物质增强作物的抗逆性，在提高作物抗旱性、耐盐性和抵御低温等方面发挥重要作用。转基因技术的应用证实了糖醇在植物响应胁迫过程中的重要作用。相同胁迫条件下，将合成糖醇的关键酶基因导入自身无法合成糖醇的作物后，该基因的表达使得转基因植物对胁迫的耐受性明显优于非转基因植物[49-51]。此外，糖醇对活性氧的清除功能是植物积累糖醇的另一个重要原因，其可以有效减少由活性氧生成引起的膜脂过氧化反应，从而缓解植物受损症状[52]。
2.5 信号传导作用除了可作为光合同化产物、渗透调节物质等直接参与生理代谢外，糖醇还可能通过信号传导作用控制基因表达，间接调控植物生命活动。Berüter和Feusi[53]对苹果果实进行完全去叶或环割处理后，发现果实体内的山梨醇含量和山梨醇脱氢酶（SDH）活性降低，同时SDH基因的表达量减少，而葡萄糖含量则得到提高，表明葡萄糖和山梨醇可能会作为一种信号分子调控SDH的转录，进而影响SDH的活性。最新研究[54]发现，抑制A6PR（醛糖-6-磷酸还原酶）基因表达的苹果树的花中，山梨醇合成的减少通过影响MYB转录因子MYB39L的表达进而导致苹果花出现雄蕊发育异常和花粉管生长减慢等现象，而外源施用山梨醇则可缓解该不利状况。此外，糖醇还在植物防御反应的调节中起到重要信号作用，如山梨醇可通过WRKY转录因子WRKY79调节NLR抗性基因的表达来调控苹果对互隔交链孢菌的抗性[55]。
3 糖醇螯合肥的应用效果糖醇螯合肥对作物具有双重效应，不仅能够螯合矿质元素，促进作物对养分的吸收，提高肥料利用率，而且糖醇本身就是一种生物有机肥料，可广泛参与植物的生理代谢，单独施用糖醇同样能够改善作物的营养状况[19]，因此，糖醇螯合肥的施用效果普遍优于无机化学肥料。相关研究[16]结果表明，糖醇螯合肥能有效促进作物生长发育，改善果实品质，提高作物的抗病、抗逆性能。
3.1 对作物生长和果实品质的影响营养元素的缺乏会导致作物产生严重的生理障碍[56]，施用糖醇螯合肥则可有效缓解缺素症状，促进作物生长发育。分别在桃[57]、草莓[58]和樱桃番茄[59]上喷施糖醇螯合肥能够提高作物功能性矿质元素含量，引起叶绿素含量及相关酶活性发生变化，进而促使产量、果实品质等得到不同程度的提高和改善。李美玲等[60]通过田间小区试验发现，在潜在缺锌的石灰性土壤上向簇生朝天椒喷施糖醇锌后，辣椒产量、锌含量、维生素c、辣椒素和干物质含量均得到显著提高，效果优于喷施硫酸锌和乙二胺四乙酸锌（Zn-EDTA）。Alvarez等[61]的水稻试验同样证明糖醇锌较Zn-EDTA而言是一种更为有效的新型螯合肥料。以柑橘枳橙砧木为试验对象，采用水培方式，研究山梨醇螯合硼和无机硼酸对其生长及生理的影响，结果显示：与无机硼酸相比，山梨醇螯合态硼更易向叶片等地上部位转运，叶片中硼含量与积累量得到显著提高，促进了幼苗生长[62]。同样，本课题组[63-64]在对马铃薯、花生等大田作物喷施山梨醇螯合钙的研究中也发现，除产量、品质等得到改善外，与无机钙处理相比，螯合态钙更易于从叶片经茎部向地下部分运输，并促进土壤中养分的输出，提高了营养元素的利用和转运效率。
不同物种、植物发育阶段、施肥手段和环境条件等均为影响肥料肥效的重要因素。糖醇螯合肥作为水溶性肥料，适用于叶面喷施、无土培养及根部滴灌等，但不同施肥方式会导致肥效存在差异。与施用硝酸钙相比，喷施和根施以氨基酸和糖醇为主剂的螯合钙肥后，小白菜生物量分别提高18.95%和49.95%，植株钙积累量分别提高6.84%和45.31%，品质改善状况也存在较大差异[65]，这与本课题组[8]在油菜上的试验结果相似。林怡[66]研究了施用浓度对蓝莓果实产量及品质的影响，当喷施Ca2+浓度为140 mg·L–1与175 mg·L–1的糖醇螯合钙时，蓝莓株产、单果质量和品质等指标得到有效提高；而喷施浓度为70 mg·L–1时，蓝莓果实仅有少数品质指标优于对照。管雪强等[67]的研究结果同样表明，糖醇螯合钙在红地球葡萄上的应用效果因施肥浓度、方式、时期及植株部位等的不同而存在显著差别。
3.2 对果实贮藏和抗病害能力的影响果实的耐贮藏性决定其保持品质的能力和货架期的长短，而病虫害的侵染对果实贮藏和运输过程十分不利，不但影响外观品质，还可能造成腐烂损失。糖醇螯合肥在提高果实耐贮藏性和抗病害能力方面具有一定的积极作用。向蓝莓果树喷施糖醇钙后，不仅改善了蓝莓果实的品质，且其耐贮藏性大大提高，果实霉变率也得到显著降低；而喷施硝酸钙的处理不但对蓝莓产量、果实品质及贮藏性无积极影响，反而过量喷施还导致单果质量及果实纵径的降低[66]，原因可能与品种、土壤钙素含量等多因素有关[68]。裴健翔等[69]以不同钙源对‘寒富’苹果进行采后浸钙处理后发现，糖醇钙处理提高了果实硬度，能显著降低苹果中果胶甲酯酶（PME）、多聚半乳糖醛酸酶（PG）和纤维素酶（CX）的活性，抑制原果胶和纤维素的降解及可溶性果胶的上升，从而更有效地维持果实硬度，延长贮藏期。研究[70]发现，与CaCl2处理相比，喷施糖醇钙可促使果实中山梨醇转运蛋白和山梨醇脱氢酶基因的表达上调，加速山梨醇在果实内的转运和代谢，减少果实细胞间隙内山梨醇堆积，降低‘岳冠’苹果果实水心病的发生率和症状指数。
3.3 对作物抗逆性的影响环境胁迫下，糖醇的渗透调节功能可有效缓解作物的应激反应，螯合矿质养分后对提高作物抗逆性的作用效果更加突出。高温逆境下，喷施甘露糖醇钙处理能够减缓番茄幼苗叶片中叶绿素a和类胡萝卜素含量的下降幅度，显著提高净光合速率、蒸腾速率和气孔导度等，对光合作用的促进效果优于喷施CaCl2处理[71]。后续的试验进一步验证糖醇钙可通过降低叶片中丙二醛含量，提高抗氧化酶活性及功能性钙含量，抑制膜脂过氧化程度来缓解高温胁迫产生的不利反应[72]。缺硼会导致叶片中糖类物质较易积累，使得叶片变厚变脆，而山梨醇螯合硼处理与对照处理相比可显著降低丙二醛、脯氨酸含量和叶片损伤率，与无机硼酸处理相比，能更有效地促进枳橙叶片中多糖物质的转运，提高作物抗逆能力[62]。同样，在缓解小麦幼苗盐害胁迫反应方面，糖醇螯合硼也具有类似的效果[73]。
土壤（重）金属元素过量或污染不仅会对作物造成生理损伤，还会通过食物链危害人体健康[74]，而糖醇螯合肥可从不同方面影响作物代谢活动，降低金属毒害作用。闫磊等[75]利用山梨醇螯合硼处理油菜后，油菜的生物量、色素含量和超氧化物歧化酶活性得到显著提高，而根部铝含量、低聚糖、核酸和蛋白质含量得到降低，在一定程度上缓解了铝害反应。唐琦[76]利用受镉污染的土壤进行盆栽试验证明，在水稻开花期两次叶面喷施糖醇钙可有效缓解镉中毒现象，提高穗轴和籽粒中钙含量，抑制镉在穗轴中积累，从而抑制镉向籽粒的转运。
4 当前糖醇螯合肥研究中的不足我国糖醇螯合肥的应用研究起步较晚，研究方向主要集中于糖醇螯合肥的作物效应，且已证明其施用效果良好，但由于作物生长环境的复杂性与多变性导致糖醇螯合肥肥效存在较大差异，因此，系统探究作物对糖醇螯合物的响应过程十分必要。此外，施用糖醇螯合肥产生的土壤效应、生态效应及糖醇螯合物的结构性质等方面的研究尚存在诸多问题亟需解决。为更好地促进糖醇螯合肥在我国农业中的应用，将当前研究存在的问题概括为以下四个方面。
4.1 基础与应用研究不足糖醇螯合肥的受试作物种类较窄。目前糖醇螯合肥的研究对象多为播种面积较小的瓜果蔬菜等高附加值经济作物，而粮食作物在我国农作物总播种面积中约占70%[77]，却较少开展糖醇螯合肥对粮食作物的肥效研究。尽管已有糖醇锰在大豆、玉米上的试验探究，但作物生育阶段仅为幼苗期，结果不具有代表性[78]，因此，推进糖醇螯合肥在大田条件下的粮食作物试验，对提高我国粮食产量及品质具有重要意义。
糖醇螯合肥的肥效影响因素探究不深入。糖醇螯合肥的肥效易受多种因素限制，当前研究重点关注施用浓度、施肥方式等对肥效产生的影响，而现实胁迫环境下及不同典型土壤类型中的限制因子通常是复杂、交互的，因此，在不同作物生育阶段及各种环境因子共同作用下，螯合肥料可能具有不同的作用效果。此外，糖醇螯合肥的结构特性也是导致肥效存在差异的重要因素[79]，如糖醇螯合肥的养分组成会影响营养元素间的交互作用，螯合强度会影响养分释放的难易程度，螯合率则会影响作物对养分的吸收效率等，后续应加强对此方面的研究，以探明肥料自身性质与肥效之间的相关关系，促进螯合肥品质的提升。
4.2 养分吸收转化机理不明糖醇螯合肥的作物吸收过程不清。不同于游离态矿质元素，糖醇螯合肥中元素以螯合态形式存在，作物对其吸收过程可能会因此不同。同时，虽诸多研究表明糖醇螯合肥可促进作物对养分的吸收，但由于目前研究中施用的糖醇螯合肥多为混合物，且未经螯合的糖醇和无机盐混合物同样能够提高作物体内养分含量[19，80]，因此，难以明确是糖醇或络合不完全的混合物还是完全络合的螯合物对植株生长起到关键促进作用[75]，而利用完全螯合的糖醇螯合肥展开试验则是解决上述问题的基础和关键。
糖醇螯合肥的迁移转化途径不明。糖醇及钙、镁等元素在植物体内的迁移转化机制已有深入研究，但糖醇螯合物被植株吸收后的迁移转化途径尚无定论。李玉鹏等[64]通过对花生各部位钙元素含量进行分析，间接证明喷施糖醇螯合钙可促使钙素从花生地上部分向地下部分迁移，但此过程中钙素形态变化、迁移机制等问题并未解决。此外，由于糖醇螯合态矿质元素与某些以糖醇为光合产物的植物体内元素存在形式类似，因此，糖醇螯合物被这类植物吸收后是否可直接被代谢消耗，以及在其他以蔗糖为同化产物的植物中的代谢过程是否与之相同等问题仍需深入探讨。
4.3 生态效应不明糖醇螯合肥对土壤环境影响不明。当前研究侧重于糖醇螯合肥带来的作物效应，却较少关注其对土壤生态系统产生的影响。施用糖醇螯合肥后，土壤中养分盈亏、根际微生物群落结构及土壤酶活性等的变化状况均为未来研究的重点内容。加强对糖醇螯合肥的土壤效应研究能够明确糖醇螯合物对土壤环境的生态影响及其在土壤-植物系统中的迁移特征，便于深入推进糖醇螯合肥的肥效机理分析。此外，糖醇螯合物对土壤中主要矿质营养元素及重金属是否具有活化作用，其吸附与解吸附的作用机制等尚需研究探讨。
糖醇螯合肥对微生物生态影响不明。植物根际和叶际附着大量的微生物，其与植物之间存在复杂的交互作用，影响植物的生长发育。糖醇作为一种优质碳源可能会被某些根际、叶际微生物吸收利用，导致群落结构发生变化，进而影响植物代谢过程[81-82]，但目前并未发现有关糖醇螯合肥对此类微生物的影响研究，因此，施用糖醇螯合肥是否对其生命活动、群落结构及作物-微生物交互作用等造成影响尚待探究。
此外，植物在生态系统中的作用是将无机碳转换为有机碳参与物质循环，而糖醇同样能够为植物提供有机碳营养，外源施加糖类物质是否导致植物功能丧失亦值得深思[83]。
4.4 研发力度欠缺糖醇螯合肥的螯合机理未知。研究中使用的糖醇螯合肥大多采自市场或实验室自行合成，螯合工艺未知，尽管已有部分产品的合成工艺通过专利的形式呈现，但未涉及糖醇螯合的螯合机理及产物的螯合强度等。Kutus等[84]以及Teichert和Ruck[85]曾对某些糖醇螯合物的反应条件进行了详细的探究，但由于糖醇和无机盐的种类繁多，不同反应条件生成的螯合产物在螯合强度、结构构型等方面存在一定差异，导致糖醇螯合物螯合机理研究进展缓慢，螯合反应历程不明确，其产物构型也需要采用有效手段进一步表征分析[86]。
糖醇螯合肥的检测手段欠缺。螯合物的分离提纯是其定性和定量分析的基础，但目前常见的分离提纯技术多应用于氨基酸螯合物，少见适用于糖醇螯合物的检测方法[87]。本课题组[88-89]对简单螯合体系开发的糖醇螯合物提出了有效的分离提纯及螯合率检测方法，但此方法的建立基于糖醇与硝酸盐合成的螯合产物，是否具有普适性需要进一步的探究。市售产品鱼目混珠，甚至某些“糖醇螯合肥”仅对糖醇与无机盐进行了简单混合，成分组成复杂、原料与反应产物并存等问题严重影响糖醇螯合肥的肥效试验与机理分析，因此，探究适用性更广的分离提纯和螯合率测定方法是未来研究需要攻克的重点与难点。
5 结语肥料的绿色发展是实现农业可持续发展的必由之路，糖醇螯合肥利用率高、生态环境友好等特点符合当前农业生态文明建设需求，但其在研发和应用方面仍存在诸多问题亟需解决。后续研究应重点关注种植面积较广的粮食作物，深入探究影响糖醇螯合肥肥效的内外因素，借助同位素标记、基因工程等技术手段明确糖醇螯合物在作物体内的迁移转化过程及对土壤环境、根际与叶际微生物的生态效应，以便科学地指导农业生产活动，进一步提高肥料利用率。同时，也应当加强糖醇螯合肥螯合机理研究，寻求具有普适性的分离提纯方法，结合扫描电镜、红外光谱等表征手段对螯合产物进行构型分析，并通过相应的肥效研究强化糖醇螯合肥自身特性与作物响应间的联系，推进糖醇螯合肥的研发与应用。
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