《Science of The Total Environment》：Chitosan-based biostimulants for improving soil health, water and nutrient availability
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壳聚糖基生物刺激剂通过刺激微生物活性与有益共生关系，改善土壤结构、保水能力和养分循环，同时增强植物抗逆性及养分吸收效率，为可持续农业提供环保替代方案。
鲁拉拉·塞贝里·里塞（Roohallah Seberi Riseh）、马苏梅赫·瓦坦卡哈（Masoumeh Vatankhah）、莫哈德塞·哈萨尼萨迪（Mohadeseh Hassanisaadi）、亚斯娜·坎达尼（Yasna Khandani）、尤里·A·斯科里克（Yury A. Skorik）
伊朗拉夫桑詹（Rafsanjan）瓦利-埃-阿斯尔大学（Vali-e-Asr University of Rafsanjan）农业学院植物保护系，邮编7718897111
摘要
基于壳聚糖的生物刺激剂因其在改善土壤健康和优化农业系统中养分吸收方面的潜力而受到广泛关注。壳聚糖是一种从几丁质中提取的天然多糖，具有生物降解性、生物相容性和促进植物生长的特性，使其成为改善土壤健康的理想候选物质。基于壳聚糖的生物刺激剂与土壤微生物相互作用，激发其活性并促进有益的共生关系。这种相互作用增强了养分循环，改善了土壤结构，并提高了土壤的保水能力。此外，基于壳聚糖的生物刺激剂还能促进根系发育，增加养分溶解度，并促进离子交换，从而提高养分吸收和利用效率。通过提高养分的有效性，这些生物刺激剂可以提高作物产量并减少化肥的使用。除了对土壤健康和养分吸收的影响外，基于壳聚糖的生物刺激剂还显示出缓解生物和非生物胁迫的潜力。它们通过改善水分和养分的可用性、增强抗氧化防御机制以及调节应激响应基因来帮助植物应对胁迫。尽管基于壳聚糖的生物刺激剂的好处显而易见，但仍需进一步研究以优化其效果并确保其长期使用的安全性。本综述重点介绍了基于壳聚糖的生物刺激剂在农业系统中的作用，特别是其在应对生物和非生物胁迫以及改善土壤健康方面的作用。
引言
土壤健康是指土壤在维持环境质量的同时支持植物生长的能力。土壤健康由其物理、化学和生物特性决定，是实现可持续和环保农业生产力的基础（M. Tahat等人，2020年）。健康的土壤通过提供必需养分和促进植物生长来滋养植物。它还提供稳定的水分供应，促进根系与大气之间的有效气体交换，并为植物提供支撑（Tariq等人，2022年）。养分吸收是植物通过根系从土壤中吸收必需元素的过程。土壤中养分的可用性受多种因素影响，包括土壤质地、有机质含量、pH值以及有助于释放养分的微生物的存在。植物根系可以以离子形式吸收养分。对植物生长最重要的养分是氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）和硫（S）。其他微量元素（铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）、铜（Cu）、硼（B）、钼（Mo）和氯（Cl）也需要，但需求量较小。除了养分可用性外，土壤压实、积水和高盐度也会影响植物的养分吸收。因此，保持健康的土壤条件对于植物的最佳生长和养分吸收至关重要（Bar?óg等人，2022年）。为了促进植物生长和防止病虫害，越来越多地使用化学肥料和农药，这对土壤健康产生了负面影响（Okey-Onyesolu等人，2021年）。然而，作为应对这一紧迫问题的解决方案，生物刺激剂受到了广泛关注（Bhupenchandra等人，2022年；Krasilnicov和Taboada，2022年）。
生物刺激剂是施用于植物或土壤中的物质或微生物，旨在促进植物生长和发育。与肥料不同，生物刺激剂本身不含植物生长所需的养分。相反，它们通过改善土壤健康、刺激植物生理过程以及提高植物对生物和非生物胁迫的耐受性来发挥作用（Du Jardin，2015年）。通过生物刺激剂改善土壤健康可以触发多种生理过程，提高养分利用效率，加速植物生长，并减少化肥的使用（Loconsole等人，2023年）。除了提高植物对养分的吸收外，经过生物刺激剂处理的土壤还能提高保水能力，增加土壤微生物和酶的活性，提高微量元素（尤其是铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）和铜（Cu）的移动性和溶解度，改变植物根系结构，特别是根长、根密度和侧根数量，增加Fe(3)-螯合还原酶、谷氨酰胺合成酶和硝酸还原酶的活性（Ali等人，2021年；Kumari等人，2022年）。此外，生物刺激剂还能通过增强植物的自然防御机制帮助植物更好地耐受干旱、盐碱和极端温度等非生物胁迫（Surano等人，2022年）。图1展示了生物刺激剂在改善土壤健康、促进植物生长和增强胁迫耐受性方面的作用。
生物刺激剂通常来源于天然物质，可以通过推广可持续农业实践来减少农业对环境的影响（Mandal等人，2023年）。多种类型的生物刺激剂可以改善土壤健康和养分吸收，包括腐殖酸、富里酸、海藻提取物、氨基酸、蛋白质水解物、植物提取物、亚磷酸盐、植物激素、硅基材料、几丁质和壳聚糖等非微生物生物刺激剂，以及促进植物生长的根际细菌（Bacillus属、Pseudomonas属、Trichoderma属）和丛枝菌根真菌等微生物生物刺激剂（Hassanisaadi，2025b；Moradi Pour等人，2022年；Saberi Riseh等人，2023b；Shahrajabian等人，2021年；Tariq等人，2022年）。研究表明，以自由形式或使用生物聚合物等不同载体施用这些生物刺激剂可以促进植物生长（Hassanisaadi，2025a；Hassanisaadi等人，2021年）。
基于壳聚糖的生物刺激剂作为一种潜在的解决方案，正在被用于改善植物土壤健康和养分吸收（Nardi等人，2002年）。它们通过促进微生物活性和提高植物养分可用性来刺激植物生长并增强植物对非生物和生物胁迫的防御机制。研究表明，基于壳聚糖的生物刺激剂可以增加氮（N）、磷（P）和钾（K）等必需养分的吸收，从而提高植物生长和产量（Rafiee等人，2016年）。此外，基于壳聚糖的生物刺激剂还能改善土壤结构和保水能力，从而减少土壤侵蚀并提高植物的水分利用效率。它们还可以通过产生抗菌化合物和诱导系统获得性抗性来增强植物对病原体和害虫的抵抗力（Saberi Riseh等人，2022a）。基于壳聚糖的生物刺激剂为改善土壤健康和植物养分吸收提供了有前景的解决方案。它们环保且可持续，有助于减少对合成肥料和农药的需求。
本综述旨在评估基于壳聚糖的生物刺激剂在改善农业系统土壤健康和养分吸收方面的效果。通过了解基于壳聚糖的生物刺激剂与土壤和植物之间的相互作用机制，我们希望为其作为可持续解决方案的潜力提供有价值的见解，同时尽量减少农用化学品对环境的影响。最终，本研究的结果将有助于开发创新策略，以优化土壤健康和养分吸收，从而促进更加可持续和有韧性的农业实践。
节选内容
基于壳聚糖的生物刺激剂的好处
作为一种生物刺激剂，壳聚糖因其独特的性质（包括无毒、可生物降解性和生物相容性）而逐渐被认可为传统肥料和农药的有效且可持续的替代品，可用于促进植物生长和生产力（Picos-Corrales等人，2023年）。壳聚糖是一种天然来源的生物聚合物，由几丁质衍生而来，由β-(1-4)-连接的D-葡糖胺和N-乙酰-D-葡糖胺单元组成（Kritchenkov等人）基于壳聚糖的生物刺激剂在农业中的应用和效果
基于壳聚糖的生物刺激剂因其改善土壤健康和促进植物生长的潜力而受到关注。可以使用多种方法施用这些生物刺激剂，包括叶面喷施、种子处理、土壤浸泡和灌溉。叶面喷施是最常见的施用方法，即将壳聚糖溶液喷洒在植物叶片上，从而提高养分吸收和其他有益化合物的吸收。基于壳聚糖的生物刺激剂的机制和作用方式
基于壳聚糖的生物刺激剂的作用机制多种多样，涉及多个过程。研究表明，这些生物刺激剂对植物具有多种生理、生化和生长效应（Nardi等人，2002年）。施用壳聚糖可以增强参与种子萌发的多种酶的活性，如α-淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶（Bahri等人，2022年）。基于壳聚糖的生物刺激剂（如生长素、细胞分裂素和赤霉素）还可以调节商业可行性、可扩展性和市场前景
基于壳聚糖的生物刺激剂从研究到广泛农业实践的转化取决于其商业可行性和可扩展性。市场上已经有多种商业产品，这些产品利用壳聚糖的诱导特性来促进作物生长和增强防御能力。壳聚糖通过提供有效的、化学成分较低的采后保护措施证明了其商业价值。例如，（Obianom和Sivakumar，2021a）研究表明，联合使用挑战与未来方向
尽管基于壳聚糖的生物刺激剂具有巨大潜力，但仍面临一些挑战。主要挑战之一是壳聚糖生产和应用方法的标准化程度不足。壳聚糖的质量和特性可能因来源和提取方法的不同而有所差异，从而影响其作为生物刺激剂的效果。现代植物生物刺激剂的监管框架要求提供明确的安全性、质量和功能声明，制造商必须提供相关证明结论
总之，基于壳聚糖的生物刺激剂在改善土壤健康和植物养分吸收方面具有巨大潜力。凭借其独特的性质，如提高保水能力、增强微生物活性和促进根系生长，基于壳聚糖的生物刺激剂可以帮助提高植物生长和产量，同时减少对合成肥料和农药的需求。使用基于壳聚糖的生物刺激剂为农业提供了一种可持续、环保的方法
CRediT作者贡献声明
鲁拉拉·塞贝里·里塞（Roohallah Seberi Riseh）：可视化、验证、监督、研究、概念化。马苏梅赫·瓦坦卡哈（Masoumeh Vatankhah）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写。莫哈德塞·哈萨尼萨迪（Mohadeseh Hassanisaadi）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、研究、概念化。亚斯娜·坎达尼（Yasna Khandani）：初稿撰写。尤里·A·斯科里克（Yury A. Skorik）：撰写——审阅与编辑、研究。
