《Cell Reports Sustainability》：Harnessing soil algae for climate-smart agriculture
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土壤退化、养分流失和气候压力持续威胁农业可持续发展。尽管土壤藻类早已被认定为生物肥料（biofertilizer）和生物刺激素（biostimulant），但在主流农业中仍未得到充分利用。本展望文章（perspective）认为，气候智慧农业（c
摘要专业翻译
土壤退化、养分流失和气候压力持续威胁农业可持续发展。尽管土壤藻类早已被认定为生物肥料（biofertilizer）和生物刺激素（biostimulant），但在主流农业中仍未得到充分利用。本展望文章（perspective）认为，气候智慧农业（climate-smart agriculture, CSA）作为一个旨在协同提升农业生产力、韧性和减排能力的框架，为发挥土壤藻类在这三大支柱中的多功能作用提供了实现途径。实证证据表明，土壤藻类应用可通过养分供应和生物刺激素活性提高作物产量，并支持部分替代合成氮肥；同时，藻类通过胞外多糖（exopolysaccharides, EPSs）及其他代谢产物改善土壤结构、增强保水能力和胁迫耐受性。两个切实可行的部署场景包括：退化旱地（degraded drylands）的生态恢复，以及低投入农业系统的整合应用。然而，大规模推广受限于采收成本、制剂化（formulation）挑战、货架期（shelf-life）问题以及长期田间数据的缺乏。推进经济高效的生产技术和严谨的多年期试验是克服这些障碍的关键。
论文解读文章
一、研究背景与科学问题
全球农业正面临气候变化、人口增长、自然资源退化和社会经济不平等多重压力的叠加冲击，导致土壤肥力下降、水资源短缺以及干旱、洪涝和热浪等气候冲击暴露度增加，严重威胁农业生产力和粮食安全。在此背景下，气候智慧农业（climate-smart agriculture, CSA）应运而生，旨在同时提升农业生产力、增强土壤与作物韧性并减少温室气体（greenhouse gas, GHG）排放。CSA框架中的韧性不仅指简单的胁迫耐受，而是从生态韧性视角出发，涵盖两个互补组分：抵抗能力（resistance），即土壤-植物系统在干旱、盐碱、淹水或养分胁迫等扰动期间维持生物学和物理化学功能的能力；以及恢复能力（recovery），即扰动消退后系统恢复土壤结构、微生物活性、养分循环和作物生产力的能力。
与生物经济（bio-based economy）战略相呼应，生物土壤改良剂（biological soil amendments, BSAs）——包括堆肥、粪肥、生物炭、微生物生物肥料和微藻基制剂——成为连接CSA与循环经济的关键枢纽。其中，土壤藻类（微藻和蓝藻）基生物肥料因其兼具养分输送和生物刺激功能而尤为突出：它们供应大量元素（氮和磷）、微量元素以及胞外多糖（exopolysaccharides, EPSs）和吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid, IAA）等生物活性化合物，可提高养分利用效率、促进植物生长并改善土壤结构。
然而，尽管前景广阔，藻类生物肥料在CSA实施中仍处于被低估和未充分利用的状态，主要障碍包括生产成本高、采收能耗大、货架期有限以及田间表现不稳定。更重要的是，现有应用大多未经过战略优化以在CSA三大支柱（生产力、韧性、减排）上产生可量化的成果。研究人员因此提出一种新的定位方式：不再将土壤藻类仅仅视为替代性生物肥料产品，而是将CSA视为一个使能系统框架，在技术创新、管理策略、经济可行性和政策支持的协同下，识别并发挥藻类更广泛的生态功能。通过将土壤藻类的多功能角色明确映射到CSA三大支柱及可持续发展目标15（SDG 15）相关子目标，该框架将这些生物体定位为被忽视的生态工程师，能够同时支持农业生产力、强化农业生态系统韧性并助力气候变化减缓，特别是在退化、干旱和低投入农业系统中。
二、研究内容与主要结论
研究人员系统梳理了土壤藻类在CSA框架中的多重机制角色，涵盖活体生物量、干燥/死亡生物量、藻类提取物（生物刺激素）和综合应用四种主要施用模式，并绘制了各功能角色与CSA三大支柱之间的证据强度矩阵。主要发现包括：活体生物量通过生物固氮（biological nitrogen fixation）、磷溶解、光合碳固定和易分解有机碳输入贡献于生产力支柱；干燥生物量通过渐进性养分矿化和有机质输入发挥作用；藻类提取物主要通过植物激素（如IAA、细胞分裂素和赤霉素）、氨基酸、维生素和酶等生物活性代谢物刺激根系发育、养分吸收和作物品质提升。在韧性支柱方面，活体藻类产生的EPS可改善土壤团聚体形成与稳定性、提高持水能力并创造微生物栖息环境，从而增强土壤对干旱、盐碱、侵蚀等环境胁迫的抵抗能力；干燥生物量和提取物则通过有机质添加、土壤化学调节、有益微生物群落刺激、抗氧化活性和渗透保护等机制贡献于胁迫耐受。在减排支柱方面，活体生物量通过光合CO2固定和生物固氮直接贡献，而干燥生物量和提取物则通过提高养分利用效率、循环利用废水或农业残留物中回收的养分来减少对合成肥料的依赖，从而降低养分损失和N2O排放并增强土壤碳封存。
研究人员进一步分析了两个具有田间证据支持的核心部署场景。场景一为退化旱地土壤恢复：利用耐干燥蓝藻（如Scytonema javanicum、Phormidium ambiguum和Nostoc属菌株）进行田间接种，通过藻类丝状生长和富含糖醛酸及硫酸基团的阴离子EPS桥接土壤颗粒，使大团聚体稳定性提高20%–350%，侵蚀减少最高达98%，并提升土壤碳氮含量。场景二为低投入水稻系统：在稻田中利用Nostoc或Anabaena进行蓝藻化处理（cyanobacterization），与堆肥联合施用，在减少化学氮投入的同时维持可持续产量。
在系统就绪度评估方面，研究人员开发了半定量热图，从技术成熟度、可扩展性、温室气体减排、成本竞争力和政策一致性五个维度评估藻类生物肥料的CSA可部署性。分析显示，废水培养藻类结合太阳能或低能耗跑道池（open raceway pond, ORP）的研究在温室气体减排和技术成熟度方面具有高就绪度，但可扩展性和成本竞争力在多数情况下仍处于中低水平。值得注意的是，藻类生物肥料较慢的养分释放动力学虽然可能造成与作物需肥高峰的同步性不足，但通过优化配方、施用时机和与现有施肥实践的整合可以有效解决。例如，藻类肥料以渐进近线性模式释放63.5%的总氮和25%的磷，而合成肥料在4周内释放全部氮；优化后的藻类-合成肥料混合配方可恢复养分同步性、维持作物生产力并将氮淋溶降低54%。
三、关键技术与方法
研究人员采用的主要方法包括：（1）结构化文献检索与筛选，基于PRISMA框架在Scopus、Web of Science核心合集和Google Scholar中检索，检索词组合涵盖“微藻”“蓝藻”“藻类生物量”“生物肥料”“生物刺激素”“土壤健康”“气候智慧农业”和“SDG 15”等；（2）证据主题分类，将纳入文献按五个创新领域（生物量生产、采收与干燥、货架期与活力延长、载体技术、成本与能源优化）和三个功能类别（养分供应、生物刺激、综合功能）进行两级分类；（3）CSA支柱证据映射，以作物产量、养分利用效率、土壤性质改善、微生物多样性、土壤有机碳变化、温室气体排放和养分损失预防等指标评估各功能类别对三大支柱的贡献；（4）证据相关性评分，采用三分制框架（3=高相关性，2=中等相关性，1=低相关性），基于田间规模研究的数量与一致性、证据类型（田间vs.盆栽/温室）以及直接性进行评分；（5）数据可视化，使用Python 3.11生成热图、概念流图和径向网络图，以保持文献证据、主题分类、相关性评分与最终图形输出之间的可追溯性。
四、研究结果
藻类生物量作为生物肥料：藻类生物量作为直接养分来源是藻类在农业中最成熟的应用，与CSA生产力支柱强对齐，与韧性和减排支柱中等对齐。在生产力方面，藻类生物量供应大量和微量元素、提高养分利用效率，并通过生物固氮和磷活化支持作物生长。研究表明合成氮肥因挥发、淋溶和反硝化可损失施用氮的50%–60%，而藻类肥料渐进释放氮可最大限度减少此类损失。在稻田系统中，Nostoc carneum和N. commune接种配合50%推荐无机氮肥可使产量较全化学处理提高13.9%–22%。在韧性方面，藻类生物量通过EPS合成提高土壤有机质含量、增强保水能力、缓冲pH波动并支持土壤微生物多样性。在减排方面，藻类生物量可减少对高能耗合成肥料的依赖、循环利用废物流中回收的养分并贡献有机碳输入，生命周期评估（life-cycle assessment, LCA）显示废水培养微藻生物肥料在11项环境指标中的10项优于无机肥料。
藻类作为生物刺激素：微藻和蓝藻产生多种促进植物生长、土壤健康和胁迫耐受的化合物，该角色与CSA韧性支柱强对齐，与生产力支柱中等对齐，与减排支柱弱对齐。藻源植物激素如IAA刺激根系发育、增加根表面积并提高养分吸收效率；EPS生产促进土壤团聚、增加持水能力和改善微生物栖息质量。产EPS蓝藻如Nostoc属、Scytonema属和Phormidium属的提取物在缺水环境中改善土壤团聚、提高持水能力（通过EPS结合颗粒）并增强抗侵蚀/抗干燥能力，同时通过渗透保护剂和抗氧化代谢物缓解干旱胁迫。藻类提取物还表现出生物保护作用：Anabaena variabilis在体外抑制Rhizoctonia solani和Xanthomonas oryzae，猪场废水培养的Tetradesmus obliquus、Chlorella protothecoides和C. vulgaris抑制病原真菌Fusarium oxysporum的生长。
藻类生物量与生物刺激素的综合应用：将藻类生物量同时作为肥料和生物刺激素综合使用，在CSA三大支柱间展现出最均衡的贡献潜力。综合应用可提供即时养分供应、刺激植物生理响应、改善土壤健康并支持长期碳封存。协同效应体现在养分输送、根系刺激和微生物活化之间的相互作用上：S. platensis或C. vulgaris与有机改良剂（如牛粪）混合施用较单一组分产生更高的洋葱产量；Anabaena cylindrica与Azospirillum brasilense共施于玉米时，生长和产量均优于单独接种。综合生物肥料-生物刺激素系统与减排目标的对齐最为紧密，因其结合了养分循环、合成肥料需求降低、养分保留增强和土壤碳输入增加等多重路径。
生物与技术创新瓶颈：研究人员识别了限制土壤藻类大规模部署的关键约束。在生物约束方面，大规模藻类培养易受病毒、细菌病原体和竞争性真核藻类的生物污染；藻类生产力因物种和培养系统差异显著，室外跑道池年产量（约30–40 t ha?1 year?1）远低于实验室基准（>100 t ha?1 year?1）；微藻生物量氮含量变化范围1%–10%，若按推荐剂量208 kg N ha?1施用需3.1 t ha?1的微藻生物量，在农艺和经济上具有挑战性。在生物活性变异性方面，蓝藻EPS通常是含有6–13种不同单糖的复杂杂多糖，富含糖醛酸（5%–25%或更高）和硫酸基团（1%–10% w/w），赋予其强阴离子特性、高黏度和优异的与土壤矿物及多价阳离子的螯合/桥接能力；而真核微藻EPS通常是较简单的杂聚物（3–8种单糖），糖醛酸（0%–15%）和硫酸盐含量较低，倾向于短期絮凝和养分螯合而非长期结构强化。在循环培养风险方面，利用受污染水源培养藻类可能导致重金属在生物量中积累并转移至土壤和食物链，但适当的水源选择和质量保证措施可有效管理这些风险。在技术与经济可行性方面，采收和干燥是主要能源消耗环节（占许多系统下游成本的约80%），自絮凝或生物絮凝可将采收能耗从离心法的3.3 kWh m?3降至0.18 kWh m?3，太阳能干燥可将干燥能耗从冷冻/喷雾干燥的22–45 kWh kg?1降至0.01–0.1 kWh kg?1。技术就绪度方面，大多数培养平台（跑道池）处于高就绪水平（TRLs 8–9），而微囊化、聚合物包埋载体或多菌株联合体等创新处于中等就绪水平（TRLs 4–7），基因工程方法则处于早期阶段（TRLs 2–4）。
创新使能路径：研究人员识别了五个关键创新领域——生物量生产效率、采收与干燥、货架期与活力延长、载体技术、成本与能源优化——并评估了它们对CSA三大支柱的贡献。在生物量生产方面，半连续培养通过定期采收和补充培养物来缓解自遮蔽导致的生物量损失；光照优化（调整光周期或光/暗循环）可在不产生过度能源成本的情况下最大化光合效率。在采收与干燥方面，自絮凝利用pH变化或与自絮凝菌株共培养增强沉降，减少对化学添加剂的依赖；太阳能干燥提供低成本、低碳选项并保持生物活性。在货架期方面，Nannochloropsis属的微囊化在铝箔包装（0.1 mm厚度）中于23°C和75%相对湿度下储存可将货架期从低密度聚乙烯包装的0.93个月延长至8.14个月；蓝藻在高琼脂BG 11培养基上空气干燥可保存3年并成功再生。在载体技术方面，蛭石、椰糠和珍珠岩等替代载体可增强接种蓝藻在土壤中的定殖和存活长达20周；黏土基载体在2年内实现50%–65%的微生物存活率。在成本与能源优化方面，利用营养丰富的废水作为培养介质可将生产成本降低约30%–50%；在优化条件下（重力沉降和重力/太阳能干燥床），该过程将气候变化影响降低最高52.56%，并实现负水足迹。
知识空白与农业生态不确定性：研究人员指出，大量报告的产量提升（7%–27%）和土壤健康指标来自盆栽或小地块实验，长期（≥3年）、多点、跨农业生态区的田间试验仍然有限。证据在淹水或稻田系统中最为充分（蓝藻接种具有历史先例），而在雨养旱地、高山系统和半干旱农业生态系统中的验证相对稀缺。藻类生物肥料与现有除草剂制度的兼容性需要系统评估，因为非靶标效应可能降低藻类存活率或有效性——藻类具有光合作用并与高等植物共享某些生理特征，可能比其他微生物接种剂对除草剂损伤更敏感。
五、讨论与结论
讨论部分的核心观点是，藻类生物肥料和生物刺激素能够在CSA框架内通过生产力、韧性和减排三大支柱解决可持续土壤管理的关键缺口。土壤藻类的贡献涵盖渐进性养分输送和生长促进（生产力）、EPS介导的土壤物理性质改善和胁迫抗性增强（韧性），以及降低合成投入使用和增强土壤碳（减排）。综合制剂和情境特定策略——如用于退化土地的载体保护接种剂或水稻系统中的共施方案——展示了可行的推进路径。研究人员强调，CSA不仅仅是一套实践，更是一个综合使能框架，可通过多条渠道积极推动藻类生物肥料的规模化采用：CSA对齐政策（如澳大利亚的减排基金和欧盟绿色新政土壤健康倡议）已奖励增加土壤有机碳和减少养分径流的实践；国家CSA项目和土地恢复资助机制可支持从试点到规模的过渡；通过农民合作社、推广服务和土壤健康监测计划的实施路径可将藻类生物肥料整合到现有咨询体系中，降低与知识差距和风险认知相关的采用障碍。
结论部分指出，土壤藻类应被定位为针对性、情境特定的投入物，而非合成肥料的普适替代品，需整合到更广泛的土壤健康和养分管理战略中。优先推进领域包括：（1）长期田间规模试验，量化产量稳定性、土壤有机碳动态和温室气体通量；（2）跨培养系统和规模的比较生命周期成本与能源分析；（3）针对旱地适应、除草剂耐受和低水分持续性的菌株筛选；（4）开发多功能、低成本载体，同时增强微生物存活和土壤物理韧性；（5）使用标准化监测指标将藻类生物肥料纳入国家土壤碳核算和CSA政策计划。研究人员最后强调，从实验验证到景观尺度部署的过渡需要协调的多点、长期试验，整合农艺、生态和温室气体指标，CSA在此过程中不仅作为分类框架，更作为负责任扩展的使能架构，将创新、环境保障、经济可行性和政策整合于一体。
