《Journal of Plant Nutrition and Soil Science》：Microbial and Non-Microbial Biostimulants for Soil Health in Managed Agricultural Systems: A Scientometric Analysis of Bioinputs From 2021 to 2025
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背景：生物刺激素及相关生物投入品涵盖微生物与非微生物策略，用于改善植物表现、养分利用效率、逆境耐受性及土壤功能。
目的：在本研究中，植物生物刺激素被操作性定义为：用于提高养分利用效率、非生物逆境耐受性和/或作物品质的物质或微生物，其作用独立于直接养分含量。
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背景：生物刺激素及相关生物投入品涵盖微生物与非微生物策略，用于改善植物表现、养分利用效率、逆境耐受性及土壤功能。
目的：在本研究中，植物生物刺激素被操作性定义为：用于提高养分利用效率、非生物逆境耐受性和/或作物品质的物质或微生物，其作用独立于直接养分含量。
方法：研究人员利用Web of Science核心合集（Web of Science Core Collection）并采用基于主题的广泛检索策略，绘制了2021至2025年间可持续农业中相关技术的全球科研产出图谱，最终获得包含1400篇文献的语料库。分析采用Bibliometrix/Biblioshiny及VOSviewer软件完成。
结果：与生长相关的主题在数量上仍占主导地位（"growth"出现258次，"plant-growth"出现229次，"yield"出现210次），而出现频率较低但更近期的主题，如"quality"、生物炭（biochar）及根际微生物组（rhizosphere microbiome），则表明研究主题呈现多样化趋势，而非对以生产力为导向的研究的替代。微生物接种剂（包括PGPR/PGPM）构成重要组成部分，而腐殖质、海藻源投入品及混合制剂则拓展了生物刺激素的研究版图。生物炭和有机残留物在与生物刺激素策略共现时被解读为相关土壤改良剂或制剂载体，而非自动归类为生物刺激素。
结论：总体而言，当前研究日益将养分利用效率、土壤健康、微生物组管理以及微生物与非微生物技术的作物特异性组合加以整合。
论文解读
一、研究背景与问题
全球人口持续增长带来的粮食安全需求，叠加气候变化与生态系统退化的大背景，使现代农业面临严峻挑战。矿物肥料在维持作物生产力方面不可或缺，但过度或失衡的投入可能导致土壤酸化、养分流失及其他环境问题。因此，可持续性的关键并非彻底替代矿物肥料，而是在综合养分管理策略中实现高效且因地制宜的利用。
在此背景下，生物刺激素（biostimulants）及相关生物投入品（bioinputs）被视为均衡作物营养的补充手段，而非矿物养分的普遍替代品。除固氮微生物在适宜作物-土壤条件下可贡献生物固氮外，大多数生物刺激素并不以足以替代施肥的数量提供必需养分，而是通过改善养分获取、养分利用效率、植物代谢或逆境耐受性发挥作用。已有研究多聚焦于特定功能领域，但微生物接种剂、非微生物生物刺激素、相关土壤改良剂与先进制剂技术共存的整合性科学计量图景尚未得到充分关注。因此，研究人员旨在绘制2021至2025年间微生物与非微生物生物刺激素及相关生物投入品在维持、恢复和改善土壤质量方面的主要科学趋势与创新，并考察其与作物韧性、养分利用效率及可持续管理的关联。
二、研究设计与主要技术方法
该研究基于Web of Science核心合集数据库，于2026年5月12日执行主题检索（Topic Search），检索式涵盖"bioinput"、"biostimulant"、"microbial inoculant"等描述符与土壤功能相关术语的组合。初始获得3574条记录，经时间范围（2021–2025）、文献类型（论文与综述）、开放获取及语言（英语和西班牙语）的逐级筛选，最终纳入1400篇文献。分析采用两个互补工具：R/RStudio环境下的Bibliometrix/Biblioshiny用于统计分析与科学图谱绘制，包括年度发文趋势、国家产出、来源期刊与作者指标及引文测度；VOSviewer 1.6.20用于关键词共现、作者/机构/国家合著关系及文献关系的网络可视化。
三、研究结果
3.1 研究的时间演变
2021至2025年间，该领域年度发文量从157篇快速增长至501篇（R2=0.86），篇均被引次数从7.96降至1.76，后者与近期文献引文窗口较短一致。空间分布显示研究产出高度集中于亚洲，中国（911篇）和印度（511篇）为全球主要知识生产热点，美国（253篇）、巴西（229篇）、墨西哥（135篇）等构成次级中心。国际合作网络高度连通，中国和印度作为主要协调枢纽，与巴基斯坦、沙特阿拉伯、澳大利亚和美国形成密集合作流。
3.2 地理分布与科学合作
来源期刊图谱显示高度互联的知识基础，涵盖微生物学、土壤肥力、植物生理学与作物管理。《Agronomy》和《Frontiers in Microbiology》各发表82篇，《Plants》累计被引最高（2443次）。合著网络以Babalola, Olubukola Oluranti为最大节点，Hungria, Mariangela、Khuong, Nguyen Quoc、Meddich, Abdellilah及Sayyed, R. Z.等构成其他主要合作枢纽。国家网络中，中国文献量最大（295篇），印度累计被引最高（5853次）。机构层面，King Saud University（38篇，580次被引）和中国农业科学院（31篇，772次被引）为重要节点。
3.3 Bradford定律与高影响力文献
Bradford分析显示文献高度集中于小型期刊核心区（R2=0.9981），8种期刊（占来源2.1%）贡献了478篇文献（占产出34.1%）。核心期刊包括《Agronomy》、《Frontiers in Microbiology》、《Plants》、《Microorganisms》、《Frontiers in Plant Science》、《Agriculture》、《Plant Science Today》和《Horticulturae》，涵盖微生物生态学、植物生理学、可持续管理、园艺学与生物投入品研究。文献网络识别出Ahluwalia等（2021）、Kumar等（2022）、Ozimek（2020）、Gamage等（2023）和O'Callaghan等（2022）为核心参考文献，连接逆境缓解、养分循环、生物肥料技术、微生物多样性与可持续性等主题。高被引文献聚焦五大功能领域：非生物逆境缓解、生物肥料开发与制剂、有益微生物功能多样性拓展、植物微生物组工程及农业可持续性。
3.4 研究的概念框架
关键词共现分析揭示微生物与非微生物生物刺激素研究间紧密互联的结构，"growth"、"rhizosphere"、"stress"、"compost"和"biostimulants"为中心术语。时间叠加显示biochar、quality、compost、biostimulants和management等术语的平均出现时间晚于colonization、endophytic bacteria、nodulation等菌株层面主题。趋势主题分析表明生产力相关术语仍占数量主导："growth"出现258次、"plant-growth"229次、"biofertilizer"216次、"yield"210次，而较新术语如"quality"（104次）、biochar（54次）和"rhizosphere microbiome"（33次）频率较低。主题图谱将"growth"、"biofertilizer"和"yield"置于基础主题区，"plant growth"、"sustainable agriculture"和"rhizosphere"接近驱动主题象限，"biostimulants–stress–wheat"簇构成专门化生态位。多重对应分析识别出三个互补领域：以根际、根际细菌和固氮为中心的微生物互作域；连接产量、biochar、生物肥料、生物刺激素和丛枝菌根真菌的管理域；以及连接干旱、盐度、耐受性和腐殖质的逆境韧性域。主题演变显示2021–2022年侧重植物生长、多样性和干旱逆境，2022–2023年生物肥料研究巩固并出现废水相关循环经济主题，2024–2025年"biostimulants"扩展并持续与生长和生物肥料研究保持关联。
3.5 研究领域与新兴趋势
研究已通过整合农业、植物科学、土壤科学、微生物学、环境科学与生物技术的多学科框架演进。微生物接种剂仍是核心研究轴线，而腐殖质和海藻源产品等非微生物生物刺激素越来越多地出现在针对养分利用效率和作物韧性的研究中。在植物与土壤科学中，全生物体（holobiont）概念强化了对植物相关微生物群落的关注，土壤健康研究同时强调biochar、堆肥和稳定化有机残留物等改良剂。农业微生物学领域已从单一菌株转向微生物群落结构、功能互作与菌群联合体（consortia），非微生物组分则日益与逆境韧性和养分利用效率相关联。
3.6 生物刺激素在植物-土壤系统中的的作用机制
微生物生物刺激素（包括PGPR/PGPM）通过改变养分有效性、根系构型、微生物互作和植物逆境响应促进作物发育。关键机制包括生物固氮、磷酸盐和钾 solubilization（增溶）、铁载体（siderophore）产生、植物激素调节和病原菌抑制。根际和根部定殖可增强矿物质吸收、生物量积累和农艺表现。根系构型刺激是另一重要机制，微生物信号可增加根长、侧根形成、根毛发育和总根表面积，从而扩大作物探索的土壤体积，这对磷和锌等移动性差的养分尤为重要。非微生物生物刺激素通过生物活性物质拓宽功能谱系，腐殖质和海藻源产品可影响根系构型、养分获取、植物代谢和逆境信号，但其功能不应被解释为直接养分替代。先进制剂技术代表产品类别间的机制界面，合成微生物群落（SynComs）和多菌株接种剂可增加功能互补性，而生物基载体、纳米载体和控释系统可改善持久性和递送效率。
3.7 微生物生物刺激素与土壤养分动态
PGPR/PGPM对土壤养分动态尤为重要，可结合固氮、矿物增溶、铁载体产生和植物生长调节等功能。Rhizobium、Azospirillum、Bacillus和Pseudomonas等属与肥料利用效率改善及土壤有机碳、团聚体稳定性和酶活性变化相关。生物固氮在有效豆科植物-根瘤菌共生中已充分确立，但对谷物和其他非豆科作物，现有证据尚不能稳健证明接种通过该机制提供农艺上显著的氮量，阳性响应可能反映根系生长促进、植物激素产生、养分动员或其他促生效应。接种还与脲酶、纤维素酶和脱氢酶活性升高及活性碳变化相关，支持微生物生物刺激素可同时影响作物营养和土壤生态系统功能的观点。商业制剂反映这一功能多样性，固氮接种剂主要与减少氮肥依赖相关，Bacillus和Pseudomonas制剂则常与养分增溶、生长促进和病原抑制相关。
3.8 微生物生物刺激素的作物特异性应用
以作物为主轴的组织方式显示同一宿主可与多种微生物策略相关。番茄已研究Rhodopseudomonas palustris、Klebsiella variicola、Priestia aryabhattai与Paenibacillus sp.及Enterobacter sichuanensis，分别针对产量与采后品质、根生物量、植物激素产生和氮相关微生物性状。大豆代表已确立的豆科-根瘤菌生物固氮途径，谷物条目则强调养分增溶、根系系统扩展、逆境缓解和生物强化。对非豆科作物，固氮性状被解读为推定微生物能力而非农艺显著生物固氮的证据。微生物文献还涵盖甜椒、花生、棉花、脐橙、人参等作物，报告结果包括生产力、产品品质、土壤肥力、养分生物强化及生物和非生物逆境耐受性。
3.9 知识空白与未来展望
微生物接种剂的关键问题包括定殖、持久性、宿主特异性、与土著微生物群的互作及在多变土壤-气候条件下的可重复性；非微生物产品面临成分变异性、活性组分标准化、剂量-响应关系及直接植物效应与间接根际介导效应的区分等挑战。受控环境响应与田间表现之间的反复差异表明，未来研究应采用协调一致的实验方案、明确的产品表征、适当的未处理和常规投入对照及多环境验证。机制归因是另一优先事项，谷物和其他非豆科作物中自由生活或内生细菌生物固氮的农艺贡献仍存争议。生物刺激素使用与土壤有机碳增加之间的关联不应自动解释为接种剂直接效应，因为更高作物生产力可增加地上和地下残留物输入而间接贡献于土壤碳积累。未来研究应结合多组学、代谢组学、制剂科学和数据驱动方法与农艺田间验证，递送技术如纳米载体、水凝胶、可生物降解聚合物和微囊化可进一步改善产品稳定性和释放特征，但需与功效、环境安全性和监管兼容性一并评估。
四、结论
科学计量分析揭示了2021至2025年间生物刺激素及相关生物投入品研究的快速增长。所绘制的语料库涵盖微生物与非微生物路径：PGPR/PGPM及其他接种剂构成突出的微生物组分，而腐殖质、海藻源投入品、生物基改良剂和混合制剂拓展了该领域的概念与技术范围。知识结构连接植物生长促进、土壤健康、养分利用效率、根际微生物组管理和非生物逆境缓解。近期主题日益强调综合制剂、微生物菌群联合体、先进载体及生物与非微生物组分间的相互作用。作物层面证据进一步表明功效高度依赖情境，支持作物、土壤和环境特异性推荐的必要性。未来进展将取决于标准化产品表征、协调的田间方案、机制验证及微生物、非微生物和组合策略间的直接比较。
