《Discover Agriculture》：Global research trends on seaweed-based amendments for soil health and crop productivity
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海藻（seaweeds）已成为可持续农业中的关键生物资源，通过其在增强土壤肥力、养分循环和作物生产力方面的多重功能，桥接了土壤—作物—养分连续体。这些生物活性化合物——包括植物激素（phytohormones）（生长素（auxins）、细胞分裂素（cytoki
海藻（seaweeds）已成为可持续农业中的关键生物资源，通过其在增强土壤肥力、养分循环和作物生产力方面的多重功能，桥接了土壤—作物—养分连续体。这些生物活性化合物——包括植物激素（phytohormones）（生长素（auxins）、细胞分裂素（cytokinins）、赤霉素（gibberellins））、多糖（polysaccharides）（海藻酸盐（alginates）、 laminarin、岩藻聚糖（fucoidan）、卡拉胶（carrageenan））、酚类抗氧化剂（phenolic antioxidants）和甜菜碱（betaines）——能够调节植物生理过程，如光合效率（photosynthetic efficiency）、养分转运蛋白表达（nutrient transporter expression）和胁迫响应基因调控（stress-responsive gene regulation），同时改善土壤有机质含量（soil organic matter content）、阳离子交换量（cation exchange capacity, CEC）和根际微生物多样性（rhizosphere microbial diversity）。本研究对2000年至2024年间关于海藻及藻类产品对作物产量、植物生长和土壤养分动态影响的全球研究进行了全面的文献计量分析（bibliometric analysis）。研究人员从SCOPUS数据库中通过定向关键词查询检索数据，并利用bibliometrix R包和VOSviewer软件进行绩效指标（performance metrics）、主题图谱（thematic mapping）和合作网络（collaboration networks）分析。共识别出156篇英文非重复期刊论文，反映科学产出的平均年增长率为11.94%，2018年后增长显著，2024年达到峰值。亚洲在全球贡献中居首（84篇），其次是欧洲（41篇）和北美（12篇）。关键词和主题分析揭示了四个主导研究集群：（1）藻类生理学与生物活性机制；（2）海藻基投入品对产量和营养的影响；（3）土壤健康与有机改良；（4）生物肥料（biofertilizers）与胁迫适应策略。研究趋势表明，主题已从21世纪初的基础藻类研究转向近年来的应用农艺实践和土壤健康综合管理。研究结果强调了海藻在气候智慧型农业（climate-smart agriculture）、循环生物经济（circular bioeconomy）和基于自然的土壤修复（nature-based soil restoration）中的潜在作用。然而，在田间验证、标准化施用方案、经济可行性评估以及未充分利用物种的探索方面仍存在研究空白。本研究提供了综合性的证据基础，可为未来研究、政策制定和商业创新提供信息，以推动海藻基解决方案在可持续农业中的规模化应用。
**引言**
全球农业正处于十字路口，面临满足日益增长的粮食需求与减轻集约化耕作环境后果的双重挑战。对合成肥料和农药的依赖虽大幅提高了产量，但也导致了土壤退化、养分失衡、生物多样性丧失和温室气体排放。因此，对可持续、气候适应型农业系统的迫切需求推动了人们对基于自然的解决方案的关注。在这些方案中，海藻（seaweeds）已成为多功能生物刺激素（biostimulants）和土壤改良剂（soil amendments）。源自海洋大型藻类——包括褐藻（Phaeophyceae）、红藻（Rhodophyta）和绿藻（Chlorophyta）——的这些产品含有多种生物活性化合物，如多糖（polysaccharides）、酚类化合物（phenolic compounds）、植物激素（phytohormones）（生长素、细胞分裂素、赤霉素等）、氨基酸（amino acids）和必需微量元素。已有大量实验证据支持海藻基改良剂在提高作物产量和改善土壤养分动态方面的功效。然而，若干关键研究空白仍然存在：大多数研究集中于受控环境或小规模试验，缺乏长期田间验证；生化途径和分子靶点仅被部分阐明；标准化施用方案缺乏；与生物肥料的整合研究不足；农场层面的经济可行性和环境足迹评估稀少。过去五年中已有若干综述，但大多局限于特定组分，未整合更广泛的土壤—作物—养分连续体。仅有少数文献计量研究涉及海藻基生物刺激素，且无一全面绘制其研究演变、主题结构和全球合作格局。因此，本综述超越综合，提供定量文献计量与定性评估，具体通过以下三点区别于近期文献计量分析：（a）采用四域AND交叉策略，精准捕获土壤—作物—养分关联界面的研究；（b）将文献计量图谱与生物活性机制和养分动态的定性综合相结合；（c）应用时间k-均值聚类（k-means clustering）和多维尺度因子分析（multidimensional scaling factor analysis），揭示从分类学研究到应用农艺和土壤健康研究的学科演变。
**数据收集**
**检索策略**：本研究采用SCOPUS数据库，围绕海藻及藻类产品在提高作物生产力和土壤养分效率方面的作用检索相关文献。综合检索式由关键词组合构成，涵盖海藻类型、作物类型、产量与生长参数以及养分与土壤相关术语，检索范围限定于论文标题、摘要和关键词，初步获得294篇相关出版物。
**纳入与排除标准**：文献检索时限为2000年至2024年，经出版年份筛选后获得260篇出版物。进一步限定相关学科领域后，保留253篇出版物，涵盖10个学科领域，以农业与生物科学（Agricultural and Biological Sciences）最多（180篇）。仅纳入原创研究论文（161篇），排除综述、书籍章节、会议论文等。来源类型限定为同行评议期刊（158篇），语言限定为英文（157篇），最终经手动查重获得156篇非冗余文献用于定量文献计量评估。采用PRISMA流程图展示筛选过程，并通过韦恩图（Venn diagram）显示四个主题集（海藻相关研究、作物相关研究、产量与生产力参数、养分吸收与土壤肥力）的交集。为验证数据集稳健性，在Web of Science（WoS）核心合集中进行了平行检索，获得139篇论文，与Scopus结果重叠约89.10%。
**文献计量分析软件工具**：文献计量分析采用bibliometrix R包进行数据处理、绩效分析和科学图谱绘制；使用Microsoft Excel 2021整理书目数据；利用VOSviewer进行关键词共现、作者合作和主题聚类等网络可视化；使用R编程进行趋势分析和图形呈现。
**关键发现与全球趋势**
文献计量评估表明，2000年至2024年间该领域出版物年均增长率为11.94%。156篇文献共涉及739位作者，分布于104种来源期刊，平均每篇合著者5.13人，国际合著占21.15%。文献平均年龄6.83年，提示近期贡献占主导。每篇出版物平均被引24.84次。2018年开始出现明显增长阶段，2021年后急剧上升，2024年以30篇达到峰值。最高频关键词包括seaweed（44次）、algae（28次）、nitrogen（23次）、crop yield（19次）和plant growth（19次），体现了对养分管理和作物生产力的重视。领先期刊为Journal of Applied Phycology（10篇，h指数9），其次为Frontiers in Plant Science（6篇）和Scientia Horticulturae（5篇）。
**研究出版物的地理分布**
亚洲以84篇居各大洲之首，其中印度（41篇）领先，其次为中国（10篇）、埃及（6篇）等。欧洲以41篇紧随其后，其中意大利（7篇）、希腊（4篇）、葡萄牙（4篇）等。北美贡献12篇（美国7篇，加拿大5篇）。非洲7篇（南非5篇），南美3篇。单一国家出版物（SCP）占主导，印度SCP最高（38篇）。多国出版物（MCP）比例在德国最高，印度—美国为最频繁的合作关系。这种分布差异可归因于海岸线长度与海洋生物多样性、传统使用与文化知识、国家可持续发展战略整合程度以及研究与政策支持能力等因素。
**海藻相关农业研究的研究轨迹**
研究主题演变显示从21世纪初基础藻类分类学和养分有效性研究，经2010年起的应用农艺研究，到近年对土壤健康、有机质修复、养分循环和胁迫韧性的强调，形成了四个主导主题集群：（1）藻类生理学与生物活性机制；（2）海藻基投入品对产量和营养的影响；（3）土壤健康与有机改良；（4）生物肥料与胁迫适应策略。主题图谱（thematic map）将主题分为 motor themes（如氮、养分、有机质）、basic themes（如绿藻、水稻）、niche themes（如质谱分析、水污染物）和 emerging or declining themes。k-均值聚类揭示了关键词随时间的主题转移：21世纪初以algae、Chlorophyta和nutrient availability零星出现为主，2007年后nitrogen、plant growth和biomass增多，2010—2015年seaweed、crop yield和fertiliser application频繁出现，2016年后nutrient uptake、soil fertility、organic matter和photosynthesis快速增长。
**共现分析**
利用VOSviewer进行关键词共现分析，以最少5次出现为阈值，从1696个关键词中筛选出78个，揭示四个研究集群及其相互关系。集群1（红色）：藻类生理学与生物活性机制，聚焦algae、chlorophyta、cyanobacteria、microalgae、antioxidants、enzyme activity、metabolism、photosynthesis、chlorophyll等。集群2（绿色）：海藻基投入品对作物产量与营养的影响，以seaweed、seaweed sap、fertiliser application、nutrient uptake、nutrient use efficiency以及大豆、番茄等作物为主。集群3（蓝色）：土壤健康与有机改良，整合soil、soil amendment、organic matter、organic fertiliser、grain yield、potassium等术语。集群4（黄色）：生物肥料与胁迫适应策略，汇集biofertilizer、biostimulants、inoculation、abiotic stress、maize、wheat等。2018年后集群3和集群4的明显加速与欧盟肥料产品法规（2019/1009）的通过和联合国生态系统恢复十年（2021—2030）的启动相吻合。
**海藻生理学与生物活性机制**
海藻基生物刺激素通过多种生物活性物质促进植物生长发育，包括植物激素、必需营养元素、甾醇（sterols）、oxylipins、肽类（peptides）和甜菜碱等季铵化合物。褐藻细胞壁含海藻酸盐、laminarin和岩藻聚糖；红藻含卡拉胶；绿藻富含石莼属（Ulva）多糖。海藻提取物通过改善硝酸盐吸收与同化来增强地上部和根系生物量。转录组分析揭示其调控苯丙烷（phenylpropanoid）和黄酮类（flavonoid）生物合成途径，并诱导与光合作用、激素信号传导和生长调控相关的基因上调。海藻提取物还能调节内源性植物激素（生长素、赤霉素、细胞分裂素）生物合成相关基因。例如，泡叶藻（Ascophyllum nodosum）提取物通过上调编码根膜转运蛋白的基因来改善油菜的氮硫吸收，并通过甜菜碱抑制叶绿素降解来增强光合性能。
**海藻基投入品对作物产量与营养的影响**
海藻提取物在全球多种农作物和园艺作物上均表现出增产效果。当海藻汁（seaweed sap）与化肥配合施用时，可提高矿物质对作物的有效性。多项田间研究证实，叶面喷施或土壤浇灌海藻提取物可提高水稻（增产约19%）、小麦、玉米、绿豆、番茄、猕猴桃和柑橘等产量。海藻提取物显著提高了籽粒中氮（N）、磷（P）、钾（K）的吸收。综合多项研究证据表明，长心卡帕藻（Kappaphycus alvarezii）和细基江蓠（Gracilaria edulis）提取物在不同作物中一致增强了N、P、K吸收，增幅从马铃薯块茎的7%–11%到芝麻的200%–400%以上不等，但实验证据以印度为中心，凸显了开展多地点试验的必要性。
**土壤健康与有机改良**
海藻基生物刺激素以多种形式（液态提取物、引发剂、颗粒剂、粉剂）施用，持续影响土壤理化性质、必需养分生物有效性和根际微生物群落。海藻富含多糖（海藻酸盐、laminarin、岩藻聚糖、甘露醇），尤其在Alaria esculenta、泡叶藻、Laminaria digitata、Macrocystis pyrifera和马尾藻属（Sargassum sp.）中含量丰富，这些化合物通过增加大孔隙和微孔隙来稳定土壤结构，改善保水性。海藻酸盐形成的凝胶状基质可增强通气性并促进根系向深层扩展。海藻汁中的腐殖酸（humic acids）和黄腐酸（fulvic acids）作为土壤缓冲剂调节pH和化学组成。红藻（如江蓠属Gracilaria sp.、卡帕藻属Kappaphycus sp.、石花菜属Gelidium和Chondrus crispus）富含琼脂和卡拉胶，可改善土壤质地和持水能力。海藻的螯合能力可吸附土壤中的重金属和类金属，保护植物免受污染。
**海藻提取物与生物肥料的整合及胁迫适应策略**
生物肥料与海藻提取物的联合使用可增强植物代谢及对生物和非生物胁迫的抵抗力。这种协同方法改善了养分动员、胁迫耐受性和植物生理，即使在干旱、盐碱、水分亏缺和温度胁迫等条件下也能促进生长和提高产量。在生物胁迫方面，海藻提取物通过激活水杨酸（salicylic acid）、茉莉酸（jasmonic acid）和乙烯（ethylene）信号通路，上调防御基因并诱导过氧化物酶（peroxidase）和多酚氧化酶（polyphenol oxidase）等酶类以抵抗病原体攻击。laminarin和硫酸化岩藻聚糖（sulfated fucans）等多糖作为系统性抗性诱导剂发挥作用。在非生物胁迫方面，海藻提取物通过改善养分吸收、维持有利的K
+/Na
+平衡和促进渗透调节来增强耐盐性，甜菜碱作为细胞质渗透调节剂；通过保持叶片膨压和温度、提高水分利用效率和调控胁迫响应基因来减轻干旱影响。
**综合框架：将藻类生物活性物质与土壤—作物—养分动态联系起来**
综合四个主题集群的证据，形成了一个通过三条相互关联的途径将藻类生物活性化合物与土壤—作物—养分连续体联系起来的综合框架。第一，在土壤层面，藻类多糖作为土壤调理剂改善团聚体稳定性、持水能力和阳离子交换量，同时作为根际有益微生物的碳源底物，加速有机质分解和养分矿化。第二，在植物生理层面，植物激素和甜菜碱上调根膜养分转运蛋白基因，通过叶绿素稳定增强光合效率，激活苯丙烷和黄酮类生物合成途径。第三，在作物生产力层面，上述土壤和植物层面的改善汇聚，提升养分吸收效率、生物量积累以及最终的籽粒或果实产量。
**经济考量与市场潜力**
海藻源生物刺激素的经济可行性是其农场层面应用的关键决定因素。全球海藻生物刺激素市场在有机农业应用增长和欧盟肥料产品法规（2019/1009）等监管支持下大幅增长。已市场化的商业产品包括Stimplex（源自泡叶藻）、Maxicrop、Kelpak（源自Ecklonia maxima）和Sagarika（源自长心卡帕藻）。印度水稻和玉米研究报道净经济回报超过常规纯化肥处理15%–25%。然而，全面的技术经济评估仍然有限，生产成本受采收方式、提取技术和制剂类型等因素影响。将海藻加工整合到沿海生物精炼（biorefinery）模型中，通过琼脂、卡拉胶和生物乙醇等联产品抵消生产成本，为循环生物经济框架下的经济可持续性提供了有前景的路径。
**研究局限性**
本研究依赖SCOPUS索引的英文论文，可能排除了在非索引或非英文期刊上发表的宝贵区域研究。被引次数等文献计量指标天然偏向较早的出版物。关键词共现图谱可能过度简化海藻研究中的复杂跨学科关系。与采用更广泛检索策略或多数据库的近期文献计量研究相比时需谨慎。缺乏正式的荟萃分析（meta-analysis）意味着产量改善数据应被理解为叙述性总结而非统计稳健的合并估计。印度研究在数据集中的主导地位可能引入了地理偏差。
**研究空白与未来方向**
尽管增长迅速，若干空白仍然存在：多季节、多地点田间试验有限；海藻—微生物在养分循环和胁迫缓解中的相互作用研究不足；小农背景下的经济可行性研究稀少；对商业主导褐藻以外的未充分利用红藻和绿藻物种研究不足；采后加工、储存和运输物流有待研究；与精准农业框架的整合仍为新兴机遇。建议优先研究事项包括：建立跨农业气候区的协调多地点多季节田间试验网络；整合多组学方法（转录组学、代谢组学、宏基因组学）阐明分子机制；开发技术经济和生命周期评估框架；系统筛选未充分利用的红藻和绿藻物种；以及将海藻基投入品纳入基于遥感和变量施用技术的精准农业框架。
**结论**
本文献计量评估阐明了全球范围内海藻及藻类衍生物作为可持续农业生态系统中多功能生物资源的研究正不断升级。学术产出的显著增长（尤其是2018年以后）凸显了对其提升作物生产力、调控植物生理过程和优化土壤养分动态能力日益增长的认识。主题分析揭示了从藻类生理学和生物活性机制的基础研究向强调农艺性能、土壤健康改善和非生物胁迫缓解的应用研究的逐步转变。海藻基改良剂在推进气候适应型农业、培育循环生物经济框架和促进基于自然的土壤修复策略方面展现出重要潜力。然而，关键知识空白依然存在，包括标准化农艺方案的需求、经验性田间验证、全面技术经济评估以及未开发藻类分类群的探索。解决这些空白对于海藻源生物刺激素的转化应用至关重要，从而为可持续农业系统的未来研究方向、政策制定和商业化推广提供信息。
