普拉巴卡·D·潘迪特（Prabhakar D. Pandit）|拉杰什·帕尔（Rajesh Pal）|拉胡尔·瓦尔克（Rahul Warke）|赫曼特·普罗希特（Hemant Purohit）|甘加达尔·M·瓦尔克（Gangadhar M. Warke）
引言
全球人口的不断增加提高了对农业产量的需求。为了满足日益增长的公共需求，通过施用化肥和农药等化学制剂来提高农业生产率，从而实现了粮食安全的目标。然而，这些化学制剂在传统农业中的长期使用导致了诸如土壤污染、破坏土壤生物功能等问题，进而降低了农业生产率（Yang等人，2025年）。因此，土壤健康评估的重点已从单纯的肥力转向了土壤质量。土壤质量指的是土壤执行生物活动、支持受污染环境以及促进植物、动物和人类健康的能力。土壤质量通常通过土壤的物理、化学和生物特性来评估（Liu等人，2022年）。所有这些土壤特性共同影响着土壤微生物群落的结构、它们的代谢过程以及土壤中的养分转化。土壤微生物组在维持土壤肥力、可持续作物生产力、抗逆性和养分循环方面发挥着关键作用。土壤微生物还维持着土壤的结构聚集，以调节土壤中养分、氧气和水的流动。因此，土壤微生物的功能与土壤的结构完整性之间存在直接关联（Purohit等人，2024年；Zhang等人，2025年）。
功能性的微生物群落在土壤中高效地循环碳（C）、氮（N）和磷（P），这直接影响土壤结构、养分流动，最终影响作物产量。因此，为了实现可持续的农业生态系统和更高的作物产量，需要更深入地了解微生物群落及其与植物的相互作用以及对土壤质量的影响（Tang等人，2020年）。尽管土壤中的微生物组成可能会发生变化或受到干扰，但微生物的功能冗余为土壤养分循环提供了重要的缓冲作用。然而，如连续施肥等极端干扰超出了这种冗余阈值，导致农业生态系统中的微生物群落结构和功能之间的同步性受到破坏（You等人，2025年）。为了减少这种农业生态破坏，有必要寻找适当的方法。这些方法依赖于外部农业投入，以在最小化农业生态破坏的同时提高生产力。一种自然的替代方案是施用有机投入，如植物生物刺激剂，它们是促进作物生长和产量的宝贵有机改良剂。这些有机投入能够改善土壤的生理特性并刺激微生物群落（Xu等人，2025年）。研究还表明，不同生物刺激剂的施用会对根际微生物组产生不同的影响，例如，乳酸作为生物刺激剂可以促进Sinorhizobium和Lysobacter属细菌的生长，而柠檬酸作为生物刺激剂则有利于Clostridiaceae家族细菌的生长，草酸作为生物刺激剂可以增加Burkholderiales目细菌在根际的比例（Macias-Benitez等人，2020年）。基于海藻Ascophyllum nodosum的生物刺激剂在玉米中的应用可以选择性地促进Chryseolinea、Pseudoxanthomonas、Novosphingobium、Quadrisphaera、Turneriella和Kitasatospora等属细菌的生长（Selvaraj等人，2025年）。基于腐殖酸的生物刺激剂的应用可以促进Bacteriodeites、Acidobacteria、Actinobacteria等菌类的生长（Xu等人，2025年）。其他多项研究也表明，包括有机纳米颗粒在内的有机投入可以增加土壤中的微生物多样性、稳定性和功能性，从而恢复土壤活力（Kukde等人，2019年；Tang等人，2023年；Yue等人，2016年）。生物刺激剂的施用可以改善土壤结构、缓冲pH值、增加土壤的持水能力，并提高土壤养分的有效性。此外，生物刺激剂的关键作用是刺激或抑制土壤微生物，从而恢复土壤活力（Pukalchik等人，2019年；Wu等人，2016年）。生物刺激剂含有多种生物活性化合物，有助于植物缓解环境压力和其他压力条件，促进植物生长并增强植物的抗病能力。随着19世纪末固氮细菌的发现，生物刺激剂的发展开始了。20世纪中叶，生物刺激剂的研究主要集中在非微生物来源（如海藻提取物）上。20世纪80年代和90年代，生物刺激剂开始商业化。最初，生物刺激剂主要用于高价值园艺作物，但随着生物刺激剂应用带来的作物产量和质量的提升，其使用范围逐渐扩展到传统农业作物。如今，生物刺激剂已成为先进有机农业实践的关键解决方案。预计到2030-2035年，全球生物刺激剂市场将达到60-80亿美元（Arinaitwe等人，2025年；Galindo等人，2025年）。生物刺激剂具有多种作用机制，因此对于PGPR（促生根际细菌）和新型非微生物生物刺激剂的分类存在争议。此外，由于农艺变异性以及缺乏评估效果的标准协议，生物刺激剂与化肥和作物保护产品之间的区别也难以明确。生物刺激剂成功应用的最大挑战在于缺乏明确的管理和注册使用政策。大多数科学文献主要关注生物刺激剂对生长、产量和抗逆性的影响，缺乏对其应用的全面系统视角。为了充分发挥生物刺激剂的潜力，需要精确的产品选择和应用，以适应特定的环境条件和农艺挑战。为了填补这一空白，需要开展可靠的田间试验、验证和效果评估，这目前仍有所欠缺。还需要应用组学工具来阐明生物刺激剂与土壤微生物组之间的相互作用，并进行预测性土壤健康评估（Mannino，2025年；Sible等人，2025年）。因此，本研究旨在填补这些研究空白。
关于有机改良剂的研究表明，它们可能对微生物多样性和功能性产生正面或负面影响。这表明气候因素、土壤特性和施肥也会影响农业土壤中微生物群落结构的形成。此外，不同研究还表明，各种植物功能群体会影响微生物的选择，增加土壤中的微生物活性和养分供应，从而提高土壤肥力和生产力。例如，固氮植物可以促进Rhizobium和Frankia等关键菌类的生长，而草本植物也有其特定的微生物生态位（Furey和Tilman，2021年；Jayaramaiah等人，2025年；Prommer等人，2020年；Shafi和Shahid，2025年）。
关于有机改良剂作为化学肥料替代品的研究及其对作物特异性功能微生物群落和土壤质量影响的研究仍然有限。宏基因组学正成为全面评估微生物群落的强大工具（Pandit等人，2016年；Río等人，2025年；Sacharow等人，2025年）。它能够分析整个微生物群体的遗传组成，从而理解土壤生态系统的微生物多样性。先进的下一代测序技术（如扩增子测序）可以快速分析土壤中的细菌群落（Saharan等人，2023年；Suyal等人，2019年）。在这项初步的概念验证研究中，我们调查了土壤恢复剂HPP-P3（生物刺激剂）的施用及其对大豆、棉花、鸽豌豆和姜黄作物根际微生物群的选择性富集作用，并分析了宏基因组测序数据。我们假设，SR-HPP-P3的施用通过改善根际微生物组的机能活性，从而影响作物的特定重组，进而提高作物产量。
田间实验设计和土壤采样
2024年7月，在印度马哈拉施特拉邦Panwadi（21.7715°N，72.1393°E）的HiMedia研发站进行了大豆、棉花、鸽豌豆和姜黄的播种。对Panwadi土壤的初始参数进行了测试，结果见表S1，表明该土壤适合所有作物的种植。根据FAO分类系统，研究区域的土壤被归类为Vertisols类型。使用pH计测量了土壤的pH值
土壤理化性质
由于所有实验都在同一个试验地点进行，SR-HPP-P3处理区和对照区的初始土壤参数相似。因此，除了SR-HPP-P3处理外，所有土壤的理化条件都相同。观察到的结果仅归因于SR-HPP-P3处理的效果。其他环境条件（如温度、水分循环、降雨情况）对所有试验区域都是相同的
讨论
本研究表明，SR-HPP-P3（生物刺激剂）的施用提高了大豆、棉花、鸽豌豆和姜黄作物的产量。由于选定试验地点的初始土壤理化参数分析表明该地块适合种植季节性作物（即大豆、棉花、鸽豌豆和姜黄），我们选择了这些作物来研究SR-HPP-P3的效果。所有作物都在同一地点种植，这表明土壤的理化条件
结论
研究表明，生物刺激剂的施用影响了所有作物的微生物群落结构。植物与微生物的相互作用最终决定了微生物的总体丰富度和某些物种的选择。本研究中观察到的产量增加与根际土壤微生物组在固氮、磷和钾溶解、复杂碳水化合物降解以及植物激素分泌方面的功能增强有关。
作者贡献声明
普拉巴卡·D·潘迪特（Prabhakar D Pandit）：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论制定、概念构思。拉杰什·帕尔（Rajesh Pal）：撰写 – 审稿与编辑。拉胡尔·瓦尔克（Rahul Warke）：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。赫曼特·J·普罗希特（Hemant J. Purohit）：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。甘加达尔·M·瓦尔克（Gangadhar M Warke）：撰写 – 审稿与编辑、概念构思
未引用的参考文献
Bakhshandeh等人，2017年；Ganga等人；Rodríguez del Río等人，2025年。
作者同意声明
我声明所有作者都已审阅并批准了提交的最终手稿版本。该手稿是作者的原创作品，尚未在其他地方发表，也没有接受其他出版机构的审查。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突。
数据可用性
本研究中使用和/或分析的数据集可应请求向相应作者索取。
