本土假单胞菌菌剂缓解退化高山草甸土壤中的微生物资源限制并提高植物生物量

《Journal of Environmental Management》：Native Pseudomonas inoculants alleviate microbial resource limitations and enhance plant biomass in degraded alpine meadow soils

　　

摘要 青藏高原高寒草甸土壤的退化扰乱了碳（C）、氮（N）和磷（P）的循环，造成微生物资源限制，从而限制了植物生长。土著微生物接种剂（MI）为退化土壤的恢复提供了一种低环境影响的替代方案。本研究的三年田间试验考察了土著假单胞菌接种剂（P. marginalis、P. silesiensis、P. antarctica 和 P. putida）在退化梯度（未退化 ND、中度退化 MD、重度退化 SD）下对土壤养分状况、微生物资源限制（通过胞外酶化学计量评估）和植物生物量的影响。微生物接种剂显著缓解了微生物磷限制，将向量角从>60°降至<55°，但加剧了微生物碳限制，使向量长度从<1.2增至>1.4。微生物接种剂一致地提高了土壤微生物生物量碳（9.6–32.4%）、氮（4.6–36.1%）和磷（3.1–22.0%），并增强了碳和氮获取酶的活性。这些变化伴随着地上生物量（AGB）和地下生物量（BGB）的显著增加，最大增幅分别为20.1%和37.5%。路径分析揭示了退化特异性模式：在中度退化土壤中，植物生物量主要与微生物碳限制的缓解有关（路径系数：0.57）；在重度退化土壤中，微生物生物量积累是生物量恢复的前提（路径系数：0.95）。高通量16S rRNA测序显示，在中度退化土壤中，微生物接种剂将富营养菌与寡营养菌的比值从1.21提高至2.08（p < 0.001），在重度退化土壤中从0.78提高至1.55（p < 0.01）。在中度退化土壤中，微生物碳利用效率（CUE）从0.31降至0.22（p < 0.001），在重度退化土壤中从0.28降至0.19（p < 0.001），且与向量长度呈负相关（R2 = 0.502，p < 0.001）。这些结果表明，土著假单胞菌接种剂是高寒草甸退化土壤的一种实际管理措施，其效果取决于退化程度，可为其他寒冷、养分受限草地的恢复策略提供参考。

引言 青藏高原（QTP）拥有世界上面积最广的高寒草甸生态系统，覆盖约250万平方公里。这些草地提供关键的生态系统服务，包括生物多样性保护、碳（C）封存以及调节亚洲主要水系（Chen et al., 2015; Piao et al., 2012）。然而，这一脆弱的生态系统正受到人类活动和气候变化的日益加剧的压力（Bardgett et al., 2021; Dong et al., 2020; Gao et al., 2025）。过度放牧、气候变暖以及高原鼠兔（Ochotona curzoniae）等小型哺乳动物的扰动等驱动因素引发了广泛的高寒草甸退化（Li et al., 2021; Pang et al., 2021）。退化的特征包括植被覆盖率降低、土壤有机碳（SOC）和氮（N）的损失以及养分循环的紊乱（Cui et al., 2022; Du and Gao, 2021; Liu et al., 2021; Peng et al., 2020）。研究表明，青藏高原超过60%的高寒草甸存在不同程度的退化，严重案例中原始植物覆盖率损失高达80%（Ma et al., 2020）。这种退化削弱了生态系统的碳封存潜力、水文调节能力以及对牧业社区的支持，对区域生态安全和可持续发展构成了重大挑战（Bai and Cotrufo, 2022; Bardgett et al., 2021）。类似的退化现象也发生在全世界其他寒冷草地地区，包括安第斯高原、喜马拉雅山脉和欧洲阿尔卑斯山，使其成为全球相关的环境管理挑战。

退化从根本上改变了土壤生物地球化学过程。植物来源的有机质输入减少直接限制了土壤微生物的可利用碳底物（Che et al., 2018; Du and Gao, 2021; Yang et al., 2019），同时损害了关键养分供给过程，如生物固氮和释放磷（P）的矿物风化（Houlton et al., 2018; Wang et al., 2020a）。土壤养分库减少，尤其在地表土层（Han et al., 2019; Liu et al., 2018），随后土壤微生物生物量和胞外酶活性（EEA）下降，而后者是分解和养分矿化的主要作用者（Du and Gao, 2021; Li et al., 2024a）。从管理角度看，退化诱发的化学计量失衡限制了微生物活性，形成了一个进一步抑制植被恢复的反馈循环（Cui et al., 2019; Mori, 2020）。因此，理解这些限制对于设计有针对性的恢复干预措施至关重要，这些措施应能适应不同的退化程度。

生态化学计量理论认为，微生物代谢受资源供给与细胞需求之间平衡的支配。胞外酶化学计量为通过分析C、N和P获取酶的比值来评估微生物资源限制提供了稳健的框架（Asada and Kanda, 2022; Elser et al., 2003; Moorhead et al., 2012, 2013, 2016; Sinsabaugh et al., 2008, 2012, 2016）。例如，相对于N-乙酰氨基葡糖苷酶（NAG）和碱性磷酸酶（ALP），β-葡糖苷酶（BG）活性较高表明微生物碳限制（Cui et al., 2019）。在退化的高寒草甸中，这些失衡因过度放牧而加剧，放牧减少了植物碳输入并耗竭了磷储备（Li et al., 2024b; Pang et al., 2021; Yang et al., 2019）。这种限制可形成一种反馈循环，其中受抑制的微生物活性加剧养分缺乏，阻碍植被恢复（Moorhead et al., 2012; Mori, 2020; Cui et al., 2019; Delgado-Baquerizo et al., 2020）。值得注意的是，虽然退化降低了微生物生物量，但它通过增加维持呼吸放大了微生物代谢需求，进一步加剧了有限资源的紧张（Coonan et al., 2020; Cui et al., 2021）。解决这些特定限制的恢复策略可能有助于打破退化反馈循环。

微生物接种剂（MI），特别是植物促生菌根细菌（PGPR），是改善农业和草地生态系统中养分溶化、植物激素合成和胁迫耐受性的有前途的生物资源（Coban et al., 2022; Wubs et al., 2016; Singh et al., 2020; Zhang et al., 2023; Jiang et al., 2023）。作为生物技术工具，这些接种剂通过利用微生物代谢能力为合成投入品提供了可持续的替代方案。PGPR菌株如假单胞菌属（Pseudomonas spp.）可通过分泌有机酸溶解难溶性磷、固定大气氮，并产生如吲哚-3-乙酸（IAA）等刺激根系发育的植物激素（Li et al., 2020）。例如，洋葱假单胞菌（Pseudomonas putida）通过释放柠檬酸和草酸分解矿物结合磷化合物来提高磷的有效性（Li et al., 2020）。然而，它们在退化高寒草甸恢复中的应用，特别是在青藏高原这样的极端环境中，仍待探索。适应当地条件（如低温、高紫外辐射）的土著微生物群落可能因在定殖和功能韧性方面的"本地优势"而优于商业菌株（Al-Tameemi and Rodríguez-Verdugo, 2024; Chai et al., 2025; Niu et al., 2017; de Souza et al., 2019）。需要跨不同退化程度进行系统评估，以开发实用的、针对特定退化类型的应用策略。

尽管存在此潜力，但关于MI在退化高寒生态系统生物技术应用方面的关键知识空白仍然存在。具体而言，三个基本问题仍未得到解答：（Q1）MI施用如何在不同退化和严重退化水平下改变微生物C:N:P化学计量限制模式？（Q2）MI刺激的微生物活性通过何种多层次机制提高植物生产力？（Q3）MI恢复效果是否随退化严重程度而异，驱动不同响应的土壤-微生物调节路径是什么？证据表明MI的成功强烈取决于初始土壤有机底物库：中度退化土壤保留足够多的可利用碳以支持微生物增殖，而重度退化土壤面临严重的底物耗竭，若没有补充有机改良剂可能导致微生物功能瘫痪（Cui et al., 2019）。阐明这些情境依赖性差异对于标准化可靠的MI恢复技术用于青藏高原高寒草甸至关重要。

我们测试了一种包含从青藏高原高寒草甸土壤中分离的四种假单胞菌菌株（P. marginalis、P. silesiensis、P. antarctica、P. putida）的合成本地MI。这些菌株因其互补的植物促生性状（固氮、溶磷、产生IAA）被选定，并作为复合生物资源用于田间应用。通过三年的田间试验，我们评估了MI在三个退化水平（未退化、中度退化、重度退化）下如何改变微生物资源限制和植物生物量。我们检验了两个与上述三个问题直接对应的假设：（H1）MI通过刺激酶活性和重新校准土壤养分可用性来缓解微生物C和P限制，这回答了Q1（化学计量变化）和Q2的一部分（酶刺激）；（H2）MI主要通过提高微生物生物量和优化胞外酶分配来增加植物生物量，这些路径的相对重要性随退化严重程度而变化，这回答了Q2（机制）和Q3（退化依赖性调节）。为直接检验观察到的响应的机制基础，我们还进行了16S rRNA扩增子测序和化学计量CUE估计。

研究地点 本研究在位于青藏高原东部（34°0′33''N，102°16′6''E）的甘肃省玛曲县大水育牧场进行，海拔3420米。该地区具有高原大陆性气候，年均温度1.2°C（范围从-28°C到23.6°C），年均降水量594毫米（主要降落在6月至9月），年均蒸发量1355.7毫米（Cao et al., 2012）。主要植被包括嵩草属（Kobresia）、羊茅属（Festuca）、早熟禾属（Poa）、黑麦草属（Elymus）、风毛菊属（Saussurea）等。

植物生物量对假单胞菌接种剂的响应及相关土壤性质变化 连续三年年度MI施用导致中度（MD）和重度（SD）退化高寒草甸的地上（AGB）和地下（BGB）生物量发生显著变化（图1）。双因素线性混合效应模型（以样地身份为随机截距）显示处理、采样时间及其交互作用对AGB和BGB均具有高度显著影响（所有p < 0.001；表S4）。极高的偏η2值（>0.96）表明这些因素……

讨论 本研究的三年田间试验证明，土著假单胞菌接种剂可改变退化高寒草甸的土壤养分有效性、增加微生物生物量并改变胞外酶活性，从而提高了地上和地下植物生物量。然而，这种恢复的潜在机制并非统一，它们强烈取决于土壤的初始退化状态。我们的结果仅部分支持第一个假设（H1）：MI确实缓解了P……

结论 本三年的田间研究表明，基于土著假单胞菌的接种剂可缓解退化高寒草甸土壤中微生物磷限制，增加土壤微生物生物量，并刺激酶活性，从而提高了植物生产力。微生物碳限制的同步加剧伴随着向富营养菌的可测量转变（通过16S测序证实）和微生物碳利用效率的降低。虽然这种模式与……一致。

CRediT作者贡献声明 Yizhi Qiu：原创草稿撰写、调查研究、形式分析。Jianwei Zhou：指导、调查研究。Rui Hua：软件、形式分析。Yanning Zhao：软件、调查研究。Liqing Wang：调查研究。Shaobo Gao：形式分析。Haiyun Li：审阅和编辑、原创草稿撰写、指导、方法学、调查研究。

利益冲突声明 作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢 本研究由中国国家自然科学基金（基金号：32501406）、中央公益性科研院所基本科研业务费（基金号：Y2026BF04）、中国国家博士后科学基金面上资助（基金号：2025M772578）、中国甘肃省自然科学基金（基金号：25JRRA687、21JR7RA481）、内蒙古草地保育生态学重点实验室（基金号：2025KYPT0151）、"双一流"建设特别指导-团队资助。

Yizhi Qiu | Jianwei Zhou | Rui Hua | Yanning Zhao | Liqing Wang | Shaobo Gao | Haiyun Li 兰州大学生态学院，草种创新与草地农业生态系统国家重点实验室，兰州，730000，中国