颗粒化苔藓接种体用于生物结皮恢复：实验室条件下>90%定殖率与热带野外环境过滤制约

《Restoration Ecology》：A pellet-based approach for moss biocrust inoculation: high establishment under laboratory conditions, challenges in the field

　　

生物土壤结皮（Biological soil crusts, biocrusts）是土壤生态系统的关键组分，也是生态恢复中极具前景的工具。苔藓作为生物结皮的重要构成成分，对生态系统功能贡献显著，但在接种后常因严酷的环境制约而无法成功定殖。因此，亟需可规模化的接种技术以提高定殖成功率和早期生物结皮发育。本研究开发并测试了一种基于颗粒（pellet）的苔藓生物结皮恢复接种方法，分别在受控实验室条件和野外条件下评估其性能。研究人员开发了一种新型颗粒配方（含可生物降解胶黏剂、石英砂、绿黏土和水），其中包埋了破碎的*Hyophila involuta*（湿地扭口藓）组织，并在实验室条件下进行为期56天的评估，同时在巴西东南部热带地区开展野外实验，评估定殖情况、环境条件、颗粒持久性及其与蚂蚁的相互作用。结果表明，颗粒在实验室条件下表现出高定殖率（>90%）和快速发育，并伴有机会性蓝藻定殖。在野外条件下，未观察到苔藓定殖，颗粒频繁被凋落物和土壤移位或掩埋。蚂蚁与颗粒的相互作用极低。综上，研究人员开发的颗粒在实验室条件下展现出强大潜力，但野外表现仍然有限，尚需进一步改进。

**论文解读**

**研究背景与问题**

生物土壤结皮（Biological soil crusts, biocrusts，以下简称生物结皮）是由光合隐花植物（蓝藻、藻类、苔藓、苔类和地衣）与异养细菌、古菌、真菌及微型动物共同组成的、位于土壤表面的生物活性层。作为生态系统工程师，生物结皮能够改善土壤物理、化学和生物学性质，增强土壤稳定性，促进碳氮循环，提高水分保持能力，并为维管植物定殖创造有利条件。正因如此，生物结皮日益被视为退化生态系统恢复中可持续的、基于自然的解决方案。在生物结皮各组分中，苔藓因其对干燥、强辐射和温度波动的卓越耐受性，以及在关键土壤表面过程中的重要作用而尤为突出。然而，苔藓在恢复应用中的推广受到频繁定殖失败的制约——侵蚀、掩埋、资源限制以及土壤动物（如蚂蚁）的干扰均会降低繁殖体的存活率。

为克服上述限制，近年来的研究致力于将苔藓繁殖体包装成易于运输和可规模化的形式，例如藻酸盐珠、可生物降解胶囊及颗粒。尽管这些技术显示出潜力，但不同配方、物种和野外条件下的经验验证仍然有限，且现有研究多集中于旱地生态系统。针对这一空白，研究人员开发了一种新型颗粒配方，该配方将可生物降解的黏合基质、矿物成分和苔藓繁殖体整合为单一结构，专门针对热带生物结皮。研究围绕三个核心问题展开：该配方能否（1）在受控条件下支持苔藓定殖；（2）在自然条件下促进野外定殖；（3）在野外持久存在而不受蚂蚁等生物因素的显著干扰。

**主要技术方法**

研究地点位于巴西米纳斯吉拉斯州贝洛奥里藏特的米纳斯吉拉斯联邦大学生态站（EEco-UFMG），该地区干湿季分明，年均气温22.1°C，年降水量1578.3 mm。研究人员从EEco-UFMG步道采集了55份生物结皮样本，基于野外频率和丰度筛选出*Hyophila involuta*（湿地扭口藓，丛藓科Pottiaceae）作为模式物种，该物种具有耐干燥、耐温度波动和耐强辐射的特性，且能产生腋生芽胞，适合恢复应用。野外实验样方面积2 m²，划分为180个子样方，共接种540颗颗粒，每周灌溉并监测环境条件。此外，为评估颗粒对蚂蚁的吸引力，研究人员在6个活跃的*Atta*属蚂蚁巢穴的觅食路径上放置颗粒进行暴露实验。

颗粒配方由可生物降解胶黏剂（玉米淀粉、麦芽糊精、树胶和蒙脱土）、石英砂（00级）、绿黏土、去离子水及4 g破碎*H. involuta*组织混合而成，成型后空气干燥约48小时，最终颗粒为圆盘状（直径0.85 ± 0.11 cm，质量1.4 ± 0.17 g）。实验室实验中，20个无菌玻璃培养皿各放置9颗颗粒，在受控条件（21°C、12小时光周期、74 μmol m^-2 s^-1辐照度）下培养56天，于第1、2、3、4和8周在体视显微镜下评估丝状体、芽胞和芽三种定殖结构。数据分析采用广义线性混合效应模型（GLMM），以二项分布拟合定殖比例数据，并进行事后Tukey多重比较。

**研究结果**

*颗粒在实验室中的定殖表现*：颗粒展现出高定殖潜力，成为苔藓碎片发育的多样性核心。观察到*H. involuta*新植株的萌发、大量丝状体的产生（部分延伸至颗粒外基质）、以及频繁出现的无性芽胞。此外，颗粒表面还观察到多种蓝藻的定殖，但这些蓝藻并非原先与接种苔藓伴生的*Scytonema*属。颗粒总定殖率随时间显著上升（GLMM, χ²[4] = 205.81, p < 0.001），从第1周到第2周迅速增长，第3周后达到稳定平台期并维持至第8周。事后比较确认，第1周后所有时间点均与第1周存在显著差异。结构投资分析显示，丝状体在所有采样时期均占主导地位（第8周预测概率91.9%），其次是芽胞（第8周12.9%）和芽（第8周12.9%），三者之间存在显著差异（p < 0.001），表明*H. involuta*在早期定殖中优先进行水平扩张和基质定殖。

*颗粒接种的野外评估*：蚂蚁对颗粒作为食物来源几乎不感兴趣，仅有两颗颗粒被移动约5 cm，无一被搬入巢穴。但在实验区域，蚂蚁持续被浇水后的水分所吸引，而非被颗粒本身吸引。在整个实验过程中，实验区内未观察到任何苔藓植物的生长，也未发现通过其他扩散途径到达的其他生物结皮生物。实验56天后，样方上积累了大量的凋落物。尽管暴露于微风（平均风速约1.8 m/s）和降雨（总计22.2 mm）中，颗粒大部分仍留在样方内，但到8周实验结束时，大多数接种颗粒已从原先安放的小穴中移位，并被土壤和凋落物部分掩埋，表明天气和自然碎屑影响了其原始位置。

**讨论总结与研究结论**

实验室高达90%以上的定殖率表明，颗粒是一种有前景的生物结皮恢复接种策略。颗粒作为繁殖体集中单元，通过改善微环境条件（如保湿和防干燥保护）促进早期生物结皮形成，这一发现与已有研究一致。*H. involuta*在丝状体生产上的优先投资策略（相对于芽胞和芽），反映了苔藓生活史中探索性生长先于繁殖的一般规律。尽管实验室中颗粒还促进了机会性蓝藻定殖，但鉴于蓝藻未被定量或完全鉴定，此观察应仅视为微生物定殖的定性证据。

野外苔藓未实现定殖的主要原因是颗粒被凋落物和土壤频繁移位和掩埋，两者均为生物结皮定殖中已知的关键制约因素。实验室成功与野外失败之间的对比表明，环境过滤（environmental filtering）而非繁殖体活力，是研究地点苔藓生物结皮恢复的主要障碍。不过，由于缺乏比较处理（如直接苔藓碎片接种），难以完全区分接种体设计和场地条件对野外失败的相对贡献。

**研究结论**：研究人员开发的颗粒在实验室条件下展现出强大潜力，但野外表现仍然有限，尚需进一步改进。未来研究应着重提高繁殖体密度、补充营养、确保颗粒在干扰下的持久性，并测试与土壤稳定剂和黏结剂等辅助技术的整合，以改善基质稳定性、减少颗粒移位和掩埋，从而提升野外定殖效果并推动生物结皮恢复的规模化应用。总体而言，颗粒方法具有灵活性，可跨类群和生态系统进行适应性调整。