枯草芽孢杆菌驱动砾石土壤改良与高羊茅促生：微生物-植物互作机制解析

《Microbial Ecology》：Microbial-Plant Interaction: Bacillus subtilis–Driven Gravel Soil Improvement and Growth Promotion of Festuca arundinacea

　　本研究针对隧道工程产生的贫瘠砾石土壤生态修复难题，探讨了枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）通过调控土壤微生物群落结构与功能，提升高羊茅（Festuca arundinacea）生长性能的机制。通过温室盆栽实验发现，枯草芽孢杆菌可显著提高土壤有效磷（AP）、有效钾（AK）含量及蔗糖酶（S-SC）、脲酶（S-UE）活性，促进高羊茅地上/地下生物量积累，并重塑以鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）为优势属的微生物群落。该研究为高寒区工程废弃地的生态修复提供了微生物-植物协同增效的新策略。

　　

随着我国隧道工程在高寒地区的快速推进，大量爆破产生的砾石土壤堆积成山，这些土壤结构松散、养分匮乏、微生物多样性极低，严重制约植被恢复与生态安全。高羊茅虽具抗逆性强、根系发达等优势，但在贫瘠砾石土壤中仍难以自然定植。如何通过人工干预实现此类工程废弃地的可持续生态修复，成为亟待解决的科学问题。

为解决这一难题，成都理工大学研究团队在《Microbial Ecology》发表最新研究，通过温室盆栽实验，系统评估了枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）对高羊茅生长、土壤养分循环及微生物群落结构的调控作用。实验设置对照组（CK）、营养液添加组（LB）和枯草芽孢杆菌接种组（Bs），通过测定土壤理化性质、酶活性、植物生物量及16S rRNA测序等技术，揭示了微生物-植物互作的内在机制。

主要技术方法

研究采用温室盆栽实验，以隧道爆破产生的砾石土壤为基质，设置CK、LB（添加LB培养基）和Bs（接种10⁸ CFU/mL枯草芽孢杆菌）三组处理。通过连续流动分析仪测定土壤养分，ELISA法检测土壤酶活性，Illumina NovaSeq平台测序分析细菌群落结构，并结合方差分析与Mantel检验评估植物-土壤-微生物关联性。

3.1. 不同处理下砾石土壤养分动态变化

研究发现，Bs处理显著提升土壤有效磷（AP）和有效钾（AK）含量，分别较CK组增加60.89%和28.60%，而LB组仅分别增加18.59%和5.06%。此外，Bs处理使土壤pH呈下降趋势，有机碳（SOC）含量提升28.60%，但硝态氮（NO₃^--N）含量降低48.35%，可能与砾石土壤养分淋失有关。

3.2. 不同处理下砾石土壤酶活性变化

Bs处理显著增强蔗糖酶（S-SC）和脲酶（S-UE）活性，但碱性磷酸酶（ALP）活性降低67.44%，推测与枯草芽孢杆菌招募的微生物抑制ALP活性有关。LB组则通过直接补充营养提升ALP活性25.82%。

3.3. 不同处理下植物生长变化

Bs处理使高羊茅地上生物量和地下生物量分别增加102.75%和77.52%，根冠比显著降低，表明其通过改善根际微环境优先促进地上部生长。LB组虽提升生物量，但根冠比增加，可能与铵态氮（NH₄⁺-N）胁迫下资源向根部倾斜有关。

3.4. 土壤微生物群落特征变化

Bs处理显著提高细菌群落Simpson指数，且PCoA分析显示群落结构明显区分。在属水平上，LB组以固氮菌（Azotobacter）为主（8.99%），而Bs组以鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）为优势属（3.14%），表明枯草芽孢杆菌通过资源竞争调控微生物群落组成。

3.5. 植物-土壤-微生物关系

Mantel检验显示，Bs处理中蔗糖酶（S-SC）、有效磷（AP）与植物生物量显著正相关，证实枯草芽孢杆菌通过驱动碳磷循环直接促进植物生长。

结论与意义

本研究明确枯草芽孢杆菌可通过分泌有机酸活化土壤磷钾养分、调控酶活性与微生物群落结构，显著提升高羊茅在砾石土壤中的适应性。相较于传统营养添加，微生物接种更可持续地改善土壤肥力，为高寒区工程废弃地的生态修复提供了低成本、高效的技术路径。未来需进一步优化菌剂施用条件，并解析枯草芽孢杆菌代谢产物与土著微生物的互作机制。