中国西北宁夏地区退化葡萄园中的根际细菌群落及促生长细菌的功能验证

《Applied Soil Ecology》：Rhizospheric bacterial communities and growth-promoting bacteria functional verification in the reclaimed vineyards of Ningxia in Northwest China

本研究揭示宁夏复垦葡萄园土壤微生物群落结构受总氮、有机碳及钾含量主导，分离的Lysinibacillus、Bacillus、Priestia和Pseudomonas等PGPR通过代谢调控显著提升葡萄光合速率（0.72-1.34 μmol·m?2·s?1）及生物量，为可持续 viticulture 提供 biostimulant 优化策略。

　　
宁夏贺兰山东麓地区葡萄园土壤微生物群研究取得突破性进展，该成果为荒漠化治理区可持续酿酒葡萄栽培提供了重要理论支撑与实践指导。研究团队通过整合宏生态学分析与微生物功能验证技术，系统揭示了土壤理化特性与葡萄根系微生物群落的互作机制，并成功构建了功能互补的微生物合成群落体系。

研究区域位于北纬37°至39°、东经105°45′至106°47′的贺兰山东麓，具有典型中温带干旱气候特征。年均温达34-38℃，昼夜温差约13-15℃，年日照时长超过2800小时。该区域自2010年代启动大规模荒漠化治理工程，通过生态修复技术使超过40万公顷土地转化为优质酿酒葡萄种植区，现已成为中国三大葡萄酒产区之一。

研究团队创新性地采用"宏组学-功能验证-合成群落"三级研究框架。首先通过16S-V3V4基因测序技术对5个不同复垦年限的 Cabernet Sauvignon 和 Syrah 葡萄园进行系统性采样，累计获得357万余条原始序列，经降噪处理后保留314余万条高质量序列。值得注意的是，该测序深度显著高于常规研究，确保了微生物群落的精细解析。

研究发现土壤氮素总量（TN）、有机碳含量（SOC）和钾素总量（TK）构成微生物群落结构的主要驱动因素。其中有机碳与氮素含量呈显著正相关（r=0.82，p<0.01），而钾素水平与放线菌门丰度存在负相关关系（p=0.03）。这种理化特性主导的微生物分布格局，颠覆了传统认知中品种遗传特性对根际菌群的主导作用。

通过选择性培养技术，科研人员成功分离出4大类功能菌群：解淀粉芽孢杆菌（Lysinibacillus）群落的固氮能力突出，其代谢产物可提升土壤速效氮含量达18.7%；芽孢杆菌（Bacillus）亚群展现出卓越的磷酸盐溶解能力，在石灰质土壤中可使有效磷含量提升3.2倍；树状芽孢杆菌（Priestia）则表现出独特的有机酸合成特性，其代谢产物可显著改善土壤pH值至中性范围（6.8-7.2）。特别值得关注的是，Pseudomonas orientalis (LDY9)与Pseudomonas frederiksbergensis (LDY11)组成的二元菌群，在模拟干旱胁迫条件下，可使葡萄幼苗的水分利用效率提升19.3%。

盆栽试验阶段，科研团队构建了三种微生物群落处理体系：单一功能菌群接种（S1）、双菌群协同接种（S2）以及多菌群复合接种（S3）。试验结果显示，S3处理组葡萄的光合速率较对照组提升1.34 μmol·m?2·s?1，鲜重增加达22.7%。这种协同效应源于菌群间的代谢互补——解淀粉芽孢杆菌分泌的脲酶促进氮素转化，磷酸盐溶解菌产生有机酸活化难溶磷，形成营养循环增强效应。

研究首次系统揭示了微生物群落代谢指纹与葡萄生长指标的关联性。质谱分析显示，接种菌群显著富集有机酸类（柠檬酸、苹果酸）、氨基酸前体（谷氨酰胺、天冬酰胺）以及酚类抗氧化物质（原花青素、儿茶素）。这些代谢产物通过双重作用机制促进植物生长：一方面直接作为营养源（如有机酸活化土壤磷钾），另一方面通过调控植物激素水平（如IAA合成促进细胞分裂）间接促进根系发育。

在生态效益方面，研究证实功能菌群接种可使土壤酶活性综合提升35.6%，其中脲酶活性提高42.3%，磷酸酶活性达28.9%。更值得关注的是，接种处理使土壤微生物生物量碳（BCC）在90天内增长1.8倍，形成稳定的微生物-植物共生体系。这种生态修复效应在5年复垦土地上尤为显著，微生物群落的恢复速度较自然演替快3.2倍。

该研究突破传统微生物应用模式，首次实现从单一菌株筛选到功能菌群设计的跨越。通过构建包含4个核心功能类群（Lysinibacillus、Bacillus、Priestia、Pseudomonas）的合成菌群，在控制变量实验中展现出优于单菌接种的2.3倍促生长效果。这种多菌种协同机制更符合自然生态系统的复杂性特征，为后续开发功能微生物制剂提供了新范式。

研究还建立了土壤微生物群落的数字化诊断模型，通过整合16S rRNA测序数据与代谢组学信息，可精准预测不同复垦年限土壤的微生物功能模块。模型显示，3年以上复垦地块中，功能菌群丰度与土壤有机质积累呈指数正相关（R2=0.89），这为制定差异化的土壤改良方案提供了科学依据。

在实践应用层面，研究团队开发出基于功能菌群筛选的"微生物-土壤-植物"三位一体诊断技术。通过检测土壤中Lysinibacillus（≥1.2×1012 CFU/g）和Bacillus（≥8.5×1012 CFU/g）的核心菌群指标，可快速评估葡萄园微生物生态健康度。田间试验表明，该技术指导下的精准接种可使葡萄产量提升18.4%，果实糖酸比优化23.6%，单宁含量增加15.9%，显著优于传统化肥处理。

研究揭示的"土壤理化特性→微生物群落结构→功能代谢产物→植物生长响应"作用链，为全球干旱区农业生态重建提供了理论模型。特别在氮磷钾循环调控方面，发现有机碳与氮素的空间分布存在显著相关性（p<0.05），这为设计靶向功能菌群的土壤改良措施提供了关键靶点。研究数据已整合至"贺兰山微生物资源数据库"，开放共享给全球农业科研机构。

未来研究可重点关注方向包括：1）极端气候条件下菌群功能稳定性研究；2）功能菌群与葡萄品种的互作机制解析；3）微生物合成群落数字化建模技术优化。这些研究将有助于突破当前功能菌群在规模化应用中的瓶颈问题，为全球干旱区特色农业发展提供中国方案。

该成果不仅完善了根际微生物功能组理论，更在生态农业实践中开辟了新路径。通过揭示微生物群落与土壤理化特性的动态平衡关系，为制定精准的微生物肥料施用方案提供了科学依据。研究建立的"环境因子-微生物群落-植物生长"综合评价体系，已在宁夏、新疆、内蒙古等6个葡萄酒产区推广应用，累计减少化肥使用量达37%，同时提升葡萄酒品质指数（WQI）21.3个百分点，产生了显著的经济效益和生态效益。