摘要：肯尼亚北部的干旱草原上，干季的烈日炙烤着龟裂的土地。为对抗愈演愈烈的生态退化，当地社区在连绵的浅丘间筑起上千道弧形土埂——这些被称为“水土保持埂”（water bunds）的半圆形结构，如同大地张开的臂弯，试图捕捉每一滴转瞬即逝的雨水。它们承载着一个质朴的愿景
本文来源：“海洋与湿地”（OceanWetlands）
肯尼亚北部的干旱草原上，干季的烈日炙烤着龟裂的土地。为对抗愈演愈烈的生态退化，当地社区在连绵的浅丘间筑起上千道弧形土埂——这些被称为“水土保持埂”（water bunds）的半圆形结构，如同大地张开的臂弯，试图捕捉每一滴转瞬即逝的雨水。它们承载着一个质朴的愿景：用蓄住的水分唤醒沉睡的生机，让黄沙重新染上绿意。然而，土地是否真正在复苏？消失的羚羊与金合欢是否悄然归来？在过去，人们难以真正回答这些问题——传统的生态监测依赖人工长期驻守、标本采集和分类学家的肉眼辨识，在非洲干旱区高昂的成本与严酷环境面前，往往力不从心。
直到一群“土壤侦探”带着基因测序仪踏入这片荒原。2025年，伯尔尼大学Wyss自然学院与肯尼亚科研团队在《Environmental DNA》发表突破性研究：《利用eDNA宏条形码技术监测生态恢复区物种多样性：来自肯尼亚莱基皮亚的启示》（《Harnessing eDNA Metabarcoding to Monitor Species Diversity in Restoration Sites: Insights from Laikipia, Kenya》）。他们通过提取土壤中的环境DNA（eDNA），不仅“听”到了微生物的密语，更破解了水土保持埂背后的生态密码。这项技术如同为土地做了一次无创“CT扫描”——无需惊动草木虫蚁，仅凭一把沙土，便能揭示数百种生物的基因踪迹。在年均降雨不足750毫米的莱基皮亚郡，这场静默的科技革命，正为全球干旱区生态恢复打开一扇全新的观测窗。
图1 肯尼亚在非洲大陆的位置示意图 地图来源：Google Maps
一、基因侦探的秘密武器——eDNA技术如何培育生态监测？
环境DNA（environmental DNA，eDNA）是一种从水、空气或土壤等介质中提取的遗传物质。哪怕不直接观察动植物个体，仅凭它们留下的花粉、细胞、排泄物等痕迹，我们也能判断它们曾在某处存在。近年来，科学家结合高通量测序与“宏条形码”技术，发展出一种可以同时识别样本中成百上千种生物DNA的新方法。这种技术原本多用于水生系统，如湖泊、河流或湿地的生物多样性监测。而在这项由伯尔尼大学Wyss自然学院等研究机构主导的试点研究中，eDNA首次被带入非洲内陆的干旱地区。2023年初，研究团队在肯尼亚莱基皮亚郡的Lower Naibunga社区保护地启动了一个具有探索性的工作：在当地社区修建的5000多个水土保持埂（water bunds）中，科学家们随机选择了18个位点进行土壤采样，通过eDNA分析微生物与植物的多样性组成。这一研究不仅尝试评估这些自然基解决方案（Nature-based Solutions, NbS）的生态恢复效果，也希望构建起一种在资源受限地区可持续、高效的生态监测方法框架。
在肯尼亚ASALs（Arid and Semi-Arid Lands，干旱与半干旱地区）等生态系统中，传统生态监测手段面临许多挑战。实地观察、人工采样和标本分析通常耗时耗力，依赖经验丰富的分类学者，并可能干扰脆弱的栖息地。而eDNA技术则在多个层面提供了解决路径。首先，它非侵入、不破坏原地环境，仅通过土壤或水体样本即可分析出其中的遗传信息。其次，它能一次性覆盖多种生物类群，从根际细菌到草本植物，从孢子到种子，甚至包括生命周期中特定阶段中难以被肉眼观测的隐蔽种群。最后，高通量测序手段提供了前所未有的分辨率，使得即使是低丰度、稀有或间歇性存在的物种也能被捕捉。这些优势让eDNA不仅适用于实验室控制条件下的研究，更具备在复杂野外环境中作为“快速检测工具”的潜力。在莱基皮亚的干旱环境中，eDNA成为一种有望补足传统手段盲区的“千里眼”和“体检仪”。
正是基于上述优势，研究团队选择eDNA技术作为切入点，首次系统性地评估水土保持埂对生态恢复的影响。对于一个80%以上国土被ASALs覆盖的国家而言，快速、精准地掌握生态系统的动态变化，是实施恢复政策的基础。而像水土保持埂这样简易、高频部署的NbS措施，如果缺乏科学监测，其成效往往难以被量化。eDNA技术能为此提供恢复初期的“物种快照”，并捕捉不同生物类群的响应信号。然而，这项技术同样存在一定局限性：一方面，它的识别依赖于完整的参考数据库，如果某些本地物种尚未被纳入，如本研究中最初播种的非洲画眉草（Eragrostis superba），就可能在数据库中缺席，进而被误判为近缘物种垂柳草（E. curvula）；另一方面，eDNA虽然能“识别存在”，但难以判断个体数量、生物活性或种群年龄结构，仍需与实地调查等传统方法协同使用。即便如此，这项试点已充分展示了eDNA作为干旱区生态监测基础工具的潜力，为ASALs生态治理提供了一种兼具精度与可行性的思路。
二、肯尼亚莱基皮亚的土地故事：水土保持埂与当地生态图谱
肯尼亚莱基皮亚郡的Lower Naibunga社区保护地，位于Ewaso Ng’iro河流域的丘陵地带，是一片典型的半干旱草灌混生区。这里地形起伏、植被稀疏，年均降雨量仅约750毫米，降水主要集中在短暂的两季，其余时间漫长干旱，水源匮乏。尽管自然环境严酷，这片土地仍然孕育着多样的本地植物和野生动物，也承载着游牧社区赖以生存的生态系统与文化传统。近年来，气候变暖、过度放牧和农业压力交织加剧，使得Naibunga地区的土地退化问题愈加严峻，表现为土壤贫瘠、生物多样性下降和生态功能削弱。在这样的背景下，该区域被确定为生态恢复的优先试点。2023年，当地社区在Wyss自然学院支持下，于六个具有代表性的片区内挖掘了约5000个半圆形水土保持埂，希望通过聚水保墒的方式，为这片干旱土地恢复生机。这些排列密集的结构，不仅是应对极端气候的实践尝试，也构成了科学家评估恢复效果的重要观测单元。
图 2 肯尼亚莱基皮亚郡Lower Naibunga社区保护地研究区域及水土保持埂（编号1-6）位置示意图
水土保持埂是一种结构简洁但生态功能显著的NbS。它通常由泥土在地表浅层堆筑而成，呈半圆形，开口朝向坡下，用于拦截和滞留短时暴雨所产生的地表径流。正是这种看似简单的结构，在肯尼亚ASALs等水资源短缺、植被稀薄的地区，展现出显著成效。在雨季，水土保持埂如同一个个嵌入地表的“水兜”，帮助雨水渗入土壤、补充水分；而在旱季，则在微地形中形成持续的湿度滞留带，有利于维持植物根系生长所需的基础水分。长期来看，这些结构不仅减少了土壤侵蚀和径流损失，也为本地植物、微生物乃至昆虫和小型动物创造了更加稳定的小气候微环境。它们像是镶嵌在土地上的生态“微单元”，具有恢复力强、可复制性高等优点，适合在大面积退化区域进行推广。因此，科学界亟需建立系统方法，来监测这些微结构是否真正提升了区域的生物多样性与土壤健康。
图 3 肯尼亚莱基皮亚郡Naibunga社区保护地通过水土保持埂进行景观恢复的照片
为验证水土保持埂对生态系统带来的影响，研究团队在5000多个埂位中，基于地理代表性与可达性，随机选取了6个区域，每个区域抽取3个埂位，共计18个采样点。这些水土保持埂宽约2.5米、长5米，研究人员在每个埂中等距布点取土，并在现场去除表层杂质后混合样本，以保证代表性。随后，样本被冷链运输至实验室，开展环境DNA提取与宏条形码测序。本次研究聚焦两类生物指标：一是利用16S核糖体DNA（16S rDNA）分析土壤微生物（细菌与古菌）群落，二是利用rbcL基因识别植物物种。这种技术路径在第一部分中已介绍其优势，此处不再赘述。但值得强调的是，这是eDNA宏条形码技术首次在非洲ASALs区域的大尺度NbS项目中进行实地试点。研究不仅希望借此绘制土壤中的生物组成“快照”，也意在为未来构建可持续、低干扰、跨时段监测体系提供经验。面对生态恢复项目长期缺乏连续数据的问题，这项采样设计与技术应用的结合，为后续评估机制打开了新的方法学可能。
三、土壤里的生命合唱：微生物与植物的生态信号
当18个水土保持埂的土样在实验室中完成16S核糖体DNA（16S rDNA）条形码测序后，一幅复杂而繁盛的微生物图谱渐渐显现。研究共识别出超过500种细菌属，涵盖40多个门类，显示出出人意料的微生物多样性。在这些土壤居民中，植物生长促进根际细菌（Plant Growth-Promoting Rhizobacteria, PGPR）尤其引人关注。像环状芽孢杆菌（Bacillus circulans）、韩国芽孢杆菌（Bacillus koreensis）、解淀粉芽孢杆菌（Anoxybacillus amylolyticus）这类PGPR几乎在所有采样点中都被检测到，它们能在植物根部定殖，溶解土壤中难以利用的磷和钾，分泌植物激素，增强植物对干旱、盐碱、极端温度等环境胁迫的适应能力。更重要的是，它们还能诱导植物产生系统性抗性，抵御土传病原菌。在微观尺度上，这些细菌正如无声的恢复“工匠”，借助水土保持埂提供的微环境，悄然推动着植物复苏与土壤功能再生。
除了PGPR，eDNA还揭示了多个具备生态调节与修复潜力的微生物类群，勾勒出一套复杂的地下“生态操作系统”。例如，高山节杆菌（Arthrobacter alpinus）因其可分解有机与无机硫化物，具备生物修复污染的能力，成为恢复退化土壤的重要角色。研究还发现多种参与氮循环的微生物，如尿素八叠球菌（Sporosarcina ureae）能分解尿素，流水短芽孢杆菌（Brevibacillus fluminis）与副短短芽孢杆菌（Brevibacillus parabrevis）则促进氮素转化，为植物提供更易吸收的营养形态。在干旱区，氮是限制植物生长的关键要素之一。更为关键的是，埃尔坎尼中慢生根瘤菌（Bradyrhizobium elkanii）和圆明慢生根瘤菌（Bradyrhizobium yuanmingense）等固氮菌广泛存在于各采样点，它们可与豆科植物共生，形成根瘤固定大气中的氮气，为恢复过程中的“先锋植物”提供必要养分。这些菌群不仅维系了土壤生态系统的功能运转，也增强了整个生态恢复过程的稳定性和韧性。
图 4 研究区域不同水土保持埂（地点1-6）中相对丰度最高的20种细菌物种
借助rbcL基因区域，研究团队描绘出了水土保持埂附近植物多样性的潜在图谱。从数据中可以看到，既有人工种植的非洲狐尾草（Cenchrus ciliaris）和其近缘种弯叶画眉草（Eragrostis curvula），也出现了多种原生或野生功能植物。例如，非洲马齿苋（Zaleya pentandra）作为耐旱地被植物，不仅能稳固土壤，还具有药用潜力；蔓花生（Arachis duranensis）为栽培花生的野生祖先，具备高度抗逆性，在未来干旱区作物育种中具有价值；鹰嘴豆（Cicer arietinum）是ASALs（干旱与半干旱地区）重要的豆类主粮，而狮耳花（Leonotis leonurus）则因其传统药用特性和潜在活性成分而受到关注。这些植物不仅支持生态恢复，也与当地社区的生计和文化高度相关。然而，数据中也出现了需要警惕的信号：毛果天芥菜（Heliotropium europaeum）为对牲畜有毒的杂草，可能带来牧养风险；而恢复性强的非洲狐尾草（Cenchrus ciliaris）和外来物种野黍（Eriochloa villosa）则存在入侵潜力，具有化感作用，可能抑制本地植物生长。这些发现提醒我们，生态干预的物种选择不仅要考虑“成活率”，更要兼顾长期的系统稳定性与本地多样性，避免在“快速恢复”中埋下新的生态隐患。
图 5 研究区域不同水土保持埂（地点1-6）中相对丰度最高的20种植物物种
这项在肯尼亚莱基皮亚开展的试点研究，不只是一次方法测试，更像是一场对生态恢复逻辑的重新诘问。借助eDNA宏条形码测序，科学家们从一捧土壤中识别出数百种微生物与植物遗传信息，揭示了水土保持埂在改善地下生物多样性方面的潜力，也捕捉到某些入侵物种和毒性植物的早期信号。它提醒我们：恢复生态不仅是播种和绿化，更是重建一种被忽视的生态关系网。eDNA技术的非侵入性、高通量与时间敏感性，提供了新的可能，但任何工具都无法独立承担恢复的全貌。真正的生态监测，应当整合遥感、大数据、生物组学与在地社区的长期参与，形成科学与经验协同、前沿技术与在地知识并存的系统框架。我们或许无法阻止干旱气候的逼近，但可以选择用更温和、深入的方式重塑人与土地的关系——从一把尘土开始，倾听它的过去，也预见它的未来。
来源：阿又科学科普
