eDNA成非洲干地修復監測新利器！肯尼亞的生物監測案例

本文來源于海潮天下（Marine Biodiversity）

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作者 | 周子又

出品 | 海潮天下

肯尼亞北部的干旱草原上，干季的烈日炙烤著龜裂的土地。為對抗愈演愈烈的生態退化，當地社區在連綿的淺丘間筑起上千道弧形土埂——這些被稱為“水土保持埂”（water bunds）的半圓形結構，如同大地張開的臂彎，試圖捕捉每一滴轉瞬即逝的雨水。它們承載著一個質樸的愿景：用蓄住的水分喚醒沉睡的生機，讓黃沙重新染上綠意。然而，土地是否真正在復蘇？消失的羚羊與金合歡是否悄然歸來？

在過去，人們難以真正回答這些問題——傳統的生態監測依賴人工長期駐守、標本采集和分類學家的肉眼辨識，在非洲干旱區高昂的成本與嚴酷環境面前，往往力不從心。

直到一群“土壤偵探”帶著基因測序儀踏入這片荒原。2025年，伯爾尼大學Wyss自然學院與肯尼亞科研團隊在《Environmental DNA》發表突破性研究：《利用eDNA宏條形碼技術監測生態恢復區物種多樣性：來自肯尼亞萊基皮亞的啟示》（《Harnessing eDNA Metabarcoding to Monitor Species Diversity in Restoration Sites: Insights from Laikipia, Kenya》）。他們通過提取土壤中的環境DNA（eDNA），不僅“聽”到了微生物的密語，更破解了水土保持埂背后的生態密碼。這項技術如同為土地做了一次無創“CT掃描”——無需驚動草木蟲蟻，僅憑一把沙土，便能揭示數百種生物的基因蹤跡。在年均降雨不足750毫米的萊基皮亞郡，科技正為全球干旱區生態恢復打開一扇全新的觀測窗。

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圖1 肯尼亞在非洲大陸的位置示意圖

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eDNA技術如何培育生態監測？

環境DNA（environmental DNA，eDNA）是一種從水、空氣或土壤等介質中提取的遺傳物質。哪怕不直接觀察動植物個體，僅憑它們留下的花粉、細胞、排泄物等痕跡，我們也能判斷它們曾在某處存在。

近年來，科學家結合高通量測序與“宏條形碼”技術，發展出一種可以同時識別樣本中成百上千種生物DNA的新方法。這種技術原本多用于水生系統，如湖泊、河流或濕地的生物多樣性監測。

而在這項由伯爾尼大學Wyss自然學院等研究機構主導的試點研究中，eDNA首次被帶入非洲內陸的干旱地區。2023年初，研究團隊在肯尼亞萊基皮亞郡的Lower Naibunga社區保護地啟動了一個具有探索性的工作：在當地社區修建的5000多個水土保持埂（water bunds）中，科學家們隨機選擇了18個位點進行土壤采樣，通過eDNA分析微生物與植物的多樣性組成。這一研究嘗試評估這些自然基解決方案（Nature-based Solutions, NbS）的生態恢復效果，希望構建起一種在資源受限地區可持續、高效的生態監測方法框架。

在肯尼亞ASALs（Arid and Semi-Arid Lands，干旱與半干旱地區）等生態系統中，傳統生態監測手段面臨許多挑戰。實地觀察、人工采樣和標本分析通常耗時耗力，依賴經驗豐富的分類學者，并可能干擾脆弱的棲息地。而eDNA技術則在多個層面提供了解決路徑。首先，它非侵入、不破壞原地環境，僅通過土壤或水體樣本即可分析出其中的遺傳信息。其次，它能一次性覆蓋多種生物類群，從根際細菌到草本植物，從孢子到種子，甚至包括生命周期中特定階段中難以被肉眼觀測的隱蔽種群。最后，高通量測序手段提供了前所未有的分辨率，使得即使是低豐度、稀有或間歇性存在的物種也能被捕捉。這些優勢讓eDNA不僅適用于實驗室控制條件下的研究，更具備在復雜野外環境中作為“快速檢測工具”的潛力。在萊基皮亞的干旱環境中，eDNA成為一種有望補足傳統手段盲區的“千里眼”和“體檢儀”。

正是基于上述優勢，研究團隊選擇eDNA技術作為切入點，首次系統性地評估水土保持埂對生態恢復的影響。對于一個80%以上國土被ASALs覆蓋的國家而言，快速、精準地掌握生態系統的動態變化，是實施恢復政策的基礎。而像水土保持埂這樣簡易、高頻部署的NbS措施，如果缺乏科學監測，其成效往往難以被量化。eDNA技術能為此提供恢復初期的“物種快照”，并捕捉不同生物類群的響應信號。然而，這項技術同樣存在一定局限性：一方面，它的識別依賴于完整的參考數據庫，如果某些本地物種尚未被納入，如本研究中最初播種的非洲畫眉草（Eragrostis superba），就可能在數據庫中缺席，進而被誤判為近緣物種垂柳草（E. curvula）；另一方面，eDNA雖然能“識別存在”，但難以判斷個體數量、生物活性或種群年齡結構，仍需與實地調查等傳統方法協同使用。即便如此，這項試點已充分展示了eDNA作為干旱區生態監測基礎工具的潛力，為ASALs生態治理提供了一種兼具精度與可行性的思路。

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水土保持埂與當地生態圖譜

肯尼亞萊基皮亞郡的Lower Naibunga社區保護地，位于Ewaso Ng’iro河流域的丘陵地帶，是一片典型的半干旱草灌混生區。這里地形起伏、植被稀疏，年均降雨量僅約750毫米，降水主要集中在短暫的兩季，其余時間漫長干旱，水源匱乏。盡管自然環境嚴酷，這片土地仍然孕育著多樣的本地植物和野生動物，也承載著游牧社區賴以生存的生態系統與文化傳統。近年來，氣候變暖、過度放牧和農業壓力交織加劇，使得Naibunga地區的土地退化問題愈加嚴峻，表現為土壤貧瘠、生物多樣性下降和生態功能削弱。在這樣的背景下，該區域被確定為生態恢復的優先試點。2023年，當地社區在Wyss自然學院支持下，于六個具有代表性的片區內挖掘了約5000個半圓形水土保持埂，希望通過聚水保墑的方式，為這片干旱土地恢復生機。這些排列密集的結構，不僅是應對極端氣候的實踐嘗試，也構成了科學家評估恢復效果的重要觀測單元。

圖 2 肯尼亞萊基皮亞郡Lower Naibunga社區保護地研究區域及水土保持埂（編號1-6）位置示意圖

水土保持埂是一種結構簡潔但生態功能顯著的基于自然的解決方案（NbS)。

它通常由泥土在地表淺層堆筑而成，呈半圓形，開口朝向坡下，用于攔截和滯留短時暴雨所產生的地表徑流。正是這種看似簡單的結構，在肯尼亞ASALs等水資源短缺、植被稀薄的地區，展現出顯著成效。

在雨季，水土保持埂如同一個個嵌入地表的“水兜”，幫助雨水滲入土壤、補充水分；而在旱季，則在微地形中形成持續的濕度滯留帶，有利于維持植物根系生長所需的基礎水分。

長期來看，這些結構減少了土壤侵蝕和徑流損失，為本地植物、微生物乃至昆蟲和小型動物創造了更加穩定的小氣候微環境。它們像是鑲嵌在土地上的生態“微單元”，具有恢復力強、可復制性高等優點，適合在大面積退化區域進行推廣。

因此，科學界亟需建立系統方法，來監測這些微結構是否真正提升了區域的生物多樣性與土壤健康。

圖 3 肯尼亞萊基皮亞郡Naibunga社區保護地通過水土保持埂進行景觀恢復的照片

為驗證水土保持埂對生態系統帶來的影響，研究團隊在5000多個埂位中，基于地理代表性與可達性，隨機選取了6個區域，每個區域抽取3個埂位，共計18個采樣點。這些水土保持埂寬約2.5米、長5米，研究人員在每個埂中等距布點取土，并在現場去除表層雜質后混合樣本，以保證代表性。

隨后，樣本被冷鏈運輸至實驗室，開展環境DNA提取與宏條形碼測序。

本次研究聚焦兩類生物指標：一是利用16S核糖體DNA（16S rDNA）分析土壤微生物（細菌與古菌）群落，二是利用rbcL基因識別植物物種。這種技術路徑在第一部分中已介紹其優勢，此處不再贅述。但值得強調的是，這是eDNA宏條形碼技術首次在非洲ASALs區域的大尺度NbS項目中進行實地試點。研究希望借此繪制土壤中的生物組成“快照”，也意在為未來構建可持續、低干擾、跨時段監測體系提供經驗。

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微生物與植物的生態信號

當18個水土保持埂的土樣在實驗室中完成16S核糖體DNA（16S rDNA）條形碼測序后，一幅復雜而繁盛的微生物圖譜漸漸顯現。研究共識別出超過500種細菌屬，涵蓋40多個門類，顯示出出人意料的微生物多樣性。在這些土壤居民中，植物生長促進根際細菌（Plant Growth-Promoting Rhizobacteria, PGPR）尤其引人關注。像環狀芽孢桿菌（Bacillus circulans）、韓國芽孢桿菌（Bacillus koreensis）、解淀粉芽孢桿菌（Anoxybacillus amylolyticus）這類PGPR幾乎在所有采樣點中都被檢測到，它們能在植物根部定殖，溶解土壤中難以利用的磷和鉀，分泌植物激素，增強植物對干旱、鹽堿、極端溫度等環境脅迫的適應能力。更重要的是，它們還能誘導植物產生系統性抗性，抵御土傳病原菌。在微觀尺度上，這些細菌正如無聲的恢復“工匠”，借助水土保持埂提供的微環境，悄然推動著植物復蘇與土壤功能再生。

除了PGPR，eDNA還揭示了多個具備生態調節與修復潛力的微生物類群，勾勒出一套復雜的地下“生態操作系統”。例如，高山節桿菌（Arthrobacter alpinus）因其可分解有機與無機硫化物，具備生物修復污染的能力，成為恢復退化土壤的重要角色。研究還發現多種參與氮循環的微生物，如尿素八疊球菌（Sporosarcina ureae）能分解尿素，流水短芽孢桿菌（Brevibacillus fluminis）與副短短芽孢桿菌（Brevibacillus parabrevis）則促進氮素轉化，為植物提供更易吸收的營養形態。在干旱區，氮是限制植物生長的關鍵要素之一。更為關鍵的是，埃爾坎尼中慢生根瘤菌（Bradyrhizobium elkanii）和圓明慢生根瘤菌（Bradyrhizobium yuanmingense）等固氮菌廣泛存在于各采樣點，它們可與豆科植物共生，形成根瘤固定大氣中的氮氣，為恢復過程中的“先鋒植物”提供必要養分。這些菌群不僅維系了土壤生態系統的功能運轉，也增強了整個生態恢復過程的穩定性和韌性。

圖 4 研究區域不同水土保持埂（地點1-6）中相對豐度最高的20種細菌物種

借助rbcL基因區域，研究團隊描繪出了水土保持埂附近植物多樣性的潛在圖譜。從數據中可以看到，既有人工種植的非洲狐尾草（Cenchrus ciliaris）和其近緣種彎葉畫眉草（Eragrostis curvula），也出現了多種原生或野生功能植物。例如，非洲馬齒莧（Zaleya pentandra）作為耐旱地被植物，不僅能穩固土壤，還具有藥用潛力；蔓花生（Arachis duranensis）為栽培花生的野生祖先，具備高度抗逆性，在未來干旱區作物育種中具有價值；鷹嘴豆（Cicer arietinum）是ASALs（干旱與半干旱地區）重要的豆類主糧，而獅耳花（Leonotis leonurus）則因其傳統藥用特性和潛在活性成分而受到關注。這些植物不僅支持生態恢復，也與當地社區的生計和文化高度相關。然而，數據中也出現了需要警惕的信號：毛果天芥菜（Heliotropium europaeum）為對牲畜有毒的雜草，可能帶來牧養風險；而恢復性強的非洲狐尾草（Cenchrus ciliaris）和外來物種野黍（Eriochloa villosa）則存在入侵潛力，具有化感作用，可能抑制本地植物生長。這些發現提醒我們，生態干預的物種選擇除了考慮“成活率”，也得兼顧長期的系統穩定性與本地多樣性，避免在“快速恢復”中埋下新的生態隱患。

圖 5 研究區域不同水土保持埂（地點1-6）中相對豐度最高的20種植物物種

這項在肯尼亞萊基皮亞開展的試點研究，借助eDNA宏條形碼測序，科學家們從一捧土壤中識別出數百種微生物與植物遺傳信息，揭示了水土保持埂在改善地下生物多樣性方面的潛力，也捕捉到某些入侵物種和毒性植物的早期信號。它提醒我們：恢復生態不僅是播種和綠化，更重要的是要重建一種被忽視的生態關系網。eDNA技術的非侵入性、高通量與時間敏感性，提供了新的可能，但任何工具都無法獨立承擔恢復的全貌。真正的生態監測，應當整合遙感、大數據、生物組學與在地社區的長期參與，形成科學與經驗協同、前沿技術與在地知識并存的系統框架。

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（注：本文僅代表資訊，不代表平臺觀點。歡迎留言、討論。）

文 | 周子又

編輯 | 海潮君

排版 | Ivy Zhou

關于作者

周子又（Ivy Zhou），丹麥哥本哈根大學環境與發展專業，重點關注碳排放與氣候政策、自然資源管理與可持續發展，以及全球環境治理方面的進展。

【參考資料】

Harnessing eDNA Metabarcoding to Monitor Species Diversity in Restoration Sites: Insights From Laikipia, Kenya

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/edn3.70110?msockid=3072e38ca6b96e3b3b30f0fea7b56fc2