研究揭示森林演替驅動生物固氮及其關鍵機制

2020-12-02 生物谷




傳統觀點和理論研究認為生物固氮速率在森林演替初期或中期達到峰值，而演替後期生物固氮逐漸減弱甚至停止。這樣的觀點主要基於兩個基本假設。其一，演替初期或中期土壤養分（尤其是氮）貧瘠，固氮植物和固氮微生物在生態系統中佔有優勢地位；但演替過程土壤氮逐漸累積增加，因此演替後期生物固氮已不具有競爭優勢，固氮速率降低或者終止。其二，磷是參與固氮反應的重要能源物質（ATP）和固氮生物生長的重要養分，隨著演替過程土壤磷的消耗，演替後期生物固氮受磷的限制。儘管這樣的觀點和假設機制已得到普遍的驗證，它們無法解釋自然界中長期存在的「悖論」現象，即仍有多數土壤富氮或者磷限制的成熟林仍維持較高的固氮速率。

中國科學院華南植物園生態中心博士後鄭棉海等人在研究員莫江明指導下，選擇鼎湖山三個處於不同演替階段的森林開展研究，測定三個森林的多種基質（土壤、凋落物和苔蘚）的固氮速率，發現隨著森林演替的進行，雖然基質氮的濃度增加並且磷限制也加劇，生物固氮速率沒有減少反而增加。通過線性回歸模型分析發現，基質氮或磷的濃度沒有直接影響固氮速率，而基質碳氮和碳氮磷計量比可以解釋固氮速率的變化。通過結構方程模型分析表明，森林演替過程通過改變基質的資源化學計量比驅動生物固氮。研究團隊以鶴山、石門臺和鼎湖山等多個不同年齡梯度（30~400年）森林再次進行研究也得到了類似結論，即森林發展過程通過改變基質的資源化學計量比驅動生物固氮。

該研究結果挑戰了傳統觀點（生物固氮在生態系統演替初期或中期達到峰值）和假設機制（演替後期土壤富氮和磷限制會抑制生物固氮），暗示了森林演替後期生物固氮仍然是一個不可忽視的氮源。前期，該團隊已揭示了資源化學計量比在調控富氮森林不同組織層次（空間維度）生物固氮的重要性（Zheng et al. 2018； Ecology），研究進一步揭示了森林演替和發展過程（時間尺度）生物固氮受碳、氮和磷等多種資源的共同調控而並非受單一養分的影響。相關研究結果已發表在生態學領域刊物Ecology Letters上。該研究得到國家自然科學基金和博士後創新人才計劃等資助。(

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