豆科植物:维持草地氮平衡的“好邻居”

国家林业和草原局政府网 http://www.forestry.gov.cn/2020-07-30来源:中国绿色时报
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  近日,中国林业科学研究院研究员许涵团队在《自然·通讯生物学》杂志在线发表重要成果,对豆科植物与其邻居植物之间的组成关系及其对邻体植物生产力和多样性的影响进行深度揭秘。该团队还提出假说:被广泛认为是植物界“最美邻居”的豆科植物,并非以往所熟知的完全利他主义的“好邻居”形象,反而可能更多表现出“利己主义”。

  氮素是生态系统最为重要的营养物质,一些豆科植物不仅能固定大气中的氮,还能向周围环境或植物提供有效氮来源并活化根际的土壤磷环境,从而在生态系统的养分循环中发挥着非常重要的作用。以往在农作物系统研究表明,豆科植物在改良土壤肥力、保持水土、提供多种经济产品方面功能显著。它不仅是高蛋白优质牧草,还具有生物固氮能力,对维持草地生态系统中土壤-植物-动物之间的氮平衡有重要作用。播种豆科灌木和豆科牧草,是解决大面积人工林、草场“氮缺乏”的有效措施。因此,在农作物系统中,豆科植物通常被认为有利于提高农业生态系统的邻体生产力和多样性。

  但是在森林中,豆科植物固定的氮素是否能及时有效地分享给邻居植物?在森林特别是存在非常丰富豆科植物的热带森林中是否也存在同样规律:豆科植物在提高邻体生产力的同时,是否也能提高邻体多样性?素有植物界“好邻居”之称的豆科植物是否真是这样?

  许涵说,为解开这个谜团,团队通过在野外实验和室内控制实验找到更多依据。他们以海南尖峰岭60公顷热带雨林大样地中的7种豆科植物及其邻居组成为样本,采用叶片氮同位素组成来分析这7种豆科植物的生物固氮能力,分析它们的空间分布特征和邻体多样性,发现并解释了豆科植物与其邻居构成关系的形成机制。研究结果在全球11个16-60公顷的森林大样地数据中得到验证。

  为科学解释豆科植物在土壤氮空间分布中对其邻体多样性的影响,团队创新提出“固氮策略分化假说”和“资源需求分化假说”。此外,团队还论证指出,分布在高土壤有效氮生境下的豆科植物表现出更高的生物固氮能力和更高的非豆科植物邻体多样性,其生物固氮能力与其所在的土壤有效氮的空间分布显著相关,符合“资源需求分化假说”。简单来说,就是自然界是处在平衡状态,豆科植物如果已满足自己在氮资源方面的需求,那么它就会减少与邻体植物的竞争关系,可以说是先“利己”,后“利它”,最后达到互利共生、和谐共存。

  “团队前期研究可初步断定,森林中大多数豆科植物提供土壤氮的‘利它效应’主要体现在豆科植物死亡后植物残体归还到土壤中得以实现。在热带天然林中,不同豆科植物的氮需求和生物固氮效率存在很大差异,正是这种差异影响了豆科植物的邻居是由哪些物种构成,以及这些邻体物种数量的多少。”许涵说。

  不过,豆科植物作为重要的固氮植物对生态系统仍有积极贡献。许涵以种植最广泛的海南黄花梨为例介绍道,是否种植纯林、其邻体匹配什么树种、种植密度比例多少等,都要求对海南黄花梨的固氮能力和效率及其与邻体关系逐一了解,探明其生物生态学特性,才能做详细的森林经营设计,以构建高多样性、稳定性和生产力的森林。

  许涵说,这些研究是在热带亚热带森林中开展的,而豆科植物的“利己主义”对草原生物多样性和保持草地生态系统生产力的影响,还需林草科学工作者进一步深入研究。(记者 王辰 宋平)  


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