二十四小時(shí)，兩只地鼠改變一座火山

1980年5月18日，美國(guó)華盛頓州的圣海倫斯火山突然爆發(fā)，噴出了上百萬(wàn)噸二氧化硫和數(shù)億噸火山灰，成了美國(guó)歷史上最具破壞性的火山爆發(fā)事件之一。浮巖和火山灰一直蔓延至距離火山口數(shù)百千米外的區(qū)域，喀斯喀特山脈超過(guò)350平方千米的針葉林和山地棲息地化為灰燼。

這場(chǎng)火山噴發(fā)造成的破壞不僅限于地表，其對(duì)地下生態(tài)系統(tǒng)的影響同樣深遠(yuǎn)。原本活躍的土壤微生物幾乎被滾燙的火山灰消滅殆盡。同時(shí)，火山灰讓土壤變得更偏酸性，地下生態(tài)功能嚴(yán)重受損，進(jìn)一步抑制了植被生長(zhǎng)。即便在火山噴發(fā)兩年后，這片土地仍然荒蕪一片，難覓生命的蹤跡。

美國(guó)猶他州立大學(xué)的科學(xué)家邁克爾·F.艾倫和詹姆斯·A.麥克馬洪猜想，雖然這里的表層土壤已經(jīng)被摧毀，但深層土壤中可能還保留有活著的細(xì)菌和真菌，它們或許能成為推動(dòng)植被恢復(fù)的希望。

艾倫和麥克馬洪提出了一個(gè)大膽的想法：如果能將土壤深處殘存的細(xì)菌和真菌“挖”到表層，或許能幫助這片土地重啟生態(tài)恢復(fù)的過(guò)程。于是，他們把目光投向了一種以挖洞能力聞名的動(dòng)物——北部囊鼠。這種小型囊地鼠原生于北美，渾身覆蓋著棕色長(zhǎng)毛。據(jù)說(shuō)，每只北部囊鼠每月能松動(dòng)多達(dá)227千克的土壤。

為了驗(yàn)證這一猜想，他們?cè)诒换鹕交腋采w的特定區(qū)域放置了兩只北部囊鼠，讓它們?cè)诖说鼗顒?dòng)一天。在近期發(fā)表于《微生物組前沿》雜志的一篇論文中，他們?cè)u(píng)估了這一試驗(yàn)的長(zhǎng)期影響。

北部囊鼠的力量

1982年9月和1983年8月，艾倫和麥克馬洪踏上了圣海倫斯火山以北的浮巖平原。這片區(qū)域位于精靈湖北側(cè)，覆蓋著超過(guò)20米厚的火山灰，荒蕪得幾乎沒(méi)有生命跡象，僅有幾株太平洋羽扇豆零星生長(zhǎng)。

在浮巖平原和另一處被火山噴發(fā)夷為平地的區(qū)域，艾倫和麥克馬洪各設(shè)置了一平方米大小的鐵絲網(wǎng)圍欄，各圍住一株太平洋羽扇豆，并分別放入一只在當(dāng)?shù)夭东@的北部囊鼠。兩只北部囊鼠在圍欄中僅待了24小時(shí)，其間它們自由活動(dòng)，隨后便被移走。令人驚訝的是，一段時(shí)間后，圍欄中的太平洋羽扇豆就長(zhǎng)出了叢枝狀菌根，而圍欄外的植株則沒(méi)有出現(xiàn)類似的變化。

菌根是植物根系與真菌形成的一種共生結(jié)構(gòu)，對(duì)植被的恢復(fù)至關(guān)重要。因?yàn)榇蠖鄶?shù)植物無(wú)法單靠自身有效獲取所有需要的養(yǎng)分，而需要依賴這些微小但功能強(qiáng)大的真菌伙伴。直徑僅幾微米的菌絲會(huì)在土壤中形成龐大的網(wǎng)絡(luò)，利用其巨大的表面積從環(huán)境中汲取養(yǎng)分并輸送給植物。與此同時(shí)，這些共生體還能幫助植物抵御土壤中的病原體。作為回報(bào)，植物會(huì)為真菌提供生長(zhǎng)所需的有機(jī)物。

試驗(yàn)結(jié)束6年后，艾倫和麥克馬洪發(fā)現(xiàn)，曾放置北部囊鼠的地塊與未放置的地塊之間已呈現(xiàn)出截然不同的景象。那些北部囊鼠短暫造訪過(guò)的地塊上，已郁郁蔥蔥地生長(zhǎng)出諸多植物，而未曾放置北部囊鼠的區(qū)域依舊荒涼。

北部囊鼠之所以能對(duì)生態(tài)恢復(fù)產(chǎn)生如此巨大的影響，關(guān)鍵在于它們的挖洞和翻土行為。通過(guò)這些活動(dòng)，它們將深層土壤與地表火山灰充分混合，把對(duì)于土壤生態(tài)至關(guān)重要的真菌、種子和昆蟲(chóng)帶到地表。此外，北部囊鼠的糞便中也含有真菌、真菌孢子以及植物種子，它們的排泄行為給這片土地帶來(lái)了生機(jī)。

持久的影響

2014年7月，艾倫和麥克馬洪再次踏上這片熟悉的土地，對(duì)浮巖平原試驗(yàn)區(qū)和非試驗(yàn)區(qū)的土壤進(jìn)行了采樣。作為對(duì)比，他們還前往了一片距離浮巖平原不遠(yuǎn)的區(qū)域——熊草甸。這片區(qū)域同樣在1980年被厚厚的火山灰覆蓋，但因歷史原因呈現(xiàn)出兩種截然不同的景觀：一部分因采伐早已變成草甸，另一部分則保留著古老的森林。研究人員分別從這兩個(gè)區(qū)域中采集土壤樣本，與浮巖平原的樣本一同送回實(shí)驗(yàn)室，分析它們的化學(xué)和微生物組成。

在化學(xué)成分分析中，他們重點(diǎn)關(guān)注了土壤中的碳和氮含量，這些指標(biāo)與土壤中的微生物含量相關(guān)，因?yàn)槲⑸锬軐鞭D(zhuǎn)化為有機(jī)氮并固定在土壤中。結(jié)果顯示，浮巖平原區(qū)域土壤的碳和氮含量普遍低于熊草甸森林區(qū)域土壤的碳和氮含量。然而，在浮巖平原內(nèi)部，曾經(jīng)放置過(guò)北部囊鼠的試驗(yàn)區(qū)土壤中的碳和氮含量明顯高于未曾放置囊鼠區(qū)域的。這意味著，40年前那只僅僅待了24小時(shí)的北部囊鼠，為這片土地注入了持久的生機(jī)。

而對(duì)土壤中的微生物DNA分析結(jié)果表明，曾經(jīng)放置北部囊鼠的試驗(yàn)區(qū)域與未放置囊鼠的普通區(qū)域，其土壤中的微生物群落組成有明顯差異，試驗(yàn)區(qū)域的細(xì)菌和真菌多樣性甚至超過(guò)了熊草甸森林區(qū)域的。尤其是在試驗(yàn)區(qū)域，叢枝狀菌根的多樣性顯著增加。這一結(jié)果表明，北部囊鼠不僅改變了土壤的化學(xué)成分，還在微生物群落的長(zhǎng)期演替中扮演了關(guān)鍵角色。

這項(xiàng)研究再次印證了微生物對(duì)生態(tài)恢復(fù)的重要性。1980年火山噴發(fā)之前，熊草甸的森林區(qū)域中主要生長(zhǎng)著松樹(shù)、云杉和冷杉等針葉林?；鹕交业母采w導(dǎo)致大量針葉脫落，科學(xué)家一度擔(dān)心這片森林將徹底消失。但出乎意料的是，森林區(qū)域的恢復(fù)速度非常快，某些區(qū)域的樹(shù)木幾乎在災(zāi)后立即開(kāi)始生長(zhǎng)，伐木區(qū)卻依然貧瘠。研究人員認(rèn)為，這種差異與脫落的針葉密切相關(guān)，它們滋養(yǎng)了土壤中的真菌，從而幫助樹(shù)木迅速再生。

這項(xiàng)研究提醒我們，自然界中萬(wàn)事萬(wàn)物都緊密相連。無(wú)論是肉眼可見(jiàn)的植物和動(dòng)物，還是微小到無(wú)法直接感知的微生物，它們都可能成為生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵力量。

（曲 沃摘自微信公眾號(hào)“環(huán)球科學(xué)”）