森林:免费的“氮餐”?吃不起吃不起

作者:鼎湖山站  更新时间:2023-08-15

鼎湖山站郑棉海在中国科普博览发表科普文章“森林:免费的“氮餐”?吃不起吃不起”,主要向公众普及自然界中的“氮”在森林中的作用。呼吁公众尊重和保护大自然,提高环保意识,共同维护我们共同的家园。文章链接:https://mp.weixin.qq.com/s/Txm_7digGo6w-YOeVX9SsA,文章内容如下。

人体需要不断地补充营养物质,自然界中,动物和植物同样也需要不断地补充营养。

与人类相似,在森林这个大家庭中,植物和动物需要的营养物质很多,比如:氮、磷、钾、钙、钠、镁、铁等等。其中,氮是最基础并且非常重要的一种元素。这是因为,没有氮就没有蛋白质,没有蛋白质就没有生命。

植物体内的蛋白质含量最高可达到80-85%,而蛋白质中氮含量平均占了16-18%。在森林中,植物是很多动物的重要的营养食物来源,那植物的营养来源是什么?更进一步说,植物体内的氮是从哪里来的?

森林植物是怎么“吃”到氮的?

森林中的植物看似没有手也没有脚,好像也不会“动”,那它们是如何去获取氮这种营养的呢?

我们先来看看地球上的氮分布在哪里。自然界中,绝大部分氮是以气体(氮气)的形式存在于空气中,氮气占了空气体积的78%。如此高氮含量的空气,是不是意味着植物只需要打开叶片上的气孔,就能轻松把氮气给吸收了?

其实不然,氮气是无法被生物体直接利用的,即便是吸进去也会被原路排出来,因为氮气没法被植物直接“消化”。


空气中的氮气

(图片来源:Veer图库)

那么植物究竟需要怎么做呢?

其实,植物在长期进化的过程中,已经拥有了多种方法来获取氮。

第一种,专门的植物做专门的事。有一类专门获取氮的植物,称为结瘤固氮植物。与其他种类的植物不同,这类植物可以与固氮菌共生合作,从根部结出具有高效固氮能力的“根瘤”。这样一来,空气中的氮气就可以通过根瘤固氮的形式固定下来,然后进一步转化成能被植物消化的“氨”。

正因为有了这种植物与固氮菌合作的基础,植物只需要“讨好”根瘤中的固氮菌(比如,给它们提供一些碳水食物),就可以从固氮菌那里交换得到它们想要的氮了。


固氮植物的根瘤

(图片来源:Veer图库)

第二种,专门的微生物做更多的事。自然界中,如果仅有结瘤植物可以进行固氮也不行,这样的话,氮供应市场岂不是被它们“垄断”了?其实,森林中还有另外一类固氮菌,叫作自生固氮菌。顾名思义,它们没有选择与植物合作,而是自己出来打拼(自生自灭)。它们死亡后形成的残体中保留的氮,可以被微生物分解出来并被植物进一步利用。

自生固氮菌广泛分布在森林中的各个角落,包括土壤、凋落叶、枯枝、腐木、附生植物,以及植物的叶片等等。森林给它们提供了各种各样的栖息环境满足它们,而它们的出现,也造福了森林中很多植物对氮的需求。


微生物固氮

(图片来源:作者自制)

第三种,人类提供免费的“霸王餐”。我们人类建造的工厂、企业,以及交通运输排放到空气的废气中,都有大量含氮的活性化合物。这些含氮化合物可以在空气中随风飘动,最后通过直接降落的方式(干沉降)或者溶于雨水后再降落的方式(湿沉降)进入森林中,被植物吸收和利用,因此人类给森林植物提供了免费的“大餐”。


人类活动引发的大气氮污染

(图片来源:Veer图库)


表面:免费“氮餐”,实际:巨大代价

然而,人类给森林提供的免费“大餐”,似乎扰乱了森林的“市场秩序”。

无论是固氮植物还是固氮菌,它们进行固氮反应都需要消耗大量的能量。而相比之下,有了天上这块掉下的“馅饼”——从空气中降落的含氮化合物,森林何乐不为呢?渐渐地,结瘤固氮植物不再进行结瘤了,固氮菌也似乎不想进行固氮了,大家都倾向于去索取这种不劳而获的空气沉降氮。


氮的供应方式

(图片来源:作者自制)

事实上,自然界是否存在真正“免费的午餐”呢?答案是否定的,当森林缺乏氮的时候(营养不良),获取氮是生物本能的反应。但是,当森林里面的氮已经很丰富了(营养过剩),就会适得其反。

空气沉降的氮这块“馅饼”根本无法听从指挥,久而久之,落入森林中的氮就会越积越多,最终植物可能会因为氮太多而“撑死”,或者因为其他营养成分(磷、钾、钙等等)跟不上(各种营养比例的失衡)而变得“消瘦”。所以,氮的供应太多也不是一件好事,免费的东西也是需要付出代价的。

其实,森林中的固氮植物和固氮菌并不是都具有相同的想法,毕竟不同的选择需要付出不同的代价。因此,仍然会有相当一部分的固氮植物和固氮菌选择“自力更生”,需要多少就去“挣”多少。

在森林中,有些“聪明”(或者说是“懒惰”)的植物和微生物会直接利用空气中沉降下来的氮补充营养,但是也有部分不太“聪明”(或者说是“勤劳”)的固氮菌在消耗着能量进行固氮。

事实上,我们发现,这些看似不太“聪明”的固氮微生物也不“笨”,它们巧妙地利用了森林中的低成本能量(比如,凋落叶和土壤有机质中溶解出来的碳),进行固氮。这种“以碳促氮”的方式,节约了它们自己的能量成本。这也正是森林社会“斗智斗勇”的真实写照。

即便如此,不可否认的是,人类生产和生活所排放的废气已经对森林的正常秩序造成了影响。

我们进一步发现,空气中沉降进入森林的氮先是积累在植物和土壤中,土壤中的氮在微生物的硝化作用下释放出更多氢离子(H+),导致土壤酸化。酸化环境不利于植物和微生物的生长,生物的呼吸减弱,会导致植物细根和微生物死亡。

同时,土壤还会释放出更多含氮温室气体(如N2O),加剧气候变暖。因此,如果不对人为产生的废气加以控制,未来将会造成很多森林的氮营养过剩,可能会引发环境危机。


森林退化

(来源:Veer图库)


保护人类共有的森林家园

森林不仅是动植物的家园,也是我们人类赖以生存的环境。虽然我们不希望森林植物出现“营养不良”,但是我们也应该尊重大自然的规律。短期内,人类活动排放的含氮废气可能有益于植物生长,但长期而言,造成的危害将会是不可估量的。比如,导致植物多样性减少、森林环境恶化、温室效应加剧等等。而这些最终也将影响人类的生活和健康。

当前,人类社会正面临着气候变化的威胁,实现“双碳”目标(碳中和、碳达峰)既是国家战略,也是社会需求。森林是增加碳汇(从大气中吸收温室气体)的重要生态系统,在未来,科学家们将进一步研究增强森林碳汇能力的机理,同时也将探索更多基于生物途径的固碳技术。

对于我们而言,进一步提升保护环境的意识,尊重大自然的规律,科学合理地种植和保护身边的花草树木,守护好我们共有的森林家园,是我们必须承担的责任!

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