豆科植物：維持草地氮平衡的“好鄰居”

　近日，中國林業科學研究院研究員許涵團隊在《自然·通訊生物學》雜志在線發表重要成果，對豆科植物與其鄰居植物之間的組成關系及其對鄰體植物生產力和多樣性的影響進行深度揭秘。該團隊還提出假說：被廣泛認為是植物界“最美鄰居”的豆科植物，并非以往所熟知的完全利他主義的“好鄰居”形象，反而可能更多表現出“利己主義”。

　　氮素是生態系統最為重要的營養物質，一些豆科植物不僅能固定大氣中的氮，還能向周圍環境或植物提供有效氮來源并活化根際的土壤磷環境，從而在生態系統的養分循環中發揮著非常重要的作用。以往在農作物系統研究表明，豆科植物在改良土壤肥力、保持水土、提供多種經濟產品方面功能顯著。它不僅是高蛋白優質牧草，還具有生物固氮能力，對維持草地生態系統中土壤-植物-動物之間的氮平衡有重要作用。播種豆科灌木和豆科牧草，是解決大面積人工林、草場“氮缺乏”的有效措施。因此，在農作物系統中，豆科植物通常被認為有利于提高農業生態系統的鄰體生產力和多樣性。

　　但是在森林中，豆科植物固定的氮素是否能及時有效地分享給鄰居植物？在森林特別是存在非常豐富豆科植物的熱帶森林中是否也存在同樣規律：豆科植物在提高鄰體生產力的同時，是否也能提高鄰體多樣性？素有植物界“好鄰居”之稱的豆科植物是否真是這樣？

　　許涵說，為解開這個謎團，團隊通過在野外實驗和室內控制實驗找到更多依據。他們以海南尖峰嶺60公頃熱帶雨林大樣地中的7種豆科植物及其鄰居組成為樣本，采用葉片氮同位素組成來分析這7種豆科植物的生物固氮能力，分析它們的空間分布特征和鄰體多樣性，發現并解釋了豆科植物與其鄰居構成關系的形成機制。研究結果在全球11個16-60公頃的森林大樣地數據中得到驗證。

　　為科學解釋豆科植物在土壤氮空間分布中對其鄰體多樣性的影響，團隊創新提出“固氮策略分化假說”和“資源需求分化假說”。此外，團隊還論證指出，分布在高土壤有效氮生境下的豆科植物表現出更高的生物固氮能力和更高的非豆科植物鄰體多樣性，其生物固氮能力與其所在的土壤有效氮的空間分布顯著相關，符合“資源需求分化假說”。簡單來說，就是自然界是處在平衡狀態，豆科植物如果已滿足自己在氮資源方面的需求，那么它就會減少與鄰體植物的競爭關系，可以說是先“利己”，后“利它”，最后達到互利共生、和諧共存。

　　“團隊前期研究可初步斷定，森林中大多數豆科植物提供土壤氮的‘利它效應’主要體現在豆科植物死亡后植物殘體歸還到土壤中得以實現。在熱帶天然林中，不同豆科植物的氮需求和生物固氮效率存在很大差異，正是這種差異影響了豆科植物的鄰居是由哪些物種構成，以及這些鄰體物種數量的多少?！痹S涵說。

　　不過，豆科植物作為重要的固氮植物對生態系統仍有積極貢獻。許涵以種植最廣泛的海南黃花梨為例介紹道，是否種植純林、其鄰體匹配什么樹種、種植密度比例多少等，都要求對海南黃花梨的固氮能力和效率及其與鄰體關系逐一了解，探明其生物生態學特性，才能做詳細的森林經營設計，以構建高多樣性、穩定性和生產力的森林。

　　許涵說，這些研究是在熱帶亞熱帶森林中開展的，而豆科植物的“利己主義”對草原生物多樣性和保持草地生態系統生產力的影響，還需林草科學工作者進一步深入研究。（記者 王辰 宋平）  

原文出處http://www.forestry.gov.cn/main/5462/20200730/103815712461098.html