冰島微生物開啟囤積模式：氮元素去哪了，全球養分循環面臨危機？

冰島微生物正在“囤積”氮元素，這一變化或將擾亂全球養分循環

隨著高緯度地區土壤溫度的持續升高，土壤中的微生物處理氮等養分的方式正在發生深刻轉變。通常情況下，這些微生物扮演著“氮回收者”的角色，它們從土壤中攝取氮，將其轉化為植物易于吸收的無機形態——如銨和硝酸鹽。發表在《全球變化生物學》上的一項新研究表明，在氣溫升高的背景下，微生物正在改變生存策略：它們開始為自己囤積更多的氮，從而減少了釋放回環境中的總量。

這一微觀層面的策略調整，改變了氮在生態系統中的流動路徑，可能會抑制植被生長，并進而影響地球變暖的速率。

這些發現源于在冰島惠拉蓋爾濟附近的亞北極草原上進行的實驗。2008年，一場地震改變了該地受地熱梯度影響區域的地下水流向，形成了土壤溫度比正常水平高出0.5攝氏度至40攝氏度不等的斑塊。這一地質事件將該地區轉化為一個天然實驗室，使研究人員能夠在自然條件下，觀測生態系統如何應對長期的氣候變暖。

在此之前的研究已經表明，在變暖的土壤中，當植物尚處于休眠期時，微生物卻變得異常活躍。結果是，微生物釋放到土壤中的含氮化合物大量流失，它們或通過淋溶作用進入地下水，或作為強效溫室氣體——氧化亞氮逸散到大氣中。

一項新的研究利用氮-15同位素追蹤技術，深入揭示了這一過程的后續發展。科學家向土壤中添加了氮-15，以此追蹤植物消耗了多少氮以及這些氮的去向。研究人員發現，在經歷了最初的養分流失后，微生物在處理氮方面變得更加“保守”。它們開始在內部循環利用氮，而不是從土壤中攝取更多。

微生物停止了釋放銨。銨是微生物正常代謝過程中富含氮的副產品，也是植物可利用的主要氮源。來自西班牙生態研究與林業應用中心的土壤科學家薩拉·馬拉農·希門尼斯將這種副產品形象地稱為微生物世界的“尿液”。

氮元素的“竊案”

這種氮循環模式的改變，對整個生態系統產生了深遠的連鎖反應。從某種角度看，它具有積極的一面，因為這種機制阻止了氮素的進一步流失。

來自瑞典農業科學大學的土壤微生物學家薩拉·哈林并未參與此項研究，她分析指出：“這項研究表明，氮不再以無機氮的形式釋放，而是似乎直接進入了一個有機的內部循環。你可以說這是一個積極的方面，如果氮能以這種方式被保留下來，對生態系統而言或許更為有益。”

硬幣的另一面是，微生物這種“囤積”養分的行為可能會降低植物可獲取的氮含量。馬拉農·希門尼斯解釋道：“在植物與微生物之間存在著一種微妙的反饋機制：植物吸收氮，進行光合作用，并將碳作為有機物質存入土壤；而微生物則攝取這些有機物質，將其分解回收，并釋放出植物可利用的氮形式。如果微生物開始固定并鎖死氮元素，這可能會引發微生物與植物之間的激烈競爭。”

目前，該研究團隊正致力于一項新的研究，旨在確定在氣候變暖的極早期階段——即養分尚未流失之前——土壤究竟發生了什么。“通過這種方式，我們希望能還原故事的‘前幾章’，看看我們要錯過了什么，”馬拉農·希門尼斯表示。

為此，他們將普通土壤移植到受熱區域，從最開始的階段詳細研究這一過程。“暴露在升溫環境中的土壤，在5年后表現出的養分流失與10年后是相同的，”馬拉農·希門尼斯指出，這暗示了大部分的養分流失其實發生在變暖的早期階段。

溫室效應的“定時炸彈”

這一發現對現有的氣候模型提出了挑戰。研究人員指出，氣候模型可能低估了寒冷土壤中氮和碳的流失對全球變暖的助推作用。

在高緯度地區，養分循環的破壞可能代表著一個此前被長期忽視的溫室氣體排放源。隨著凍土融化和土壤升溫，微生物生態的改變不僅影響著當地的植被格局，更可能通過復雜的反饋回路，成為氣候變化中一個隱蔽而關鍵的變量。

在冰島那片蒸汽繚繞的實驗場上，廢棄的溫室靜靜佇立，仿佛是氣候變化對高緯度土壤產生強烈影響的一種無聲隱喻。

那些肉眼不可見的微生物，在土壤的孔隙間進行著一場關乎生存的博弈。它們出于本能的“自保”與“囤積”，在微觀尺度上重塑著化學元素的流向，卻在宏觀尺度上，無意間撥動了全球碳氮平衡的齒輪。這或許是大自然最幽微的警示：在龐大的氣候機器中，最微小的齒輪，往往承受著最關鍵的扭力。