钙镁觅食：16种草甸植物根系对稳定营养斑块的定向增殖策略

《Plant and Soil》：Root foraging for calcium and magnesium in common meadow plant species

本研究针对植物根系能否觅食稳定性高的钙(Ca)、镁(Mg)营养斑块这一空白问题，通过盆栽实验首次证实50%的草甸植物物种能主动增殖根系响应Ca+Mg斑块。研究发现Ca+Mg觅食强度与NPK觅食能力无显著相关性，但与植物组织Ca/Mg浓度呈负相关，为理解植物在异质性土壤中的营养获取策略提供了新视角。

　　

在自然界中，植物根系如同地下世界的探险家，时刻搜寻着土壤中的营养宝藏。传统研究多聚焦于氮(N)、磷(P)等移动性强的营养元素，但钙(Ca)和镁(Mg)这两种对植物生命活动至关重要的元素却长期被忽视。尽管钙是细胞壁构建、膜稳定性和细胞内信号传导的关键信使，镁是叶绿素合成和酶激活的核心元素，但它们在土壤中形成的斑块却有着截然不同的特性——由于二价阳离子的低移动性，钙镁斑块能在土壤中保持长期稳定，这为植物通过根系定向增殖实现高效觅食提供了理想条件。然而，科学界对植物是否具备钙镁觅食能力始终缺乏实验证据。

为解开这一谜题，Hana Skálová团队在《Plant and Soil》发表的研究中，创新性地设计了针对钙镁营养斑块的根系觅食实验。研究人员选取捷克克科诺谢山脉草甸群落的16种常见植物（包括5种禾草、1种类禾草和10种阔叶草本植物），通过盆栽系统构建了以白云石石灰岩为核心的钙镁富集斑块。该斑块使土壤溶液中的钙镁浓度达到野外水平的10倍，而对照区浓度与原生草甸相当，成功模拟了自然条件下的营养梯度。

研究团队采用两项关键技术方法：一是通过Rhizon土壤溶液采样器监测钙镁梯度动态，二是采用标准主轴回归(SMA)量化根系在富集斑块与贫瘠区域的分布比率。同时整合历史数据，对比了这些物种对NPK营养斑块的觅食能力，并利用原子吸收光谱(AAS)分析了植物组织的钙镁浓度。

钙镁觅食能力验证

实验首次证实8种植物（占50%）表现出显著的根系增殖反应，其中毛茛(Ranunculus acris)的斑块级觅食强度最高（富集斑块根系生物量是对照区的4倍以上）。值得注意的是，斑块级（厘米尺度）与盆级（半盆尺度）觅食强度呈正相关，说明植物能精准识别微尺度营养梯度。

与NPK觅食的对比

尽管79%的物种能觅食NPK，但钙镁觅食与NPK觅食能力无显著相关性。例如两种三叶草(Trifolium)物种虽擅长NPK觅食，却对钙镁斑块无反应；而毛茛则表现出更强的钙镁觅食特异性。这表明根系可塑性存在元素选择性，并非所有物种都会将NPK觅食潜力用于响应钙镁梯度。

组织浓度与觅食的负相关

与氮觅食的规律相反，钙镁觅食强度与植物组织钙镁浓度呈负相关。这种反常现象可能与钙的生理特性有关：作为第二信使，植物需严格控制胞质钙浓度，过量钙离子会以草酸钙结晶形式储存于液泡。因此组织高钙浓度可能反映的是储存能力而非需求强度，这颠覆了传统“高需求驱动高觅食”的认知。

这项研究开创性地揭示了植物根系对稳定营养斑块的定向觅食策略，修正了以往过度关注氮磷等易变营养元素的局限性。其重要意义在于：首先，证实钙镁梯度是驱动野外根系空间异质性的关键因素之一；其次，揭示了不同营养元素觅食策略的独立性，说明植物具备根据元素特性调整觅食行为的智能；最后，为酸性土壤植物营养改良提供了新思路——通过调控钙镁斑块稳定性可能增强植物在贫瘠生境的适应力。该研究将根系生态学视角延伸至二价阳离子领域，为理解植物地下竞争与共存机制奠定了理论基础。