苔藓相关氮固定（BNF）的驱动因素：从小尺度（茎段）到大尺度（降水梯度）的跨物种研究

《Environmental and Experimental Botany》：Is moss-associated nitrogen fixation controlled by the same factors across shoots, species and sites?

本研究针对苔藓相关固氮作用（BNF）在不同空间尺度（茎段、物种、生境）的驱动因素尚不明确的问题，通过分析两种常见羽苔（Pleurozium schreberi 和 Hylocomium splendens）沿降水梯度的氮酶活性及营养元素（Fe、Mo、P、N）和pH，揭示了小尺度驱动因素存在物种特异性（如P. schreberi氮酶活性最高在中段，H. splendens在底段），而大尺度上降水是主要控制因子。研究强调了在生态系统水平上估算氮输入时，需同时考虑微生境和气候因素，对提升亚北极生态系统氮循环模型的准确性具有重要意义。

　　

在广袤而脆弱的亚北极生态系统中，氮素往往是限制植物生长和生产力的关键元素。而大自然有一个巧妙的解决方案：生物固氮（Biological Nitrogen Fixation, BNF）。其中，由苔藓与其共生的蓝藻共同执行的固氮作用，是这些原始生态系统中新氮输入的主要来源之一，每年可贡献高达1-3公斤/公顷的氮输入，约占生态系统总氮输入的一半。常见的羽藓，如赤茎藓（Pleurozium schreberi）和塔藓（Hylocomium splendens），便是这类固氮作用的重要载体。

然而，苔藓相关的固氮作用受到多种环境因素的复杂调控。以往的研究大多关注整个苔藓地毯或苔藓茎的整体固氮活性，其驱动因素如水分、温度、光照以及营养元素（如钼Mo、磷P、铁Fe）和pH值的作用已被广泛探讨。但在更小的空间尺度上——例如沿着单根苔藓茎从上到下的不同段落（对应着不同的年龄和微环境）——固氮活性如何变化，以及其驱动因素是否与更大尺度（如不同降水量的生境）的驱动因素相同，仍然是一个认知空白。理解这些不同尺度上的驱动因素，对于准确评估生态系统氮输入，以及预测未来气候变化（如降水格局改变、氮沉降增加）对这些脆弱生态系统功能的影响至关重要。

为了解开这个谜题，一项发表在《Environmental and Experimental Botany》上的研究应运而生。研究人员以瑞典亚北极地区沿陡峭降水梯度采集的两种常见羽藓（P. schreberi和 H. splendens）为研究对象，开展了一项精细化的实验。

为了探究苔藓茎不同深度（对应不同年龄）的固氮潜力及其驱动因素，研究人员主要运用了几项关键技术。他们从三个年均降水量（MAP）显著不同的地点（阿比斯库，300毫米；洛克塔乔卡，850毫米；卡特乔克，1100毫米）采集了苔藓样本，并在受控的“同园”实验条件下进行培养。核心实验技术是乙炔还原法（Acetylene Reduction Assay, ARA），用于精确测量苔藓各茎段（顶部、中部、底部，各约1厘米）的氮酶活性（Nitrogenase activity），该活性直接指示了固氮能力。在为期42天的实验中，研究人员进行了多次ARA测量，以观察活性随时间的变化趋势。实验结束后，他们对各苔藓段进行了详细的生物地球化学分析，使用原子吸收光谱法等技术测定了关键营养元素铁（Fe）、钼（Mo）、磷（P）、氮（N）的总含量，并测量了苔藓的pH值。这些数据与氮酶活性数据进行关联分析，以揭示其内在联系。

3.1. 不同苔藓物种和地点的氮酶活性

研究结果揭示了氮酶活性在物种、茎段和地点之间存在显著的差异和交互作用。总体而言，氮酶活性范围很广（0.11 至 64 nmol C₂H₄ g^-1 h^-1）。最关键的发现在于，最湿润地点（卡特乔克）的塔藓（H. splendens）表现出最高的固氮活性，其活性可比最干旱地点（阿比斯库）的样本高出近百倍。然而，对于赤茎藓（P. schreberi），其活性在中等湿润地点最高。这表明降水对固氮作用的影响具有物种特异性。此外，H. splendens的整体固氮活性显著高于 P. schreberi，尤其是在最湿润地点，两者差异超过10倍。

3.2. 苔藓营养元素和pH沿茎段的变化

对苔藓组织营养成分的分析显示，Fe、Mo和N的含量通常随着苔藓茎段深度（即年龄增加）而增加，而P的含量则呈现下降趋势，pH值在不同茎段间保持稳定。例如，P. schreberi在所有地点的Fe含量都表现出从顶部到底部递增的清晰模式。两种苔藓的Mo含量也显示出随深度增加而升高的趋势，但不如Fe明显。P的含量在物种内部和不同地点间变化显著，且在所有地点和物种中均表现为从顶部到底部递减。H. splendens在最湿润地点的Fe、Mo和N含量最高，而 P. schreberi在同一地点的P含量最高。pH值范围在4.44至5.29之间，在不同降水梯度上有变化，但在茎段之间的差异较小。

3.3. 固氮作用与营养元素及降水的相关性

统计分析表明，所有测量的营养元素（Mo, Fe, N, P）都对氮酶活性有显著影响，而pH值则没有显著影响。然而，当进行配对相关性分析时，营养元素与氮酶活性之间的相关性在不同物种和地点间表现不一致。例如，仅在中等湿润地点的 P. schreberi中，Mo含量与氮酶活性呈显著正相关。对于 H. splendens，在最湿润地点，N含量与氮酶活性正相关，而P含量在干旱和最湿润地点均与氮酶活性负相关。年均降水量与固氮活性的关系并非简单的线性关系，对于 P. schreberi，活性在中等降水量地点似乎已达到饱和。

4. 讨论与结论

这项研究得出了几个重要的结论。首先，它证实了水分是调控苔藓相关固氮作用的关键大尺度因子，但这种影响因苔藓物种而异。H. splendens的固氮能力对降水增加表现出更强的正响应，这与其在湿润地点拥有更高的Fe、Mo等营养元素含量相吻合。其次，也是更重要的发现是，固氮活性的空间分布在小尺度上（沿苔藓茎）存在显著的物种特异性。P. schreberi的氮酶活性在中部茎段最高，而 H. splendens则倾向于在底部茎段有更高的活性。这种差异可能源于两种苔藓不同的形态结构（如分枝方式、持水能力）以及由此导致的蓝藻定殖模式的差异。

关于营养元素的作用，研究部分证实了其重要性，但关系复杂。Fe和Mo的正面影响与它们作为固氮酶关键组分的作用一致。然而，P含量与 H. splendens固氮活性的负相关关系出乎意料，这可能反映了高固氮活性对磷（ATP形式）的巨大消耗，而苔藓从环境中获取新磷的能力有限。此外，苔藓中较低的Mo含量（低于250 ng g^-1）暗示了替代性的钒基（V-based）固氮酶可能在该系统中占主导地位，这或许解释了Mo与固氮活性相关性不强的原因。

最后，与研究假设相反，即使在受控环境下为所有茎段提供了相同的光照、温度和水分条件，不同茎段的固氮活性模式在长达42天的实验期内并未趋同，这表明苔藓茎本身的特性（如年龄、结构、初始营养状态）对固氮能力的塑造具有持久影响。

综上所述，这项研究清晰地表明，苔藓相关的固氮作用受到多尺度因素的共同控制：在大的生态系统尺度上，降水是主导因子；而在小的苔藓个体尺度上，驱动因素则因物种而异，并受到苔藓茎微环境（如营养元素分布）的显著影响。这一发现具有重要的生态学意义。它提醒我们，在将苔藓固氮作用上推到生态系统水平以估算氮输入时，不能仅仅依赖宏观的气候变量（如年均降水量），还必须充分考虑苔藓物种组成以及固氮活性在苔藓个体内部的垂直异质性。忽略这些微尺度的变异可能会导致对生态系统氮输入的高估或低估。因此，未来的模型需要整合来自不同尺度的驱动因素，才能更准确地预测亚北极乃至其他类似生态系统在全球变化背景下的氮循环动态和生态系统功能。