北极苔藓固氮作用全年动态变化及其对氮循环的启示

《Ecosystems》：Year-Round Variation in Bryophyte-Associated Nitrogen Fixation in the Arctic

本研究针对北极地区苔藓固氮作用的季节性认知空白，通过全年原位监测10种苔藓的乙炔还原活性(ARA)，揭示了苔藓-固氮微生物共生体系的氮固定不仅存在于夏季，更在春秋季呈现显著高峰。研究发现泥炭藓(Sphagnum)夏季固氮最强，而其他苔藓在湿润的春秋季更活跃，证明水分和温度是调控固氮季节性差异的关键驱动因子。该研究为准确评估北极生态系统氮输入提供了全新视角，对预测气候变化下苔藓固氮功能演变具有重要意义。

　　

在广袤的北极苔原，氮素(N)是限制植物生长的关键元素。由于低温抑制分解作用和较低的大气沉降，这片土地长期处于氮匮乏状态。然而，这里却生活着一群特殊的“氮收集者”——苔藓植物。它们虽无真正的根系，却能通过与固氮微生物(固氮菌，diazotrophs)的共生关系，将大气中惰性的氮气(N₂)转化为可利用的氮源。这种苔藓相关的固氮作用被认为是北极生态系统重要的氮输入途径，贡献率可达50-80%。但长期以来，科学界对这一过程的认知多局限于夏季，而对占全年大部分时间的寒冷季节(秋、冬、春)的固氮活动知之甚少。不同苔藓物种因其生长环境和自身结构的差异，其固氮能力是否具有独特的季节性节律？驱动这些节律的关键环境因子是什么？这些问题成为准确评估北极氮循环的关键谜题。

为了解开这些谜团，由Emil Alexander Sherman Andersen领衔的研究团队在瑞典阿比斯库(Abisko)地区展开了一项持续整年的原位观测研究。他们创新性地采用移植实验设计，将10种常见的、代表7个不同功能群的北极苔藓物种(包括泥炭藓Sphagnum spp.、赤茎藓Pleurozium schreberi、塔藓Hylocomium splendens等)移植到两种典型生境(健康地和沼泽)中，形成了50个单物种斑块。从2020年9月到2021年11月，研究人员每隔约4周利用乙炔还原测定法(Acetylene Reduction Assay, ARA)现场测量苔藓群落的固氮酶活性(以乙烯产量表示)。ARA是一种广泛使用的间接测定固氮活性的方法，其原理是固氮酶不仅能还原N₂，也能将乙炔(C₂H₂)还原为乙烯(C₂H₄)。为了验证野外腔室法的可靠性并降低多孔苔藓基质可能造成的乙炔泄漏影响，研究还同步进行了苔藓枝条的密闭小瓶培养测定。同时，研究团队持续监测了空气温度、土壤温度、光合有效辐射(PAR)和土壤体积含水量(VWC)等环境因子，以揭示环境条件与固氮活性的关系。

研究方法的核心包括：

1. 1.
   苔藓移植与实验设计： 从北极瑞典地区采集10种苔藓，按功能群划分，移植到健康地和沼泽两种生境中，设置重复区块，进行为期一年的原位观测。
2. 2.
   固氮活性测量： 主要使用乙炔还原测定法(ARA)在田间腔室中测量苔藓群落的固氮酶活性，并通过密闭小瓶培养法进行验证和补充。
3. 3.
   环境因子监测： 利用数据记录仪持续监测空气温度、土壤温度、土壤体积含水量(VWC)和光合有效辐射(PAR)等关键环境参数。
4. 4.
   数据分析： 采用零膨胀广义线性混合模型(Zero-inflated generalized linear mixed models)分析季节、物种和环境因子对固氮酶活性的影响。

季节性氮酶活性在苔藓群落中的变化

研究发现，所有苔藓物种都表现出清晰的固氮酶活性季节性变化模式，但其活动高峰的时间和强度存在显著物种差异。

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  泥炭藓(Sphagnum)的夏季高峰： 三种泥炭藓 taxa (S. fuscum, S. majus 和 Sphagnum mixture)的固氮酶活性均在夏季(7月)达到峰值。特别是S. majus，其峰值活性比其他苔藓物种高出30倍以上。这表明生活在湿润沼泽环境的泥炭藓，能够充分利用夏季较高的温度和充足的水分进行高效固氮。
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  非泥炭藓物种的春秋季高峰： 其余七种苔藓物种的固氮活性高峰则出现在夏季之外。赤茎藓(P. schreberi)、塔藓(H. splendens)、曲尾藓(Dicranum scoparium)等物种在秋季(9-10月)或初冬(11月)出现高峰。而大灰藓(Racomitrium lanuginosum)、大金发藓(Polytrichum commune)和毛叶苔(Ptilidium ciliare)等物种则在春季(融雪后的5-6月)或晚冬(3月)出现高峰。一些物种如膨叶藓(Aulacomnium turgidum)和塔藓甚至表现出春秋双高峰的现象。
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  冬季活动的证据： 在一年中最冷的2月，使用腔室法几乎检测不到任何苔藓的固氮酶活性。然而，更灵敏的密闭小瓶法则显示，即使在2月，除Sphagnum mixture外，所有物种的某些样本仍能检测到低水平的活性，证明固氮活动在严冬并未完全停止，只是强度极低。

环境因子驱动氮固定的季节性

模型分析表明，水分和气温是驱动苔藓固氮季节变化的最显著环境因子，但其影响方式因物种而异。

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  水分的关键作用： 土壤体积含水量(VWC)对所有物种的固氮活性都有显著影响，但不同物种存在不同的水分阈值。非泥炭藓物种在土壤含水量低于约8%时活性极低，而泥炭藓物种的阈值则在20%左右。大金发藓(P. commune)对水分变化的敏感性相对较低，这可能与其类似维管植物的水分调节能力有关。
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  温度的物种特异性响应： 气温对固氮活性的影响与物种显著交互。泥炭藓物种的固氮活性随气温升高呈线性增加，在高于10°C时活性最高。而非泥炭藓物种的活性与温度关系则呈单峰曲线(双曲线)，在中等温度(非极端高温)下活性最高，夏季高温反而可能抑制其活性。这可能是因为夏季苔藓表面干燥，抵消了高温的潜在促进作用，或者反映了其共生固氮菌的酶最适温度较低(如之前研究提出的14-20°C)。
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  光和土壤温度的影响： 在本研究中，光合有效辐射(PAR)和土壤温度与固氮酶活性未显示出显著相关性。尽管冬季光照很弱，但固氮酶活性仍可发生，表明其不一定依赖于即时光合作用提供的能量。

苔藓枝条的固氮酶活性——密封测量验证

密闭小瓶法的结果与腔室法的季节性模式基本一致，进一步证实了上述发现的可靠性。

小瓶测量显示，泥炭藓在7月活性最高，而非泥炭藓物种在3月活性最高，这与腔室观测到的物种特异性季节高峰相符。同时，小瓶法也证实了枝条重量含水量(GWC)和PAR与枝条水平的固氮酶活性呈正相关。

研究结论与意义

这项发表在《Ecosystems》上的研究首次系统地揭示了北极苔藓相关固氮作用在全年范围内的动态变化格局，并强调了物种差异和环境因子交互作用的重要性。其主要结论和意义可归纳如下：

1. 1.
   固氮活动的广泛季节性： 苔藓固氮并非仅限于夏季，而是在春秋季甚至初冬都可能非常活跃。这意味着以往仅基于夏季观测对北极生态系统年氮输入量的估算可能存在严重低估。
2. 2.
   物种特异性季节模式： 不同苔藓物种的固氮活性高峰出现在不同季节。泥炭藓主导夏季固氮，而多数其他苔藓则在水分条件更适宜的春秋季大放异彩。这种“时间生态位”的分化使得苔藓群落作为一个整体，能在一年中更长的时期内为生态系统贡献氮源。
3. 3.
   水分和温度是核心驱动因子： 水分可用性是启动和维持固氮活性的基本条件，而温度对活性的影响则取决于物种的生态习性(如对干燥的耐受性)及其共生固氮菌的生理特性。未来气候变化(变暖、降水格局改变)将通过影响这些因子，直接调控苔藓的固氮功能。
4. 4.
   对北极氮循环模型的启示： 要准确量化苔藓对北极氮循环的贡献，必须同时考虑苔藓物种的多样性和它们各自固氮活性的季节性模式。未来的生态系统模型需要纳入这种物种水平和季节尺度的变异，才能更精准地预测气候变化下北极氮循环的响应。

总之，这项研究深化了我们对北极地下生态过程的认识，揭示了苔藓这类看似简单却功能重要的植物在维系极端环境生态系统养分循环中的关键作用及其动态规律，为评估全球变化背景下高纬度地区生物地球化学循环的演变提供了重要的科学依据。