大陆尺度分析揭示植物根系双峰分布的普遍性及其对深层土壤资源的开发机制

本研究针对全球变化背景下陆地生态系统碳汇维持的关键问题，通过分析覆盖从阿拉斯加苔原到波多黎各热带森林的44个站点2米深度的细根数据，首次发现20%的站点存在根系双峰分布现象（次级峰值多出现在1米以下）。研究揭示了低总细根生物量区域和灌木林更易出现双峰分布，且次级峰值与深层土壤氮含量显著相关，表明植物通过根系双峰策略开发未被充分利用的深层养分资源。该成果发表于《Nature Communications》，为理解陆地碳汇的可持续性提供了新视角。

　　

陆地生态系统正面临大气CO₂
浓度升高带来的严峻挑战：植物如何在养分需求增加的情况下维持陆地碳汇？根系作为连接植物与土壤的关键器官，其垂直分布特征直接影响养分获取和碳输入效率。然而，传统研究多局限于表层土壤（<1米），导致对深层根系（>1米）的认知严重不足。这种认知缺口限制了我们对生态系统碳氮循环的全面理解，也阻碍了准确预测陆地碳汇的未来轨迹。

为填补这一空白，由Mingzhen Lu领衔的国际团队利用美国国家生态观测网络（NEON）的标准化数据，开展了大陆尺度的根系分布研究。NEON的独特优势在于其2米深度的土壤巨坑采样、跨44个生态站点的统一方法，以及同步获取的土壤理化性质数据。研究人员通过随机森林模型、双峰特征指标φ（次级峰与反模态深度比值）和相对养分浓度计算等方法，系统分析了根系分布模式与环境因子的关联。

主要发现

1. 深采样揭示意外的根系双峰普遍性
研究发现20%的站点（9/44）呈现根系生物量双峰分布，次级峰平均出现在1.3米深处。这种模式打破了传统指数衰减模型的预期，且次级峰位置与土壤氮含量峰值显著重合（φ_N
检验p=0.013）。例如史密斯生物保护研究所站点（SCBI）在1.3米处出现明显的次级根峰，而黄石国家公园站点（YELL）则表现为典型的单峰衰减。

2. 双峰性与站点特征关联
总细根生物量是预测双峰性的最关键因子（随机森林重要性排名第一）。双峰站点生物量（368 g/m²
）显著低于单峰站点（990 g/m²
，p=0.004），且灌木林比草地更易出现双峰（χ²
=9.6）。这表明资源受限环境可能驱动植物发展深层觅食策略。

3. 氮驱动与水驱动的假说
双峰分布与深层氮富集显著相关，支持"氮驱动假说"——植物通过根系增殖响应深层养分斑块。但土壤水分数据因分辨率限制未能验证"水驱动假说"，作者指出二者可能协同作用，如水分促进氮矿化。

4. 深层养分的相对富集现象
在单峰站点，相对养分浓度（养分/根生物量）随深度呈指数增长（如磷r²
=0.85），表明深层养分普遍未被充分开发。而双峰站点的次级根峰显著降低该深度相对养分浓度，显示植物通过可塑性分布优化资源获取。

结论与意义
该研究首次在大陆尺度证实了根系双峰分布的生态重要性，揭示了植物开发深层养分库的适应策略。这一发现对全球变化研究具有三重启示：（1）深层土壤过程在碳汇功能中被系统性低估；（2）CO₂
施肥效应可能通过促进深层根系生长缓解养分限制；（3）当前植被模型需改进对根系可塑性的表征。研究呼吁加强对"土壤深层前沿"的关注，为预测陆地碳汇对气候变化的响应提供了新的机制框架。