24小時(shí)內(nèi)兩只地鼠改變了一座火山

1980年5月18日，美國(guó)華盛頓州的圣海倫斯火山（MountSt.Helens）突然爆發(fā)，噴出了150萬(wàn)噸二氧化硫和5.4億噸火山灰，成為美國(guó)歷史上最具破壞性的火山爆發(fā)事件之一。高溫直接摧毀了火山口方圓10千米以內(nèi)的植被；而更遠(yuǎn)處，巨大的沖擊波橫掃大地，將大片森林夷為平地。浮巖和火山灰一直蔓延至距離火山口數(shù)百千米外的區(qū)域，喀斯喀特山脈（CascadesMountains）超過(guò)350平方千米的針葉林和山地棲息地化為廢墟。

這場(chǎng)火山噴發(fā)的破壞力不僅限于地表，對(duì)地下生態(tài)系統(tǒng)的影響同樣深遠(yuǎn)。原本活躍的土壤微生物幾乎被滾燙的火山灰消滅殆盡。同時(shí)，火山灰讓土壤變得更偏酸性，地下生態(tài)功能嚴(yán)重受損，進(jìn)一步抑制了植被生長(zhǎng)。即便在噴發(fā)兩年后，這片土地仍然荒蕪一片，難覓生命的蹤跡。盡管偶有鳥類帶來(lái)植物種子，但在這片貧瘠的土壤中，種子生長(zhǎng)十分艱難，只能見(jiàn)到零星分布的植株。

美國(guó)猶他州立大學(xué)（UtahStateUniversity）的科學(xué)家邁克爾·F.艾倫（MichaelF.Allen）和詹姆斯·A.麥克馬洪（JamesA.MacMahon）猜想，雖然這里的表層土壤已經(jīng)被摧毀，但深層土壤中可能還保留有活著的細(xì)菌和真菌，它們或許能成為推動(dòng)植被恢復(fù)的希望。然而，如果真菌的繁殖體在厚厚的火山灰下埋得太久，它們也可能會(huì)死亡。那么，如何在它們徹底消失前挽救這片土地呢？

艾倫和麥克馬洪提出了一個(gè)大膽的想法：如果能將土壤深處殘存的細(xì)菌和真菌“挖”到表層，能不能幫助這片土地重啟生態(tài)恢復(fù)的過(guò)程？于是，他們把目光投向了一種以挖洞能力聞名的動(dòng)物——北部囊鼠（Thomomystalpoides）。這種小型囊地鼠原產(chǎn)于北美，渾身覆蓋著棕色長(zhǎng)毛。據(jù)說(shuō)，每只北部囊鼠每月能松動(dòng)多達(dá)227千克的土壤。

為了驗(yàn)證這一猜想，他們?cè)诒换鹕交腋采w的特定區(qū)域放置了一些北部囊鼠，并僅讓它們活動(dòng)一天。在近期發(fā)表于《微生物組前沿》（FrontiersinMicrobiomes）的一篇論文中，他們?cè)u(píng)估了這一試驗(yàn)的長(zhǎng)期影響。出乎意料的是，短短一天的試驗(yàn)竟然給這片土地帶來(lái)了持續(xù)數(shù)十年的深遠(yuǎn)影響。

北部囊鼠的力量

1982年9月和1983年8月，艾倫和麥克馬洪踏上了圣海倫斯火山以北的浮巖平原（PumicePlain）。這片區(qū)域位于精靈湖（SpiritLake）上方，覆蓋著超過(guò)20米厚的火山灰，荒蕪得幾乎沒(méi)有生命跡象，僅有幾株太平洋羽扇豆（Lupinuslepidus）零星生長(zhǎng)。

在浮巖平原和另一處被火山噴發(fā)夷為平地的區(qū)域，艾倫和麥克馬洪各設(shè)置了一平方米大小的鐵絲網(wǎng)圍欄，各圍住一株太平洋羽扇豆，并分別放入一只在當(dāng)?shù)夭东@的北部囊鼠。兩只北部囊鼠在圍欄中僅待了24小時(shí)，其間它們自由活動(dòng)，隨后便被移走。令人驚訝的是，一段時(shí)期后，圍欄中的太平洋羽扇豆就長(zhǎng)出了叢枝狀菌根（AM），而圍欄外的植株則沒(méi)有出現(xiàn)類似的變化。

菌根是植物根系與真菌形成的一種共生結(jié)構(gòu)，對(duì)于植被的恢復(fù)至關(guān)重要。因?yàn)榇蠖鄶?shù)植物無(wú)法單靠自身有效獲取所有需要的養(yǎng)分和水分，而需要依賴于這些微小但功能強(qiáng)大的真菌伙伴。直徑僅幾微米的菌絲會(huì)在土壤中形成龐大的網(wǎng)絡(luò)，利用其巨大的表面積從環(huán)境中汲取水分和養(yǎng)分并輸送給植物。與此同時(shí)，這些共生體還能幫助植物抵御土壤中的病原體。作為回報(bào)，植物會(huì)為真菌提供生長(zhǎng)所需的含碳有機(jī)物。

試驗(yàn)結(jié)束6年后，艾倫和麥克馬洪發(fā)現(xiàn)，曾放置北部囊鼠的地塊與未放置的地塊之間已呈現(xiàn)出截然不同的景象。那些北部囊鼠短暫造訪過(guò)的地塊上，已郁郁蔥蔥地生長(zhǎng)出約4萬(wàn)株植物，甚至吸引并恢復(fù)了本土的北部囊鼠種群，而未曾放置北部囊鼠的區(qū)域則依舊荒涼。

北部囊鼠之所以能對(duì)生態(tài)恢復(fù)產(chǎn)生如此巨大的影響，關(guān)鍵在于它們的挖洞和翻土行為。通過(guò)這些活動(dòng)，它們將深層土壤與地表火山灰充分混合，把對(duì)于土壤生態(tài)至關(guān)重要的真菌、種子和昆蟲帶到地表。此外，北部囊鼠的糞便中也含有真菌、真菌孢子以及植物種子，它們的排泄行為給這片土地帶來(lái)了生機(jī)。

不僅如此，火山灰顆粒較大，與深層土壤混合后形成的土壤混合物具有良好的透氣性，非常適宜植物生長(zhǎng)。正因如此，在這種土壤中生長(zhǎng)的植物往往更加健康繁茂。艾倫等人的觀察也印證了這一點(diǎn)：相比之下，北部囊鼠未造訪的土壤中長(zhǎng)出的植物常常會(huì)變得枯黃。

但最讓艾倫團(tuán)隊(duì)感到震驚的是，北部囊鼠僅僅24小時(shí)的活動(dòng)所產(chǎn)生的影響，并不僅僅局限于最初的幾年。這些變化竟然持久地影響著這片土地的生態(tài)環(huán)境，甚至延續(xù)至今。

持久的影響

2014年7月，艾倫和麥克馬洪再次踏上這片熟悉的土地，對(duì)浮巖平原試驗(yàn)區(qū)和非試驗(yàn)區(qū)的土壤進(jìn)行了采樣。作為對(duì)比，他們還前往一片距離浮巖平原不遠(yuǎn)的區(qū)域——“熊草甸”（BearMeadow）。這片地區(qū)同樣在1980年被厚厚的火山灰覆蓋，但因歷史原因呈現(xiàn)出兩種截然不同的景觀：一部分因采伐早已變成草甸，另一部分則保留著古老的森林。研究人員分別從這兩種景觀中采集土壤樣本，與浮巖平原的樣本一同送回實(shí)驗(yàn)室，分析它們的化學(xué)和微生物組成。

試驗(yàn)結(jié)束6年后，艾倫和麥克馬洪發(fā)現(xiàn)，曾放置北部囊鼠的地塊與未放置的地塊之間已呈現(xiàn)出截然不同的景象。那些北部囊鼠短暫造訪過(guò)的地塊上，已郁郁蔥蔥地生長(zhǎng)出約4萬(wàn)株植物，甚至吸引并恢復(fù)了本土的北部囊鼠種群，而未曾放置北部囊鼠的區(qū)域則依舊荒涼。

在化學(xué)成分分析中，他們重點(diǎn)關(guān)注了土壤中的碳和氮含量，這些指標(biāo)與土壤中的微生物含量相關(guān)，因?yàn)槲⑸锬軐鞭D(zhuǎn)化為有機(jī)氮固定在土壤中。結(jié)果顯示，浮巖平原區(qū)域的土壤碳和氮含量普遍低于熊草甸的森林區(qū)域。然而，在浮巖平原內(nèi)部，曾經(jīng)放置過(guò)北部囊鼠的試驗(yàn)區(qū)土壤中的碳和氮含量顯著高于未曾放置囊鼠的普通區(qū)域。這意味著，40年前那只僅僅待了24小時(shí)的北部囊鼠，為這片土地注入了更持久的生機(jī)。

而對(duì)土壤中的微生物DNA分析結(jié)果表明，曾經(jīng)放置北部囊鼠的試驗(yàn)區(qū)域與未放置囊鼠的普通區(qū)域，其土壤中的微生物群落組成有明顯差異，試驗(yàn)區(qū)域的細(xì)菌和真菌多樣性甚至超過(guò)了熊草甸的森林區(qū)域。尤其是在試驗(yàn)區(qū)域，叢枝狀菌根的多樣性顯著增加。這一結(jié)果表明，北部囊鼠不僅改變了土壤的化學(xué)成分，還在微生物群落的長(zhǎng)期演替中扮演了關(guān)鍵角色。

這項(xiàng)研究還再次印證了微生物對(duì)生態(tài)恢復(fù)的重要性。1980年火山噴發(fā)之前，熊草甸的森林區(qū)域主要覆蓋是松樹、云杉和冷杉等針葉林?；鹕交业母采w導(dǎo)致這里大量針葉脫落，科學(xué)家一度擔(dān)心這片森林將徹底消失。但出乎意料的是，森林區(qū)域的恢復(fù)速度非?？?，某些區(qū)域的樹木幾乎在災(zāi)后立即開始生長(zhǎng)，伐木區(qū)卻依然貧瘠。研究人員認(rèn)為，這種差異與脫落的針葉密切相關(guān)，它們滋養(yǎng)了土壤中的真菌，從而幫助樹木迅速再生。

這項(xiàng)研究提醒我們，自然界中萬(wàn)事萬(wàn)物都緊密相連。無(wú)論是肉眼可見(jiàn)的植物和動(dòng)物，還是微小到無(wú)法直接感知的微生物，它們都可能成為生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵力量。

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