森林中没有免费的“氮餐”

2023-09-16郑棉海

科学大观园 2023年18期

关键词：固氮菌结瘤固氮

郑棉海

人体需要不断地补充营养物质，自然界中的动物和植物同样也需要不断地补充营养。

与人类相似，在森林这个大家庭中，植物和动物需要的营养物质很多，比如氮、磷、钾、钙、钠、镁、铁等。其中，氮是最基础并且非常重要的一种元素。这是因为没有氮就没有蛋白质，没有蛋白质就没有生命。

植物体内的蛋白质含量最高可达到80%～85%，而蛋白质中氮含量平均占了16%～18%。在森林中，植物是很多动物重要的营养来源，那植物的营养来源是什么？更进一步说，植物体内的氮是从哪里来的？

森林植物是怎么“吃”到氮的？

森林中的植物看似没有手也没有脚，好像也不会“动”，那它们是如何去获取氮这种营养的呢？

我们先来看看地球上的氮分布在哪里。自然界中，绝大部分氮是以气体（氮气）的形式存在于空气中，氮气占了空气体积的78%。如此高氮含量的空气，是不是意味着植物只需要打开叶片上的气孔，就能轻松把氮气给吸收了？

其实不然，氮气是无法被生物体直接利用的，即便是吸进去也会被原路排出来，因为氮气没法被植物直接“消化”。

那么，植物究竟需要怎么做呢？

其实，植物在长期进化的过程中，已经拥有了多种方法来获取氮。

第一种，专门的植物做专门的事。有一类专门获取氮的植物，称为结瘤固氮植物。与其他种类的植物不同，这类植物可以与固氮菌共生合作，从根部结出具有高效固氮能力的“根瘤”。这样一来，空气中的氮气就可以通过根瘤固氮的形式固定下来，然后进一步转化成能被植物消化的“氨”。

正因为有了这种植物与固氮菌合作的基础，植物只需要“讨好”根瘤中的固氮菌（比如，給它们提供一些碳水食物），就可以从固氮菌那里交换得到它们想要的氮了。

第二种，专门的微生物做更多的事。自然界中，如果仅有结瘤植物可以进行固氮也不行，这样的话，氮供应市场岂不是被它们“垄断”了？其实，森林中还有另外一类固氮菌，叫作自生固氮菌。顾名思义，它们没有选择与植物合作，而是自己出来打拼（自生自灭）。它们死亡后形成的残体中保留的氮，可以被微生物分解出来并被植物进一步利用。

自生固氮菌广泛分布在森林中的各个角落，包括土壤、凋落叶、枯枝、腐木、附生植物以及植物的叶片上等。森林给它们提供了各种各样的栖息环境满足它们，而它们的出现也造福了森林中很多植物对氮的需求。

第三种，人类提供免费的“霸王餐”。我们人类建造的工厂以及交通运输排放到空气的废气中，都有大量含氮的活性化合物。这些含氮化合物可以在空气中随风飘动，最后通过直接降落的方式（干沉降）或者溶于雨水后再降落的方式（湿沉降）进入森林中，被植物吸收和利用，因此人类给森林植物提供了免费的“大餐”。

看似免费“氮餐”，实则代价巨大

然而，人类给森林提供的免费“大餐”，似乎扰乱了森林的“市场秩序”。

无论是固氮植物还是固氮菌，它们进行固氮反应都需要消耗大量的能量。而相比之下，有了天上这块掉下的“馅饼”——从空气中降落的含氮化合物，森林何乐不为呢？渐渐地，结瘤固氮植物不再进行结瘤了，固氮菌也似乎不想进行固氮了，大家都倾向于去索取这种不劳而获的空气沉降氮。

事实上，自然界是否存在真正“免费的午餐”呢？答案是否定的。当森林缺乏氮的时候（营养不良），获取氮是生物本能的反应。但是，当森林里面的氮已经很丰富的时候（营养过剩），就会适得其反。

空气沉降的氮这块“馅饼”根本无法听从指挥，久而久之，落入森林中的氮就会越积越多，最终植物可能会因为氮太多而“撑死”，或者因为其他营养成分（磷、钾、钙等）跟不上（各种营养比例失衡）而变得“消瘦”。所以，氮的供应太多也不是一件好事，免费的东西也是需要付出代价的。

其实，森林中的固氮植物和固氮菌并不是都具有相同的想法，毕竟不同的选择需要付出不同的代价。因此，仍然会有相当一部分的固氮植物和固氮菌选择“自力更生”，需要多少就去“挣”多少。

在森林中，有些“聪明”（或者说是“懒惰”）的植物和微生物会直接利用空气中沉降下来的氮补充营养，但是也有部分不太“聪明”（或者说是“勤劳”）的固氮菌在消耗着能量进行固氮。

事实上，我们发现，这些看似不太“聪明”的固氮微生物也不“笨”，它们巧妙地利用了森林中的低成本能量（比如，凋落叶和土壤有机质中溶解出来的碳）进行固氮。这种“以碳促氮”的方式节约了它们自己的能量成本，这也正是森林社会“斗智斗勇”的真实写照。

即便如此，不可否认的是，人类生产和生活所排放的废气已经对森林的正常秩序造成了严重影响。

我们进一步发现，空气中沉降进入森林的氮先是积累在植物和土壤中，土壤中的氮在微生物的硝化作用下释放出更多氢离子（H+），导致土壤酸化。酸化环境不利于植物和微生物的生长，生物的呼吸减弱，会导致植物细根和微生物死亡。

同时，土壤还会释放出更多含氮温室气体（如N2O），加剧气候变暖。因此，如果不对人为产生的废气加以控制，未来将会造成很多森林的氮营养过剩，可能会引发环境危机。

保护人类共有的森林家园

森林不仅是动植物的家园，也是我们人类赖以生存的环境。虽然我们不希望森林植物出现“营养不良”，但是我们也应该尊重大自然的规律。短期内，人类活动排放的含氮废气可能有益于植物生长，但长期而言，造成的危害将会是不可估量的。比如，导致植物多样性减少、森林环境恶化、温室效应加剧等。而这些最终也将影响人类的生活和健康。