2月12日，《自然》在線刊發(fā)了中山大學(xué)生態(tài)學(xué)院教授儲誠進(jìn)團(tuán)隊同合作者最新成果。他們首次系統(tǒng)揭示了白蟻、螞蟻和蚯蚓三類土壤無脊椎動物作為“生態(tài)系統(tǒng)工程師”對全球碳動態(tài)、養(yǎng)分循環(huán)及植物生長的驅(qū)動機(jī)制，并闡明了其效應(yīng)隨氣候和地理環(huán)境的動態(tài)變化規(guī)律。
“我們初步證了實白蟻、螞蟻和蚯蚓三類土壤無脊椎動物均能為初級生產(chǎn)者和土壤微生物創(chuàng)造養(yǎng)分富集區(qū)域，從而促進(jìn)碳固定和碳釋放過程。”論文通訊作者儲誠進(jìn)對《中國科學(xué)報》表示，在全球土壤生物多樣性急劇衰退的背景下，該研究為理解和保護(hù)土壤生物多樣性提供了新的視角。
土壤中的“隱形工程師”
在地球的每一個角落，土壤無脊椎動物（如白蟻、螞蟻和蚯蚓）正默默地扮演著“生態(tài)系統(tǒng)工程師”的角色，它們的存在對于維持生態(tài)平衡和生物多樣性至關(guān)重要。然而，隨著全球變化的加劇，土壤生物多樣性正面臨著前所未有的威脅。
自工業(yè)革命以來，人類活動對地球生態(tài)系統(tǒng)造成了前所未有的沖擊。氣候變化、土地退化、污染和生物入侵等全球變化因素正驅(qū)動著生物多樣性的急劇喪失，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)瀕臨系統(tǒng)性崩潰和功能性喪失。
“理解、保護(hù)與構(gòu)建健康生態(tài)系統(tǒng)是應(yīng)對全球變化的重要解決之道。”儲誠進(jìn)表示，以往研究主要關(guān)注地上生物群落（如植物）與地下生物群落（如微生物）對陸地生態(tài)系統(tǒng)的支持作用，但忽略了土壤動物與生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)功能的重要關(guān)聯(lián)。
土壤生物是地球上最為豐富和復(fù)雜的生物群落之一，據(jù)估計，全球約59%的物種或短暫或終身生活在土壤中。而白蟻、螞蟻和蚯蚓作為其中的代表，通過分解有機(jī)物質(zhì)、改善土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)和植物生長等多種方式，對維持生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性發(fā)揮著不可替代的作用。
生態(tài)系統(tǒng)工程師效應(yīng)的緯度梯度格局。研究團(tuán)隊供圖
白蟻、螞蟻和蚯蚓三大類群廣泛分布于全球熱帶、溫帶乃至寒帶（白蟻除外）氣候區(qū)，在土壤無脊椎動物群落中具有較高的數(shù)量和生物量。它們可以通過土壤擾動產(chǎn)生獨(dú)特的生物構(gòu)造（如蟻丘和蚓糞），改變土壤微環(huán)境并為其他生物類群提供食物和棲息資源，因此被廣泛認(rèn)為是“生態(tài)系統(tǒng)工程師”。
論文共同作者、北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部教授杜恩在表示，盡管學(xué)界已報道了三大土壤無脊椎動物類群的生物量、多度和生物多樣性的全球分布格局，目前尚未有研究對白蟻、螞蟻和蚯蚓生態(tài)系統(tǒng)工程師效應(yīng)的全球格局及環(huán)境驅(qū)動因子進(jìn)行系統(tǒng)評估和探討，尤其是其作用機(jī)制如何隨環(huán)境梯度變化、如何與氣候因子協(xié)同驅(qū)動生態(tài)功能，還未形成全面的認(rèn)識。
從微觀擾動到全球循環(huán)
在土壤生物群落中，白蟻、螞蟻和蚯蚓作為體型較大的無脊椎動物，對土壤的擾動作用尤為明顯，因此也受到了更多的關(guān)注。它們通過挖掘土壤、建造巢穴、排泄糞便等方式，不斷改變著土壤的微環(huán)境，為其他生物類群提供了食物和棲息資源。
論文第一作者、中山大學(xué)生態(tài)學(xué)院博士后巫東豪表示，研究團(tuán)隊在國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、水產(chǎn)動物疫病防控與健康養(yǎng)殖全國重點實驗室（中山大學(xué)）開放課題等項目的資助下，通過搜集全球6個大洲的1047篇相關(guān)文獻(xiàn)，并獲取了12975條數(shù)據(jù)記錄，涵蓋47種生態(tài)系統(tǒng)功能或?qū)傩裕?4種土壤養(yǎng)分指標(biāo)、11種土壤理化屬性、8種養(yǎng)分循環(huán)指標(biāo)和14種動植物和微生物的狀態(tài)指標(biāo)。
“由于部分文獻(xiàn)并未提供完整的統(tǒng)計量（如生態(tài)系統(tǒng)功能的方差），我們使用兩種不同的權(quán)重系數(shù)（每條數(shù)據(jù)記錄的方差或樣本量）來構(gòu)建薈萃分析（meta-analysis）的統(tǒng)計模型。只有當(dāng)兩種模型的參數(shù)估計均達(dá)到顯著水平（p<0.05），或其中一個模型達(dá)到顯著水平且另一模型接近顯著水平（p<0.1），團(tuán)隊才認(rèn)為該結(jié)果在統(tǒng)計上是可信的。”巫東豪說。
他們定義了土壤工程師效應(yīng)，并通過薈萃分析發(fā)現(xiàn)，在全球尺度上，三類土壤無脊椎動物的土壤工程師效應(yīng)均可以顯著提升土壤主要養(yǎng)分含量，促進(jìn)土壤呼吸速率、微生物生物量以及植物生物量，從而推動碳固定和碳釋放過程。
隨著年均溫的升高，白蟻對土壤呼吸和植物生物量、蚯蚓對土壤氮磷含量的促進(jìn)作用均隨之提高。進(jìn)一步分析表明，白蟻通過緩解熱帶地區(qū)磷養(yǎng)分限制進(jìn)而促進(jìn)植物生長，螞蟻則通過緩解溫帶地區(qū)氮養(yǎng)分限制促進(jìn)植物生長。
相關(guān)性分析結(jié)果表明，三類土壤無脊椎動物對于土壤碳氮磷含量的提升作用與對土壤呼吸的促進(jìn)作用均呈現(xiàn)出顯著（p<0.05；螞蟻和蚯蚓）或接近顯著（p<0.1；白蟻）的正相關(guān)關(guān)系。然而，土壤養(yǎng)分含量與植物生物量的工程師效應(yīng)相關(guān)性結(jié)果表現(xiàn)出類群特異性。
研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)螞蟻對土壤碳氮含量的促進(jìn)作用與對植物生物量的促進(jìn)作用呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而白蟻對土壤磷含量的促進(jìn)作用與對植物生物量的促進(jìn)作用呈顯著正相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果反映了不同工程師類群對植物生長的促進(jìn)作用可能存在機(jī)制（養(yǎng)分限制）和地理格局的差異，對土壤微生物呼吸作用的影響則與土壤碳氮磷含量的變化均存在正相關(guān)關(guān)系。
全球白蟻、螞蟻、蚯蚓生態(tài)系統(tǒng)工程師效應(yīng)的研究數(shù)據(jù)概況。圖a展示了薈萃分析所搜集文獻(xiàn)的地理分布格局；圖b~d展示了三大類群產(chǎn)生的生物構(gòu)造示意圖（白蟻丘、螞蟻丘和蚯蚓糞）以及對應(yīng)的觀測/實驗研究數(shù)量沿緯度梯度的頻度分布直方圖。研究團(tuán)隊供圖
重新理解地下生態(tài)網(wǎng)絡(luò)
“該研究始于2021年10月，期間經(jīng)歷3年又5個月。其中最大的困難在于數(shù)據(jù)收集過程的漫長和繁瑣。”巫東豪表示，團(tuán)隊歷時1年，從多種渠道獲取7480篇相關(guān)文獻(xiàn)的原文，并逐一確定研究內(nèi)容的相關(guān)性和發(fā)表數(shù)據(jù)的可用性，篩選出1047篇文獻(xiàn)作為全球尺度薈萃分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
基于上述數(shù)據(jù)集和統(tǒng)計模型，該研究探討了三個科學(xué)問題：一是，三種土壤無脊椎動物類群在全球尺度上對47種生態(tài)系統(tǒng)功能的工程師效應(yīng)有何異同？三是，資源可獲得性和代謝速率假說是否能解釋生態(tài)系統(tǒng)工程師效應(yīng)的全球分布格局及其緯度梯度變化？三是，此前研究表明，土壤無脊椎動物可以通過影響土壤理化環(huán)境進(jìn)而影響微生物和植物，那么三大無脊椎動物類群對不同生態(tài)系統(tǒng)功能的工程師效應(yīng)之間是否存在正向的協(xié)同變化關(guān)系？比如對土壤養(yǎng)分和物理屬性的提升作用是否與對土壤呼吸、植物生物量的促進(jìn)作用呈現(xiàn)正相關(guān)？
儲誠進(jìn)表示，該研究不僅揭示了生態(tài)系統(tǒng)工程師效應(yīng)的三種主要的緯度梯度格局，還選取了四種主要環(huán)境因子（影響資源可獲得性的凈初級生產(chǎn)力和土壤深度；影響代謝速率的年均溫和水分可獲得性）作為預(yù)測變量，擬合了三類土壤無脊椎動物的工程師效應(yīng)的全球分布格局。基于四種環(huán)境因子的線性混合效應(yīng)模型結(jié)果表明，生態(tài)系統(tǒng)工程師效應(yīng)的不同緯度梯度格局由不同環(huán)境因子驅(qū)動形成。其中，凈初級生產(chǎn)力是驅(qū)動螞蟻效應(yīng)單峰格局的環(huán)境因素。
鑒于土壤無脊椎動物對多種生態(tài)系統(tǒng)功能均具有重要的工程師效應(yīng)，全球變化因子可能會通過改變它們的工程師效應(yīng)進(jìn)而重塑生態(tài)系統(tǒng)和影響生物地理化學(xué)循環(huán)。然而，目前土壤無脊椎動物工程師效應(yīng)研究尚未有統(tǒng)一的方法、標(biāo)準(zhǔn)、時間和類群等全球性聯(lián)網(wǎng)研究與調(diào)查。
“我們的研究成果不僅為理解和保護(hù)土壤生物多樣性提供了新的視角，也為應(yīng)對全球變化提供了重要的科學(xué)依據(jù)。”儲誠進(jìn)表示，研究團(tuán)隊后續(xù)研究方向之一，將推動國內(nèi)國際研究團(tuán)隊的合作，共同探索與保護(hù)土壤無脊椎動物工程師的多樣性和功能。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08594-y
本文鏈接：土壤無脊椎動物驅(qū)動全球生態(tài)系統(tǒng)功能新視角http://www.lensthegame.com/show-11-17342-0.html
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