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Science:给生态系统“撒点盐”

Science:给生态系统“撒点盐”

2000年前,古罗马的军队在侵略迦太基古城时烧杀抢掠,并将整个古城夷为废墟。民间传说,罗马军队在临走之前又给予迦太基城最后一击——在整片土地上撒盐,让迦太基从此寸草不生。

Michael Kaspari也学着往土地上撒盐,但这次,却产生了截然不同的效果。

在他的试验田里到处爬满了蚂蚁和其它无脊椎动物。在这片缺乏钠元素的土地上,美国俄克拉荷马大学诺曼校区的生态学家Kaspari发现,添加少量盐可以促进这些生物的生物量,并且可以促进植物体的分解腐烂。因此,Kaspari最新的研究结果显示,缺乏盐分可能会对全球碳循环造成重大的影响。

钠元素是人们餐桌上必不可少的食盐中重要的组成部分。多年以来,Kaspari一直呼吁,希望科研人员可以关注钠元素对于生态系统的重要性,而这一努力在1月份召开的会议上引发了热议。

Kaspari认为,钠元素的局限性是影响全球碳存储的主要因素之一。虽然并不是所有人都认可这一说法,但Kaspari已经说服了不少的同事。他们都相信,盐在健康的生态系统中具有至关重要的作用。

“他对钠元素的重要性做了全新的阐释。”美国德克萨斯州农工大学的昆虫生理学家Spencer Behmer如是表示,“这将让人们重新重视盐所带来的后果。”

生命之盐

动物对钠元素的使用方式有很多种。但一种尚存争议的说法表示,钠的最基本作用之一是帮助细胞控制细胞内含物。

细菌和植物利用不具渗透性的细胞壁,从物理上将营养物和其它必要的细胞成分锁在细胞内。但是动物的细胞却不一样。动物的细胞膜是可渗透的,因此细胞内的物质可以渗透出来。

实际上,动物的细胞消耗自己身体中三分之一的能量预算去阻止这种流失。细胞通过细胞膜,内外抽吸钠以及其它离子以保持渗透平衡,从而确保细胞中必不可少的分子不会扩散出去。

但是,由于钠元素是以带电钠离子的形式存在,生物体不能像存储氮元素、碳元素和磷元素一样存储带电钠离子。因此,它们需要寻找一个不间断的供应源泉。

食肉动物在它们的饮食中一般可以满足盐的分量,因为它们所捕获的动物通常都会努力摄入适当的盐分。但是正如Kaspari所展示的一样,食草动物、白蚁类以及其它食腐质者赖以生存的主要食物来源是死亡和腐烂的物质。因此,这一类的生物在基本食物选择中无法获得应有的钠含量。这也是为什么农场主会为他们的牲畜提供舐食的盐块。

其它很多动物为了摄取足够的钠而“采取极端手段”。雄性蝴蝶会在蒸发的小水洼中舐食足够的盐分,用精子将钠包裹住,作为礼物送给所追求的雌性蝴蝶。通过这种方式,盐分就转移到蝴蝶卵中,为即将出生的小毛毛虫提供所需的盐分。

麋鹿一头扎进冰冷刺骨的水中——花费了很多精力——吃沉水植物,只为了获得沉水植物中比陆生植物多的一点钠;山地大猩猩喜欢大口大口地咀嚼腐烂的木头,因为木头上面布满了带有盐分的菌类植物。

Kaspari一直都知道动物界的这种现象。但起初,他并没有真正开始考虑钠元素在生态系统动力学中的推动作用,直到2007年他的秘鲁野外考察之旅。

影响碳平衡

Kaspari的一位同事记录了从海岸线到内陆,雨水从含盐到几乎成为蒸馏水的整个变化过程。研究人员想要知道,这种盐分的改变是否会对动物的行为产生一定的影响。因此,Kaspari和他的同事在亚马逊河乘船巡游时,趁着游艇停下来加油的功夫,进行了一个简单的实验。

他们将浸泡在盐溶液或糖溶液的棉球放入玻璃小瓶中,放入亚马逊河中静待结果。正如Kaspari所预测的一样,不过几分钟的时间,蚂蚁就挤满了含糖的棉球。但在含盐的棉球小瓶中,贪心的蚂蚁也蜂拥而上。

“这是我所见过最有趣的事情了。”Kaspari表示,“在热带地区深处的蚂蚁对钠的渴望正如它们对糖分的渴望一样。”他的团队甚至展示出,蚂蚁对钠的渴望会随着与海洋之间的距离的增加而逐渐增长。

在随后的追踪调查中,他们在秘鲁的热带低地雨林建立了70块长宽为25厘米的方形试验田,该地区正是早先Kaspari证明蚂蚁无法获取盐分的地区。每隔一天,研究人员会在一半的试验田中喷洒溪水,并在另一半试验田中喷洒浓缩的盐溶液。此后,他们在每块试验田中采集起所有的无脊椎动物。这些动物组成了“棕色的”食物网,它们分解落叶层并对森林的营养物进行重复的利用。

根据Kaspari和他的同事在2009年的报告显示,在富含钠的试验田中,白蚁类和蚂蚁的数量有所增加,落叶层的分解平均增长了41%。

这一报告表明,“全球碳平衡可能受到养分限制的地理格局影响。”美国盖恩斯维尔佛罗里达大学的比较生理学家Daniel Hahn如是说。因此,Kaspari和他的同事最近正在试图估计钠对于碳循环的影响力。

生态系统需要盐

Kaspari及其团队在此次会议中汇报,他们在秘鲁建立了10对4米×4米的试验田。他们为一半的试验田喷洒与海边雨水同样盐度的水,并为另一半试验田喷洒河水,频率为每个月两次。试验田中放满了圆盘滤纸——用以代替落叶——并放入了三种不同类型的树木。在含有盐分的试验田中,白蚁的数量增加了16倍,落叶层的分解增加了26%。同时,树木的分解增加了32%,分解率高达76%。

根据Kaspari的计算,大约80%的地球陆地面积距离海岸线超过100公里。因此,他认为钠元素的局限性会对生态产生实质性的影响,尤其是在自然的地理环境无法提供浓缩的钠来源的情况下。

据估计,30%的土壤碳存在于热带雨林当中。根据Kaspari的研究结果显示,由于钠元素的局限性,因此内陆地区的碳存储与海边相比,增长速度更快,分解速度更慢。而研究人员在建立碳循环模型时,往往会忽略这个因素。

“钠在调节有机物质分解中可以发挥重要的作用,并因此影响陆地的碳存储。”法国蒙彼利埃进化和功能生态学中心生态学家Pablo García Palacios对这种看法表示赞同。

但并不是所有人都赞同这种观点。“钠将在短期内影响景观层面的分解,但是我不能确定这将如何影响整个地球的循环系统。”美国新罕布什尔大学生态学家Michael Palace指出。而在瑞典于默奥市农业科学大学的生态学家David Wardle则呼吁科研人员要深入研究,明确钠元素的局限性到底有多普遍。

无论如何,Kaspari的同事表示,他的工作让他们重新认识到钠元素对于生态系统和地球化学的影响。

“Mike(将早期的研究)向前推动了一大步。”Hahn表示,“他不是简单地研究个体行为和个体决定,他是将研究放在社群功能的层面上。”

原文检索:

Elizabeth Pennisi. Ecosystems Say 'Pass the Salt!'. Science 31 January 2014; DOI: 10.1126/science.343.6170.472

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