森林中沒有免費的“氮餐”

鄭棉海

人體需要不斷地補充營養物質，自然界中的動物和植物同樣也需要不斷地補充營養。

與人類相似，在森林這個大家庭中，植物和動物需要的營養物質很多，比如氮、磷、鉀、鈣、鈉、鎂、鐵等。其中，氮是最基礎并且非常重要的一種元素。這是因為沒有氮就沒有蛋白質，沒有蛋白質就沒有生命。

植物體內的蛋白質含量最高可達到80%～85%，而蛋白質中氮含量平均占了16%～18%。在森林中，植物是很多動物重要的營養來源，那植物的營養來源是什么？更進一步說，植物體內的氮是從哪里來的？

森林植物是怎么“吃”到氮的？

森林中的植物看似沒有手也沒有腳，好像也不會“動”，那它們是如何去獲取氮這種營養的呢？

我們先來看看地球上的氮分布在哪里。自然界中，絕大部分氮是以氣體（氮氣）的形式存在于空氣中，氮氣占了空氣體積的78%。如此高氮含量的空氣，是不是意味著植物只需要打開葉片上的氣孔，就能輕松把氮氣給吸收了？

其實不然，氮氣是無法被生物體直接利用的，即便是吸進去也會被原路排出來，因為氮氣沒法被植物直接“消化”。

那么，植物究竟需要怎么做呢？

其實，植物在長期進化的過程中，已經擁有了多種方法來獲取氮。

第一種，專門的植物做專門的事。有一類專門獲取氮的植物，稱為結瘤固氮植物。與其他種類的植物不同，這類植物可以與固氮菌共生合作，從根部結出具有高效固氮能力的“根瘤”。這樣一來，空氣中的氮氣就可以通過根瘤固氮的形式固定下來，然后進一步轉化成能被植物消化的“氨”。

正因為有了這種植物與固氮菌合作的基礎，植物只需要“討好”根瘤中的固氮菌（比如，給它們提供一些碳水食物），就可以從固氮菌那里交換得到它們想要的氮了。

第二種，專門的微生物做更多的事。自然界中，如果僅有結瘤植物可以進行固氮也不行，這樣的話，氮供應市場豈不是被它們“壟斷”了？其實，森林中還有另外一類固氮菌，叫作自生固氮菌。顧名思義，它們沒有選擇與植物合作，而是自己出來打拼（自生自滅）。它們死亡后形成的殘體中保留的氮，可以被微生物分解出來并被植物進一步利用。

自生固氮菌廣泛分布在森林中的各個角落，包括土壤、凋落葉、枯枝、腐木、附生植物以及植物的葉片上等。森林給它們提供了各種各樣的棲息環境滿足它們，而它們的出現也造福了森林中很多植物對氮的需求。

第三種，人類提供免費的“霸王餐”。我們人類建造的工廠以及交通運輸排放到空氣的廢氣中，都有大量含氮的活性化合物。這些含氮化合物可以在空氣中隨風飄動，最后通過直接降落的方式（干沉降）或者溶于雨水后再降落的方式（濕沉降）進入森林中，被植物吸收和利用，因此人類給森林植物提供了免費的“大餐”。

看似免費“氮餐”，實則代價巨大

然而，人類給森林提供的免費“大餐”，似乎擾亂了森林的“市場秩序”。

無論是固氮植物還是固氮菌，它們進行固氮反應都需要消耗大量的能量。而相比之下，有了天上這塊掉下的“餡餅”——從空氣中降落的含氮化合物，森林何樂不為呢？漸漸地，結瘤固氮植物不再進行結瘤了，固氮菌也似乎不想進行固氮了，大家都傾向于去索取這種不勞而獲的空氣沉降氮。

事實上，自然界是否存在真正“免費的午餐”呢？答案是否定的。當森林缺乏氮的時候（營養不良），獲取氮是生物本能的反應。但是，當森林里面的氮已經很豐富的時候（營養過剩），就會適得其反。

空氣沉降的氮這塊“餡餅”根本無法聽從指揮，久而久之，落入森林中的氮就會越積越多，最終植物可能會因為氮太多而“撐死”，或者因為其他營養成分（磷、鉀、鈣等）跟不上（各種營養比例失衡）而變得“消瘦”。所以，氮的供應太多也不是一件好事，免費的東西也是需要付出代價的。

其實，森林中的固氮植物和固氮菌并不是都具有相同的想法，畢竟不同的選擇需要付出不同的代價。因此，仍然會有相當一部分的固氮植物和固氮菌選擇“自力更生”，需要多少就去“掙”多少。

在森林中，有些“聰明”（或者說是“懶惰”）的植物和微生物會直接利用空氣中沉降下來的氮補充營養，但是也有部分不太“聰明”（或者說是“勤勞”）的固氮菌在消耗著能量進行固氮。

事實上，我們發現，這些看似不太“聰明”的固氮微生物也不“笨”，它們巧妙地利用了森林中的低成本能量（比如，凋落葉和土壤有機質中溶解出來的碳）進行固氮。這種“以碳促氮”的方式節約了它們自己的能量成本，這也正是森林社會“斗智斗勇”的真實寫照。

即便如此，不可否認的是，人類生產和生活所排放的廢氣已經對森林的正常秩序造成了嚴重影響。

我們進一步發現，空氣中沉降進入森林的氮先是積累在植物和土壤中，土壤中的氮在微生物的硝化作用下釋放出更多氫離子（H+），導致土壤酸化。酸化環境不利于植物和微生物的生長，生物的呼吸減弱，會導致植物細根和微生物死亡。

同時，土壤還會釋放出更多含氮溫室氣體（如N2O），加劇氣候變暖。因此，如果不對人為產生的廢氣加以控制，未來將會造成很多森林的氮營養過剩，可能會引發環境危機。

保護人類共有的森林家園

森林不僅是動植物的家園，也是我們人類賴以生存的環境。雖然我們不希望森林植物出現“營養不良”，但是我們也應該尊重大自然的規律。短期內，人類活動排放的含氮廢氣可能有益于植物生長，但長期而言，造成的危害將會是不可估量的。比如，導致植物多樣性減少、森林環境惡化、溫室效應加劇等。而這些最終也將影響人類的生活和健康。

短期內，人類活動排放的含氮廢氣可能有益于植物生長，但長期而言，造成的危害將會是不可估量的。比如，導致植物多樣性減少、森林環境惡化、溫室效應加劇等。而這些最終也將影響人類的生活和健康。

當前，人類社會正面臨著氣候變化的威脅，實現“雙碳”目標（碳中和、碳達峰）既是國家戰略，也是社會需求。森林是增加碳匯（從大氣中吸收溫室氣體）的重要生態系統，在未來，科學家將進一步研究增強森林碳匯能力的機理，同時也將探索更多基于生物途徑的固碳技術。

對于我們而言，進一步提升保護環境的意識，尊重大自然的規律，科學合理地種植和保護身邊的花草樹木，守護好我們共有的森林家園，是我們必須承擔的責任！

◎ 來源|中國科普博覽