24小時內兩只地鼠改變了一座火山

1980年5月18日，美國華盛頓州的圣海倫斯火山（MountSt.Helens）突然爆發，噴出了150萬噸二氧化硫和5.4億噸火山灰，成為美國歷史上最具破壞性的火山爆發事件之一。高溫直接摧毀了火山口方圓10千米以內的植被；而更遠處，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百千米外的區域，喀斯喀特山脈（CascadesMountains）超過350平方千米的針葉林和山地棲息地化為廢墟。

這場火山噴發的破壞力不僅限于地表，對地下生態系統的影響同樣深遠。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，火山灰讓土壤變得更偏酸性，地下生態功能嚴重受損，進一步抑制了植被生長。即便在噴發兩年后，這片土地仍然荒蕪一片，難覓生命的蹤跡。盡管偶有鳥類帶來植物種子，但在這片貧瘠的土壤中，種子生長十分艱難，只能見到零星分布的植株。

美國猶他州立大學（UtahStateUniversity）的科學家邁克爾·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被摧毀，但深層土壤中可能還保留有活著的細菌和真菌，它們或許能成為推動植被恢復的希望。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大膽的想法：如果能將土壤深處殘存的細菌和真菌“挖”到表層，能不能幫助這片土地重啟生態恢復的過程？于是，他們把目光投向了一種以挖洞能力聞名的動物——北部囊鼠（Thomomystalpoides）。這種小型囊地鼠原產于北美，渾身覆蓋著棕色長毛。據說，每只北部囊鼠每月能松動多達227千克的土壤。

為了驗證這一猜想，他們在被火山灰覆蓋的特定區域放置了一些北部囊鼠，并僅讓它們活動一天。在近期發表于《微生物組前沿》（FrontiersinMicrobiomes）的一篇論文中，他們評估了這一試驗的長期影響。出乎意料的是，短短一天的試驗竟然給這片土地帶來了持續數十年的深遠影響。

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）。這片區域位于精靈湖（SpiritLake）上方，覆蓋著超過20米厚的火山灰，荒蕪得幾乎沒有生命跡象，僅有幾株太平洋羽扇豆（Lupinuslepidus）零星生長。

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

菌根是植物根系與真菌形成的一種共生結構，對于植被的恢復至關重要。因為大多數植物無法單靠自身有效獲取所有需要的養分和水分，而需要依賴于這些微小但功能強大的真菌伙伴。直徑僅幾微米的菌絲會在土壤中形成龐大的網絡，利用其巨大的表面積從環境中汲取水分和養分并輸送給植物。與此同時，這些共生體還能幫助植物抵御土壤中的病原體。作為回報，植物會為真菌提供生長所需的含碳有機物。

試驗結束6年后，艾倫和麥克馬洪發現，曾放置北部囊鼠的地塊與未放置的地塊之間已呈現出截然不同的景象。那些北部囊鼠短暫造訪過的地塊上，已郁郁蔥蔥地生長出約4萬株植物，甚至吸引并恢復了本土的北部囊鼠種群，而未曾放置北部囊鼠的區域則依舊荒涼。

北部囊鼠之所以能對生態恢復產生如此巨大的影響，關鍵在于它們的挖洞和翻土行為。通過這些活動，它們將深層土壤與地表火山灰充分混合，把對于土壤生態至關重要的真菌、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了生機。

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。正因如此，在這種土壤中生長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：相比之下，北部囊鼠未造訪的土壤中長出的植物常常會變得枯黃。

但最讓艾倫團隊感到震驚的是，北部囊鼠僅僅24小時的活動所產生的影響，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環境，甚至延續至今。

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，對浮巖平原試驗區和非試驗區的土壤進行了采樣。作為對比，他們還前往一片距離浮巖平原不遠的區域——“熊草甸”（BearMeadow）。這片地區同樣在1980年被厚厚的火山灰覆蓋，但因歷史原因呈現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驗室，分析它們的化學和微生物組成。

試驗結束6年后，艾倫和麥克馬洪發現，曾放置北部囊鼠的地塊與未放置的地塊之間已呈現出截然不同的景象。那些北部囊鼠短暫造訪過的地塊上，已郁郁蔥蔥地生長出約4萬株植物，甚至吸引并恢復了本土的北部囊鼠種群，而未曾放置北部囊鼠的區域則依舊荒涼。

在化學成分分析中，他們重點關注了土壤中的碳和氮含量，這些指標與土壤中的微生物含量相關，因為微生物能將氨轉化為有機氮固定在土壤中。結果顯示，浮巖平原區域的土壤碳和氮含量普遍低于熊草甸的森林區域。然而，在浮巖平原內部，曾經放置過北部囊鼠的試驗區土壤中的碳和氮含量顯著高于未曾放置囊鼠的普通區域。這意味著，40年前那只僅僅待了24小時的北部囊鼠，為這片土地注入了更持久的生機。

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

這項研究還再次印證了微生物對生態恢復的重要性。1980年火山噴發之前，熊草甸的森林區域主要覆蓋是松樹、云杉和冷杉等針葉林。火山灰的覆蓋導致這里大量針葉脫落，科學家一度擔心這片森林將徹底消失。但出乎意料的是，森林區域的恢復速度非常快，某些區域的樹木幾乎在災后立即開始生長，伐木區卻依然貧瘠。研究人員認為，這種差異與脫落的針葉密切相關，它們滋養了土壤中的真菌，從而幫助樹木迅速再生。

這項研究提醒我們，自然界中萬事萬物都緊密相連。無論是肉眼可見的植物和動物，還是微小到無法直接感知的微生物，它們都可能成為生態恢復的關鍵力量。

◎來源|環球科學