二十四小時 兩隻地鼠改變一座火山

【曲沃／摘自微信公眾號「環球科學」】

1980年5月18日，美國華盛頓州的聖海倫斯火山突然爆發，噴出了上百萬噸二氧化硫和數億噸火山灰，成了美國歷史上最具破壞性的火山爆發事件之一。浮岩和火山灰一直蔓延至距離火山口數百千米外的區域，喀斯開山脈超過350平方千米的針葉林和山地棲息地化為灰燼。

這場火山噴發造成的破壞不僅限於地表，其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。即便在火山噴發兩年後，這片土地仍然荒蕪一片，難覓生命的蹤跡。

美國猶他州立大學的科學家邁克爾‧F.艾倫和詹姆斯‧A.麥克馬洪猜想，雖然這裡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。

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，或許能幫助這片土地重啟生態恢復的過程。於是，他們把目光投向了一種以挖洞能力聞名的動物─北部囊鼠。這種小型囊地鼠原生於北美，渾身覆蓋著棕色長毛。據說，每隻北部囊鼠每月能鬆動多達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兩隻北部囊鼠，讓牠們在此地活動一天。在近期發表於《微生物組前沿》雜誌的一篇論文中，他們評估了這一試驗的長期影響。

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聖海倫斯火山以北的浮岩平原。這片區域位於精靈湖北側，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零星生長。

在浮岩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，並分別放入一隻在當地捕獲的北部囊鼠。兩隻北部囊鼠在圍欄中僅待了24小時，其間牠們自由活動，隨後便被移走。令人驚訝的是，一段時間後，圍欄中的太平洋羽扇豆就長出了叢枝狀菌根，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，而需要依賴這些微小但功能強大的真菌夥伴。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養分並輸送給植物。與此同時，這些共生體還能幫助植物抵禦土壤中的病原體。作為回報，植物會為真菌提供生長所需的有機物。

試驗結束6年後，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，已鬱鬱蔥蔥地生長出諸多植物，而未曾放置北部囊鼠的區域依舊荒涼。

北部囊鼠之所以能對生態恢復產生如此巨大的影響，關鍵在於牠們的挖洞和翻土行為。透過這些活動，牠們將深層土壤與地表火山灰充分混合，把對於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，牠們的排泄行為給這片土地帶來了生機。

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，對浮岩平原試驗區和非試驗區的土壤進行了採樣。作為對比，他們還前往了一片距離浮岩平原不遠的區域─熊草甸。這片區域同樣在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：一部分因採伐早已變成草甸，另一部分則保留著古老的森林。研究人員分別從這兩個區域中採集土壤樣本，與浮岩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。

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並固定在土壤中。結果顯示，浮岩平原區域土壤的碳和氮含量普遍低於熊草甸森林區域土壤的碳和氮含量。然而，在浮岩平原內部，曾經放置過北部囊鼠的試驗區土壤中的碳和氮含量明顯高於未曾放置囊鼠區域的。這意味著，40年前那隻僅僅待了24小時的北部囊鼠，為這片土地注入了持久的生機。

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森林區域的。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，熊草甸的森林區域中主要生長著松樹、雲杉和冷杉等針葉林。火山灰的覆蓋導致大量針葉脫落，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後立即開始生長，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。

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