24小时内，两只地鼠改变了一座火山

本文转载自公众号“环球科学”（id：huanqiukexue）

圣海伦斯火山丨Lyn Topinka, Public domain, via Wikimedia Commons

影响长达数十年。

撰文 | 黄雨佳

审校 | 二七

1980年5月18日，美国华盛顿州的圣海伦斯火山（Mount St. Helens）突然爆发，喷出了150万吨二氧化硫和5.4亿吨火山灰，成为了美国历史上最具破坏性的火山爆发事件之一。高温直接摧毁了火山口方圆10千米以内的植被；而更远处，巨大的冲击波横扫大地，将大片森林夷为平地。浮岩和火山灰一直蔓延至距离火山口数百千米外的区域，喀斯喀特山脉（Cascades Mountains）超过350平方千米的针叶林和山地栖息地化为废墟。

这场火山喷发的破坏力不仅限于地表，对地下生态系统的影响同样深远。原本活跃的土壤微生物几乎被滚烫的火山灰消灭殆尽，同时，火山灰让土壤变得更偏酸性，地下生态功能严重受损，进一步抑制了植被生长。即便在喷发两年后，这片土地仍然荒芜一片，难觅生命的踪迹。尽管偶有鸟类带来植物种子，但在这片贫瘠的土壤中，种子生长十分艰难，只能见到零星分布的植株。

美国犹他州立大学（Utah State University）的科学家迈克尔·F.艾伦（Michael F. Allen）和詹姆斯·A.麦克马洪（James A. MacMahon）猜想，虽然这里的表层土壤已经被摧毁，但深层土壤中可能还保留有活着的细菌和真菌，它们或许能成为推动植被恢复的希望。然而，如果真菌的繁殖体在厚厚的火山灰下埋得太久，它们也可能会死亡。那么，如何在它们彻底消失前挽救这片土地呢？

艾伦和麦克马洪提出了一个大胆的想法：如果能将土壤深处残存的细菌和真菌“挖”到表层，能不能帮助这片土地重启生态恢复的过程？于是，他们把目光投向了一种以挖洞能力闻名的动物——北部囊鼠（Thomomys talpoides）。这种小型囊地鼠原产于北美，浑身覆盖着棕色长毛。据说，每只北部囊鼠每月能松动多达227千克的土壤。

北部囊鼠丨Henggang Cui, CC0, via Wikimedia Commons

为了验证这一猜想，他们在被火山灰覆盖的特定区域放置了一些北部囊鼠，并仅让它们活动一天。在近期发表于《微生物组前沿》（Frontiers in Microbiomes）的一篇论文中，他们评估了这一试验的长期影响。出乎意料的是，短短一天的试验竟然给这片土地带来了持续数十年的深远影响。

北部囊鼠的力量

1982年9月和1983年8月，艾伦和麦克马洪踏上了圣海伦斯火山以北的浮岩平原（Pumice Plain）。这片区域位于精灵湖（Spirit Lake）上方，覆盖着超过20米厚的火山灰，荒芜得几乎没有生命迹象，仅有几株太平洋羽扇豆（Lupinus lepidus）零星生长。

在浮岩平原和另一处被火山喷发夷为平地的区域，艾伦和麦克马洪各设置了一平方米大小的铁丝网围栏，各围住一株太平洋羽扇豆，并分别放入一只在当地捕获的北部囊鼠。两只北部囊鼠在围栏中仅待了24小时，期间它们自由活动，随后便被移走。令人惊讶的是，一段时期后，围栏中的太平洋羽扇豆就长出了丛枝状菌根（AM），而围栏外的植株则没有出现类似的变化。

菌根是植物根系与真菌形成的一种共生结构，对于植被的恢复至关重要。因为大多数植物无法单靠自身有效获取所有需要的养分和水分，而需要依赖于这些微小但功能强大的真菌伙伴。直径仅几微米的菌丝会在土壤中形成庞大的网络，利用其巨大的表面积从环境中汲取水分和养分并输送给植物。与此同时，这些共生体还能帮助植物抵御土壤中的病原体。作为回报，植物会为真菌提供生长所需的含碳有机物。

围栏中的北部囊鼠丨原论文

实验结束6年后，艾伦和麦克马洪发现，曾放置北部囊鼠的地块与未放置的地块之间已呈现出截然不同的景象。那些北部囊鼠短暂造访过的地块上，已郁郁葱葱地生长出约4万株植物，甚至吸引并恢复了本土的北部囊鼠种群；而未曾放置北部囊鼠的区域则依旧荒凉。

北部囊鼠之所以能对生态恢复产生如此巨大的影响，关键在于它们的挖洞和翻土行为。通过这些活动，它们将深层土壤与地表火山灰充分混合，把对于土壤生态至关重要的真菌、种子和昆虫带到地表。此外，北部囊鼠的粪便中也含有真菌、真菌孢子以及植物种子，它们的排泄行为给这片土地带来了生机。

不仅如此，火山灰颗粒较大，与深层土壤混合后形成的土壤混合物具有良好的透气性，非常适宜植物生长。正因如此，在这种土壤中生长的植物往往更加健康繁茂。艾伦等人的观察也印证了这一点：相比之下，北部囊鼠未造访的土壤中长出的植物常常会变得枯黄。

但最让艾伦团队感到震惊的是，北部囊鼠仅仅24小时的活动所产生的影响，并不仅仅局限于最初的几年。这些变化竟然持久地影响着这片土地的生态环境，甚至延续至今。

持久的影响

2014年7月，艾伦和麦克马洪再次踏上这片熟悉的土地，对浮岩平原试验区和非试验区的土壤进行了采样。作为对比，他们还前往了一片距离浮岩平原不远的区域——“熊草甸”（Bear Meadow）。这片地区同样在1980年被厚厚的火山灰覆盖，但因历史原因呈现出两种截然不同的景观：一部分因采伐早已变成草甸，另一部分则保留着古老的森林。研究人员分别从这两种景观中采集土壤样本，与浮岩平原的样本一同送回实验室，分析它们的化学和微生物组成。

在化学成分分析中，他们重点关注了土壤中的碳和氮含量，这些指标与土壤中的微生物含量相关，因为微生物能将氨转化为有机氮固定在土壤中。结果显示，浮岩平原区域的土壤碳和氮含量普遍低于熊草甸的森林区域。然而，在浮岩平原内部，曾经放置过北部囊鼠的试验区土壤中的碳和氮含量显著高于未曾放置囊鼠的普通区域。这意味着，40年前那只仅仅待了24小时的北部囊鼠，为这片土地注入了更持久的生机。

圣海伦斯火山及周边地区的地图，图中显示了浮岩平原（Pumice Plain）、精灵湖（Spirit Lake）和熊草甸（Bear Meadow）所在的位置丨原论文

而对土壤中的微生物DNA分析结果表明，曾经放置北部囊鼠的试验区域与未放置囊鼠的普通区域，其土壤中的微生物群落组成有明显差异，试验区域的细菌和真菌多样性甚至超过了熊草甸的森林区域。尤其是在试验区域，丛枝状菌根的多样性显著增加。这一结果表明，北部囊鼠不仅改变了土壤的化学成分，还在微生物群落的长期演替中扮演了关键角色。

这项研究还再次印证了微生物对生态恢复的重要性。1980年火山喷发之前，熊草甸的森林区域主要覆盖是松树、云杉和冷杉等针叶林。火山灰的覆盖导致这里大量针叶脱落，科学家一度担心这片森林将彻底消失。但出乎意料的是，森林区域的恢复速度非常快，某些区域的树木几乎在灾后立即开始生长，伐木区却依然贫瘠。研究人员认为，这种差异与脱落的针叶密切相关，它们滋养了土壤中的真菌，从而帮助树木迅速再生。

这项研究提醒我们，自然界中万事万物都紧密相连。无论是肉眼可见的植物和动物，还是微小到无法直接感知的微生物，它们都可能成为生态恢复的关键力量。

参考文献

[1]https://www.frontiersin.org/journals/microbiomes/articles/10.3389/frmbi.2024.1399416/full

[2]https://www.tandfonline.com/doi/epdf/10.1080/00275514.1988.12025615

[3]https://www.universityofcalifornia.edu/news/how-gophers-brought-mount-st-helens-back-life-one-day

[4]https://link.springer.com/chapter/10.1007/0-387-28150-9_15

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