出品：科普中國

作者：鄭棉海（中國科學院華南植物園）

監制：中國科普博覽

人體需要不斷地補充營養物質，自然界中，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，植物是很多動物的重要的營養食物來源，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”。

空氣中的氮氣

（圖片來源：Veer圖庫）

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。

固氮植物的根瘤

（圖片來源：Veer圖庫）

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，以及植物的葉片等等。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。

微生物固氮

（圖片來源：作者自制）

第三種，人類提供免費的“霸王餐”。我們人類建造的工廠、企業，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”。

人類活動引發的大氣氮污染

（圖片來源：Veer圖庫）

表面：免費“氮餐”，實際：巨大代價

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。

氮的供應方式

（圖片來源：作者自制）

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了（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、鈣等等）跟不上（各種營養比例的失衡）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。

森林退化

（來源：Veer圖庫）

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，科學家們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

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