在广袤而壮丽的青藏高原，连绵的高寒草地重要的生态屏障，也是高原牧民群众赖以生存的优良牧场。长期以来，一个科学谜题萦绕在研究者心头：在这片受低温限制、豆科植物稀少、鲜有人工施肥补氮的土地上，蓬勃生长的草地植物是如何获取氮素这一关键“营养”的？近期，北京林业大学草业与草原学院院长董世魁教授团队在国际知名期刊《Global Change Biology》和《Journal of Plant Ecology》等杂志发表论文拨开迷雾，阐明了这片土地维持氮平衡的“隐藏引擎”——由无数肉眼看不见的土壤微生物主导的“非共生固氮”过程。 传统认知中，豆科植物与根瘤菌的共生固氮是自然生态系统主要的氮来源。然而，在青藏高原高寒草地中豆科植物占比不足10%，显然不是固氮的主力军。那么，高寒草地植物生长所需的氮从何而来？董世魁团队进行了一场跨越青藏高原的“大普查”。在2000公里的样带采集土壤样品，运用先进的基因测序和同位素标记技术，首次全面绘制了高原草地固氮微生物的“族群分布图”，发现青藏高原高寒草地土壤存在一个丰富多样的固氮微生物王国，其中斯克尔曼氏菌属和中慢生根瘤菌属是绝对的优势族群。令人惊讶的是，中慢生根瘤菌属通常被认为与豆科植物共生，但在青藏高原高寒草地豆科植物缺乏的环境中，这些微生物在非共生条件同样活跃，扮演重要的“自由固氮工”角色，这些微生物的固氮潜力平均每年每公顷可达约3公斤氮。董世魁团队还发现，青藏高原高寒草地土壤中的微量元素—钼是调控固氮速率最关键的因素，堪称打开氮气分子惰性之锁的“关键钥匙”。据估算，整个青藏高原草地每年通过非共生固氮途径输入的氮总量可达约50万吨，相当于大气氮沉降量的39%，占外源氮输入总量的四分之一，正式由于大气氮沉降和非共生固氮两种作用的存在，解决了高原草地豆科植物缺乏、外源施肥氮素补充不足的问题。这些研究发现，首次定量刻画了非共生固氮作为青藏高原高寒草地“隐形氮源”的巨大贡献。 摸清家底后，董世魁团队揭秘了另一个重要科学问题：在全球气候变化背景下，这片“隐形氮源”将如何响应？当前，青藏高原正经历着气候变暖和大气氮沉降增加的全球变化过程，这可能对高寒草地的氮素供应产生影响。为此，董世魁团队在青海湖畔建立了长期模拟实验平台，历时十多年探索增温和不同氮沉降水平对草地固氮过程的单独及复合效应，研究结果改变了“氮添加必然抑制固氮”的传统认知。团队发现，当前青藏高原的低水平氮沉降能使固氮速率提升112%，当氮沉降达到模拟的的高临界值时才会产生抑制作用。增温（气候变暖）能使固氮速率提升123%，而当增温与低水平氮沉降相结合时，固氮速率激增234%。这背后的机制是什么？团队进一步深入探究发现，长期的增温和氮沉降等环境变化驱动了微生物生态策略的演变，在增温和低氮沉降的共同作用下，微生物群落的生态位宽度变窄，这意味着环境“筛选”出了更多适应性专一的“特化种”微生物，例如脱硫弧菌属及其相关类群，扮演着高效率的“专业固氮技师”角色，在适宜的条件下能更高效地执行固氮功能。这些研究结果，首次明确了在青藏高原高寒草地这类氮限制的生态系统中，目前出现的“增温-低氮沉降”情景不仅不会削弱其固氮能力，反而会显著增强自我供氮能力。 董世魁团队通过长期研究揭示了青藏高原高寒草地氮素来源的奥秘，更是揭秘了脆弱生态系统（如高寒草地）如何通过微观世界的协作维系宏观生机与稳定的智慧。这些研究发现讲述了青藏高原严酷环境中生命韧性的科学故事，系统阐明了在高寒生境中豆科植物有限的条件下，一个庞大而活跃的“非共生固氮微生物网络”是维持草地氮平衡和生产力的关键幕后英雄，青藏高原高寒草地可能具备一定的内部调节能力来应对环境变化（气候变暖和氮沉降）的外部压力。这些研究发现不仅加深了我们对高寒生态系统氮循环机制的理解，更具有重要的现实意义，为评估高原生态系统生产力与固氮潜力对未来气候的响应提供了关键的科学参数，也为全球变化背景下制定青藏高原生态屏障保护、实现绿色可持续发展的管理策略提供了全新的科学视角。 来源：北京林业大学草业与草原学院 原标题：董世魁团队揭示青藏高原豆科植物匮乏且不施肥的天然草地获取氮素的奥秘
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