2月12日，《自然》在線刊發了中山大學生態學院教授儲誠進團隊同合作者最新成果。他們首次系統揭示了白蟻、螞蟻和蚯蚓三類土壤無脊椎動物作為“生態系統工程師”對全球碳動態、養分循環及植物生長的驅動機制，并闡明了其效應隨氣候和地理環境的動態變化規律。
“我們初步證了實白蟻、螞蟻和蚯蚓三類土壤無脊椎動物均能為初級生產者和土壤微生物創造養分富集區域，從而促進碳固定和碳釋放過程。”論文通訊作者儲誠進對《中國科學報》表示，在全球土壤生物多樣性急劇衰退的背景下，該研究為理解和保護土壤生物多樣性提供了新的視角。
土壤中的“隱形工程師”
在地球的每一個角落，土壤無脊椎動物（如白蟻、螞蟻和蚯蚓）正默默地扮演著“生態系統工程師”的角色，它們的存在對于維持生態平衡和生物多樣性至關重要。然而，隨著全球變化的加劇，土壤生物多樣性正面臨著前所未有的威脅。
自工業革命以來，人類活動對地球生態系統造成了前所未有的沖擊。氣候變化、土地退化、污染和生物入侵等全球變化因素正驅動著生物多樣性的急劇喪失，導致生態系統瀕臨系統性崩潰和功能性喪失。
“理解、保護與構建健康生態系統是應對全球變化的重要解決之道。”儲誠進表示，以往研究主要關注地上生物群落（如植物）與地下生物群落（如微生物）對陸地生態系統的支持作用，但忽略了土壤動物與生物多樣性、生態系統功能的重要關聯。
土壤生物是地球上最為豐富和復雜的生物群落之一，據估計，全球約59%的物種或短暫或終身生活在土壤中。而白蟻、螞蟻和蚯蚓作為其中的代表，通過分解有機物質、改善土壤結構、促進養分循環和植物生長等多種方式，對維持生態系統功能和穩定性發揮著不可替代的作用。
生態系統工程師效應的緯度梯度格局。研究團隊供圖
白蟻、螞蟻和蚯蚓三大類群廣泛分布于全球熱帶、溫帶乃至寒帶（白蟻除外）氣候區，在土壤無脊椎動物群落中具有較高的數量和生物量。它們可以通過土壤擾動產生獨特的生物構造（如蟻丘和蚓糞），改變土壤微環境并為其他生物類群提供食物和棲息資源，因此被廣泛認為是“生態系統工程師”。
論文共同作者、北京師范大學地理科學學部教授杜恩在表示，盡管學界已報道了三大土壤無脊椎動物類群的生物量、多度和生物多樣性的全球分布格局，目前尚未有研究對白蟻、螞蟻和蚯蚓生態系統工程師效應的全球格局及環境驅動因子進行系統評估和探討，尤其是其作用機制如何隨環境梯度變化、如何與氣候因子協同驅動生態功能，還未形成全面的認識。
從微觀擾動到全球循環
在土壤生物群落中，白蟻、螞蟻和蚯蚓作為體型較大的無脊椎動物，對土壤的擾動作用尤為明顯，因此也受到了更多的關注。它們通過挖掘土壤、建造巢穴、排泄糞便等方式，不斷改變著土壤的微環境，為其他生物類群提供了食物和棲息資源。
論文第一作者、中山大學生態學院博士后巫東豪表示，研究團隊在國家自然科學基金、國家重點研發計劃、水產動物疫病防控與健康養殖全國重點實驗室（中山大學）開放課題等項目的資助下，通過搜集全球6個大洲的1047篇相關文獻，并獲取了12975條數據記錄，涵蓋47種生態系統功能或屬性，包括14種土壤養分指標、11種土壤理化屬性、8種養分循環指標和14種動植物和微生物的狀態指標。
“由于部分文獻并未提供完整的統計量（如生態系統功能的方差），我們使用兩種不同的權重系數（每條數據記錄的方差或樣本量）來構建薈萃分析（meta-analysis）的統計模型。只有當兩種模型的參數估計均達到顯著水平（p<0.05），或其中一個模型達到顯著水平且另一模型接近顯著水平（p<0.1），團隊才認為該結果在統計上是可信的。”巫東豪說。
他們定義了土壤工程師效應，并通過薈萃分析發現，在全球尺度上，三類土壤無脊椎動物的土壤工程師效應均可以顯著提升土壤主要養分含量，促進土壤呼吸速率、微生物生物量以及植物生物量，從而推動碳固定和碳釋放過程。
隨著年均溫的升高，白蟻對土壤呼吸和植物生物量、蚯蚓對土壤氮磷含量的促進作用均隨之提高。進一步分析表明，白蟻通過緩解熱帶地區磷養分限制進而促進植物生長，螞蟻則通過緩解溫帶地區氮養分限制促進植物生長。
相關性分析結果表明，三類土壤無脊椎動物對于土壤碳氮磷含量的提升作用與對土壤呼吸的促進作用均呈現出顯著（p<0.05；螞蟻和蚯蚓）或接近顯著（p<0.1；白蟻）的正相關關系。然而，土壤養分含量與植物生物量的工程師效應相關性結果表現出類群特異性。
研究團隊還發現螞蟻對土壤碳氮含量的促進作用與對植物生物量的促進作用呈顯著正相關關系，而白蟻對土壤磷含量的促進作用與對植物生物量的促進作用呈顯著正相關關系。研究結果反映了不同工程師類群對植物生長的促進作用可能存在機制（養分限制）和地理格局的差異，對土壤微生物呼吸作用的影響則與土壤碳氮磷含量的變化均存在正相關關系。
全球白蟻、螞蟻、蚯蚓生態系統工程師效應的研究數據概況。圖a展示了薈萃分析所搜集文獻的地理分布格局；圖b~d展示了三大類群產生的生物構造示意圖（白蟻丘、螞蟻丘和蚯蚓糞）以及對應的觀測/實驗研究數量沿緯度梯度的頻度分布直方圖。研究團隊供圖
重新理解地下生態網絡
“該研究始于2021年10月，期間經歷3年又5個月。其中最大的困難在于數據收集過程的漫長和繁瑣。”巫東豪表示，團隊歷時1年，從多種渠道獲取7480篇相關文獻的原文，并逐一確定研究內容的相關性和發表數據的可用性，篩選出1047篇文獻作為全球尺度薈萃分析的數據基礎。
基于上述數據集和統計模型，該研究探討了三個科學問題：一是，三種土壤無脊椎動物類群在全球尺度上對47種生態系統功能的工程師效應有何異同？三是，資源可獲得性和代謝速率假說是否能解釋生態系統工程師效應的全球分布格局及其緯度梯度變化？三是，此前研究表明，土壤無脊椎動物可以通過影響土壤理化環境進而影響微生物和植物，那么三大無脊椎動物類群對不同生態系統功能的工程師效應之間是否存在正向的協同變化關系？比如對土壤養分和物理屬性的提升作用是否與對土壤呼吸、植物生物量的促進作用呈現正相關？
儲誠進表示，該研究不僅揭示了生態系統工程師效應的三種主要的緯度梯度格局，還選取了四種主要環境因子（影響資源可獲得性的凈初級生產力和土壤深度；影響代謝速率的年均溫和水分可獲得性）作為預測變量，擬合了三類土壤無脊椎動物的工程師效應的全球分布格局。基于四種環境因子的線性混合效應模型結果表明，生態系統工程師效應的不同緯度梯度格局由不同環境因子驅動形成。其中，凈初級生產力是驅動螞蟻效應單峰格局的環境因素。
鑒于土壤無脊椎動物對多種生態系統功能均具有重要的工程師效應，全球變化因子可能會通過改變它們的工程師效應進而重塑生態系統和影響生物地理化學循環。然而，目前土壤無脊椎動物工程師效應研究尚未有統一的方法、標準、時間和類群等全球性聯網研究與調查。
“我們的研究成果不僅為理解和保護土壤生物多樣性提供了新的視角，也為應對全球變化提供了重要的科學依據。”儲誠進表示，研究團隊后續研究方向之一，將推動國內國際研究團隊的合作，共同探索與保護土壤無脊椎動物工程師的多樣性和功能。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08594-y
本文鏈接：土壤無脊椎動物驅動全球生態系統功能新視角http://m.lensthegame.com/show-11-17342-0.html
聲明：本網站為非營利性網站，本網頁內容由互聯網博主自發貢獻，不代表本站觀點，本站不承擔任何法律責任。天上不會到餡餅，請大家謹防詐騙！若有侵權等問題請及時與本網聯系，我們將在第一時間刪除處理。
上一篇： AI助力，復旦團隊為電池“續命”