西伯利亚桤木林扩张加速永久冻土消融并对泛北极地区泥炭地生态系统功能构成威胁 | Cell Press对话科学家

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2025-11-14 17:12发布于北京CellPress细胞科学官方账号

问AI · 西伯利亚桤木生物固氮如何具体加速冻土消融？

生命科学

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西南大学德国科学院Heinz Rennenberg院士/胡斌教授团队（CMEP）在Cell Press细胞出版社旗下期刊Current Biology上发表了题为“Impaired sustainability of thawing permafrost peatland ecosystems by Siberian alder colonization”的研究结果，该研究揭示西伯利亚桤木的扩张通过其独特的生物固氮过程，显著加速了泛北极地区永久冻土层的消融并量化了由桤木林固氮产生的区域性热耗散通量值，并阐明此过程对土壤微生物多样性分布格局及毗邻泥炭地植被生态系统功能的显著影响。

图1. 桤木放线菌根瘤簇固氮过程热耗散及加速永冻土活动层的消融

西伯利亚桤木与放线菌（弗兰克氏菌）共生会形成大量根瘤簇（图1）。本研究发现，在中国东北漠河地区夏季观测期间，西伯利亚桤木通过生物固氮过程释放的热量使其根瘤簇中心区域较周围根际土壤环境温度高出7.7℃（增幅达65%）。这一热释放现象显著促进了西伯利亚桤木林下永久冻土层的融化，使冻土活动层厚度达到毗邻泥炭地的约3.7倍（图1）。通过进一步的估算显示，西伯利亚桤木林生物固氮所产生的区域热耗散通量可达每年每公顷4,330至34,630兆焦耳。该数值上限与Hollesen et al., （2015）报道的北极永冻土区微生物活动分解有机质的热通量处于同一量级，约占其总热通量的7.6%。同时，西伯利亚桤木的扩张显著改变了林下及毗邻泥炭地土壤表层与有机质层中的微生物群落结构（图2）。基于稳定同位素的碳、氮分析结果证实，桤木林会对毗邻泥炭地生态系统中的优势植物种表现出明显的养分“庇护效应”，表明中国最北端泛北极泥炭地植被在永冻土融化过程中不同优势物种在获取限制生长的碳、氮养分策略方面存在着显著差异性规律。因此西伯利亚桤木在泛北极永冻土区的扩张与入侵会加速永冻土的消融，长期会对全球气候变化及泥炭地生态系统功能与环境可持续性构成威胁。另一方面，桤木通过生物固氮作用可提高土壤氮素有效性，对局部生态系统功能亦存在一定的积极调节作用，如促进优势植被种生长与林线向北推移等。本研究从原位实验与生态系统两个尺度，系统阐明了西伯利亚桤木通过生物固氮过程产生的热耗散加剧永久冻土消融的机制，对理解在全球气候变暖背景下，微生物活动驱动冻土区土壤增温及有机碳的释放机制提供了科学依据。

西南大学长江经济带农业绿色发展研究中心陈新平教授、石孝均研究员，西南大学资源环境学院分子生理生态学研究中心（CMEP）刘瑞博士，德国亥姆霍兹联合中心Michael Schloter教授, 德国布伦瑞克工业大学Robert Haensch教授，德国卡尔斯鲁厄理工学院Michael Dannenmann博士和Elisabeth Ramm博士参与指导了该项国际合作的研究工作。

图2. 桤木林内和毗邻泥炭地土壤微生物群落分布格局

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文团队成员进行了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

是什么契机促使您关注桤木林扩张和永冻土消融之间关联性的研究方向？

Heinz Rennenberg教授：

早在2018年，我们在与德国卡尔斯鲁厄理工学院气象与大气环境研究所（IMK-IFU）Michael Dannenmann博士的交流中了解到了他们在中国东北漠河地区开展的一项由中德自然科学基金会联合资助的项目，我们尤其对近年来桤木林在泥炭地生态系统迅速扩张的现象产生了浓厚的兴趣。西伯利亚桤木（学名：Alnus hirsuta Turcz. ex Rupr.；异名：Alnus sibirica Fisch. ex Turcz.）是一种先锋树种，其根系与放线菌（弗兰克氏菌）共生具备固氮能力，从长期来看能持续提高土壤肥力，直至其他演替树种取代其地位。近期结合气候变化、土壤及植被动态的模型研究预测，北半球地区（特别是永冻土带）适宜西伯利亚桤木迁徙的范围将在当前至2100年与2300年显著扩大（Sakalli，2017）。由于无乔木生态系统在北极地区占主导地位，目前该区域的固氮作用主要依靠苔藓、地衣和土壤结皮完成。落叶性的桤木属植物是泛北极环境中唯一具有生物固氮能力的乔木树种，它们常见于永冻土带南缘，对促进高位灌木扩张的正反馈效应具有贡献。与开阔的泥炭地相比，西伯利亚桤木林土壤表现出更强的呼吸作用、更高的微生物生物量碳氮含量、更快的氮周转速率以及更丰富的微生物残体碳丰度。具体而言，在中国东北永冻土泥炭地中，桤木定殖解除了氮限制，使总氮氨化速率、硝化速率及N₂O排放量提升至少一个数量级。另有研究显示，尽管树木通过蒸腾作用产生遮荫与冷却效应，但桤木林的永冻土融化程度仍比开阔的泥炭地更为显著，但导致该现象的内在机制尚未得到科学阐释。这也为我们决定在该区域开展桤木林扩张与永冻土消融的关联性机制研究奠定了基础。

CellPress：

本研究的亮点有哪些？

胡斌教授：

本研究结果表明西伯利亚桤木的入侵会加速永冻土层的融化，具体表现为夏季桤木林内土壤未冻结活动层厚度显著大于相邻泥炭藓土壤（约3.7倍）。尤为重要的是，本研究首次在固氮放线菌根瘤簇中心区域观测到显著高于根际土壤背景温度的现象（升温+7.7℃，增温幅度为65%），这为生物固氮过程所产生热耗散加速冻土层的消融提供了直接证据；根据进一步估算，桤木-放线菌固氮作用产生的热量散失约为每年每公顷4,330-34,630兆焦，其最大值与已有报道北极地区微生物活动分解有机质所产生的区域热耗散量级相当（约占7.6%）（Hollesen et al., 2015）。因此，本研究中所观测到的永冻土层加速融化可归因于桤木-放线菌共生体系中生物固氮过程产生的巨大热耗散效应。通过生物固氮作用，西伯利亚桤木似乎能够通过提升林内土壤温度而达到突破其地理分布的限制，从而促使其不断向永冻土区泥炭地生态系统的扩张和入侵过程。这也解释了在当今气候变化背景下，前人研究表明桤木的地理分布线会不断北移的趋势（Sakalli，2017）。此外，碳、氮稳定同位素特征分析表明，桤木林的入侵也会显著影响泥炭地生态系统泥炭层和有机质层的细菌多样性分布格局，并对毗邻的泥炭地植被系统优势种产生养分庇护效应，帮助它们突破生长中关键碳、氮养分的获取限制。

CellPress：

您认为在该领域未来还有哪些重要工作要做？

胡斌教授：

本研究关于桤木林固氮过程区域热散失的结论是基于相关文献报道的估算，未来需进一步开展实际大尺度的生态效应研究，以深入阐明西伯利亚桤木入侵导致永冻土融化的机制。在此背景下，有必要从景观和全球尺度来定量评估桤木扩张和生物固氮过程对北半球泛极地永冻土区生态系统功能的影响，并通过分析大气与土壤温度在季节和年际动态中的相互作用，系统性阐明全球气候变暖/土壤升温与林线（如桤木属物种）向泛北极区域移动之间的内在驱动和关联机制。

本文参考文献（上下划动查看）

HOLLESEN J., Matthiesen H., Møller A.B., and Andreasen C. (2015). Permafrost thawing in organic Arctic soils accelerated by ground heat production. Nat. Clim. Change 5, 574–578.

SAKALLI A. (2017). Simulation of potential distribution and migration of Alnus spp. under climate change. Appl. Ecol. Environ. Res. 15, 1039–1070.

作者介绍

胡斌

教授

胡斌，西南大学教授。研究领域：植物生理生态学、森林生态学、植物生物学。2013年毕业于德国弗莱堡大学，获博士学位；2014–2020年在德国弗莱堡大学林木生理研究所从事博士后研究。以第一或通讯作者身份在Trends in Plant Science, Current Biology, Global Change Biology, Soil Biology & Biochemistry, Journal of Integrative Plant Biology, Plant Cell & Environment, Biochar, Journal of Hazardous Materials等期刊发表研究论文50余篇。

Heinz Rennenberg

教授

Heinz Rennenberg，德国科学院院士，弗莱堡大学教授，西南大学特聘教授。研究领域：植物生理生态学、植物生物学、森林生态学。曾担任欧洲植物生物学联合会主席 President of the Federation of European Societies of Plant Biology(FESPB)。2019年入选中国重庆市级人才项目，2021年入选中国教育部国家级人才计划。主编或合著各类教材、学术书籍共20余部，在国际顶级生态学、植物学和林学等期刊发表SCI收录论文750篇，被引次数累计超过3.6万次，个人H-Index指数102。