小螞蟻撬動碳循環_風聞

現如今一提到螞蟻，我們最先想到的是螞蟻森林、螞蟻莊園等。但是，今天我們的主角並不是它們，而是在田野、河邊、路邊、草叢等角落隨處可見的小螞蟻。相信大部分人的童年裏都有一段與螞蟻的奇妙旅程，那就是跟隨螞蟻大軍，觀察它們搬運糧食。時常會因為觀察螞蟻而忘記時間的流逝。也常有困惑，它們如此的渺小，卻又為何如此有魅力。接下來就讓我們一起走進螞蟻的世界。

（圖片改自網絡圖片）

螞蟻：渺小而又不可忽視

世界上已知的螞蟻約有11700種，有21亞科283屬，約佔陸地生物量的五分之一。主要種類可分為小黃家蟻、大頭蟻、臭蟻、切葉蟻、紅火蟻、子彈蟻、行軍蟻、猛蟻等。並且它們的食性不一，大致可分為肉食、雜食偏肉食、雜食偏素食、素食。

螞蟻的大家族（圖片改自網絡圖片）

你以為它們僅僅是家族龐大這麼簡單嗎？不不不，它的魅力展示才剛剛開始。螞蟻的巢穴的地上部分千姿百態的。例如中國大興安嶺、三江平原、長白山等地的螞蟻巢穴結構就不盡相同。螞蟻的巢穴的地下部分是縱橫交織的淺壑，溝壑之間四通八達，它們連着不同的功能室。蟻巢的這種多孔結構使得土壤具有更高的通透性，“呼吸”增強。蟻巢的建立有時也會損傷植物的根系，改變土壤中碳的來源以及植物的生存環境。

中國大興安嶺、三江平原、長白山濕地等生態系統中的蟻穴（張仲勝、管強、張雪慧等攝）

蟻巢內部結構（圖片來自網絡）

螞蟻窩中的通道與腔室（圖片來自網絡）

螞蟻：“生態系統工程師”

螞蟻作為一類既有益又有害的昆蟲，它們在築巢羣居過程中，有些種類的螞蟻會溜到室內偷吃人類的食物，有些螞蟻還會危害農作物。產生的危害包括：咬擾人體、傳播病菌、污染環境、損壞建築等。當然螞蟻作為生物鏈中較重要的一環，其在土壤形成發育、土壤碳循環過程中也發揮着不可忽視的積極作用。下面這幅圖形中不同的顏色代表螞蟻丘與周圍土壤有機碳的含量高低差異。一般來説，螞蟻丘表層土壤中有機碳含量會高於周圍土壤。螞蟻主要通過影響土壤中的植物、微生物、理化性質等對土壤有機碳的循環過程產生影響。因此也被譽為“生態系統工程師”。

螞蟻丘土壤有機碳含量空間分佈圖

螞蟻對植物的影響

螞蟻採集並將動植物材料（種子、獵物等）作為食物帶入巢穴，增加了巢穴周圍表層土壤的有機碳含量，同時使螞蟻巢穴中土壤中種子庫密度和種子多樣性增加，改變了地表植被格局，最終影響到大尺度上土壤碳循環過程。 

螞蟻和其他生物之間的相互作用很複雜。作為消費者，螞蟻直接或間接地影響生態系統中其他節肢動物的數量、多樣性和行為。螞蟻可以通過捕食或競爭直接減少其他生物（食草動物、捕食者等）的數量。與其他節肢動物的相互作用（積極或消極/直接或間接）的性質通常取決於對植物碳水化合物資源的獲取。如果產蜜露的昆蟲以及食草動物和食肉動物都存在，螞蟻會對食肉動物和食草動物的種羣數量產生負面影響，從而保護蜜露資源。儘管減少了其他捕食者，對食草動物的捕食和數量產生了負面影響，但螞蟻對植物的整體間接影響是積極的。

螞蟻對植物的直接（實線）和間接（虛線）影響（右圖改自Wills et al.,2017）

螞蟻對微生物的影響

蟻巢內較高的温度、適宜的濕度和充足的營養元素供應，使螞蟻巢穴中微生物數量比周圍土壤高得多。螞蟻通過覓食在巢穴中累積植/動物材料，分泌/排泄產生大量的有機廢物，為微生物提供了豐富的碳源和適宜的小氣候條件。土壤穩定性有機碳及具有化學抗性的組分很大一部分來源於土壤微生物，當蟻穴內温度和水分恆定時，土壤有機碳的穩定性取決於土壤微生物活動的高低。

切葉蟻蟻巢中細菌固定氮素（Pinto-Tomas et al.,2009），右圖改自網絡

螞蟻對温室氣體排放的影響

螞蟻築巢定居活動能夠直接或者間接影響螞蟻巢穴中的土壤温度、水分及養分，提高微生物的活性，增加土壤中CO2的釋放。螞蟻巢穴排放的CO2具有很強的季節性，在温暖的夏季月份會更高，其季節性變化與螞蟻的生物活性有關。例如紅褐林蟻呼吸作用排出的CO2量在螞蟻活躍的5-9月顯著高於活動減少的10-4月。季節性變動主要與螞蟻活動及温度變化有關。一天中螞蟻巢穴中CO2排放在夜間最高，白天最低，這可能是由於夜間蟻羣活動增加或蟻丘數量增加所致。

螞蟻窩CO2排放強度顯著增加（引自Risch et al., 2005）

土壤有機碳庫穩定性的影響

土壤碳庫的儲存和穩定性受多種因素的影響，包括淨初級生產力、氣候因子、動物和微生物活動等。螞蟻干擾對土壤有機碳循環過程的直接影響主要包括土壤物理化學性質改變，螞蟻-地表植被過程，螞蟻改變微生物羣落結構、螞蟻呼吸、攝食、儲物、排泄等導致土壤有機碳來源，排放與結構組成變化4個方面；間接影響主要包括螞蟻通過影響土壤的物理性狀、營養鹽可利用性、土壤微氣候條件等，影響土壤有機碳的無機/有機礦化過程。

螞蟻改變土壤碳循環的機理（張雪慧等，2020）

關於小螞蟻與碳循環的秘密，目前我們破解的還非常少，還需要廣大的朋友們積極觀察喲！

參考文獻：

1. Pinto-Tomas AA, Anderson MA, Suen, G, et al. Symbiotic Nitrogen Fixation in the Fungus Gardens of Leaf-Cutter Ant.Science.2009,326(5956):1120-1123.

2. Wills BD, Landis DA. The role of ants in north temperate grasslands: a review. Oecologia, 2017, 186(2): 323-338.

3. Zhang XH, Xin Y, Zhang ZS, et al. Effects of ant colonies on molecular characteristics of dissolved organic matter in peatland soils, Northeast China. Applied Soil Ecology, 2022,171:104298.

4. 張雪慧,張仲勝,武海濤.螞蟻擾動對土壤有機碳循環過程的影響研究進展.應用生態學報,2020,31(12):4301-4311.

5. Risch AC, Jurgensen M, Schütz et al., The contribution of red wood ants to soil C and N pools and CO2 emissions in subalpine forests. Ecology, 2005, 86（2）：419-430.

作者：張雪慧、辛願、張仲勝

來源：中國科學院東北地理與農業生態研究所