植物竟然竞争地下房地产？并影响气候变化和粮食生产！

导  读

植物根系如何储存碳？ 研究人员发现，植物用于根部的能量取决于与其他植物的接近程度：当彼此靠近时，植物会大量投资其根系以竞争有限的地下资源；如果相距遥远，他们的投资就会减少。 由于约三分之一的世界植被生物量（和碳）在地下，因此该模型为预测全球地球系统模型中的根系增殖提供了有价值的工具。

日期： 2020年12月3日

资源：普林斯顿大学

陈能场（中国土壤学会土壤科普工作委员会主任，广东省科学院生态环境与土壤研究所研究员）

原文：Ciro Cabal, Ricardo Martínez-García, Aurora de Castro Aguilar, Fernando Valladares, Stephen W. Pacala. The exploitative segregation of plant roots. Science, 2020; 370 (6521): 1197 DOI: 10.1126/science.aba9877

（译者制作，图片取自于网络）

您可能已经观察到植物在争夺阳光-它们向上和向外伸展以阻止彼此进入太阳光线-但在您的视线之外，另一种竞争正在地下发生。当您的同事在场时，您可能会改变在休闲室觅食免费零食的方式，当其他植物长在它身边时，它们会改变对地下资源的利用，争夺地下“房地产”呢。

在今天发表在《科学》杂志上的一篇论文中，由普林斯顿大学研究生Ciro Cabal领导的一个国际研究人员小组阐明了植物的地下生活。他们的研究结合了建模和温室试验，以发现植物单独种植和与邻居植物一起生长时在根系结构上的投资是否有所不同。

“这项研究很有趣，因为它结合了几种不同的思维方式来调和文献中看似矛盾的结果：一个聪明的实验，一种在完整土壤中观察根系的新方法以及简单的数学理论，”弗雷德里克·D·皮特里（Frederick D. Petrie）生态与进化生物学教授（EEB）、该论文的资深作者Stephen Pacala说。

“虽然对植物的地上部分进行了广泛的研究，包括它们可以存储多少碳，但我们对地下部分（即根）如何存储碳的了解却少得多，”帕卡拉实验室的博士生Cabal说。。 “由于世界上大约三分之一的植被生物量（即碳）在地下，因此我们的模型为预测全球地球系统模型中的根系增殖提供了宝贵的工具。”

植物有两种不同类型的根：细根吸收土壤中的水分和养分，粗壮的运输根将这些物质运回植物中心。植物对根的“投资”既涉及根的总体积，也涉及这些根在土壤中的分布方式。一种植物可以将其所有的根直接集中在其芽的下面，或者可以将其根水平展开以在邻近的土壤中觅食-这有可能与邻近植物的根竞争。

该团队的模型预测了当植物发现自己独享土壤时，根系投资的两个潜在结果。在第一个结果中，邻近植物通过隔离其根系以减少重叠来“合作”，这导致整体上产生的根比单独种植时少。在第二个结果中，当植物感测到由于邻居的存在而一侧的资源减少时，植物会缩短其一侧的根系，但会在茎的正下方投资更多的根。

自然选择预测了第二种情况，因为每种植物都会采取行动来提高自身的适应性，而不管这些行动如何影响其他个体。如果植物彼此靠近，尽管根系分离，增加的根系投资可能会导致公地悲剧【见译注】，从而耗尽资源（在这种情况下，土壤水分和养分）。

为了检验模型的预测，研究人员将温室中的辣椒植物单独或成对种植。在实验结束时，他们用不同的颜色对植物的根进行了染色，以便他们可以轻松地看到哪些根属于哪一种植物。然后，他们计算了每种植物根系的总生物量以及根与芽的比率，以了解植物与邻居并肩种植时是否改变了沉积在地下和地上结构中的能量和碳，并计算了种子产生的数量。每种植物作为相对适应性的量度。

研究小组发现结果取决于一对植物之间的距离。如果种植得非常紧密，植物将更有可能在根系上投入大量资金，试图在有限的地下资源上相互竞争。如果将它们分开种植，他们在根系上的投资可能会比单株植物少。

具体来说，他们发现在附近种植辣椒植物后，辣椒植物会增加当地对根的投资，并减少其水平伸展根的距离，以减少与邻居的重叠。没有证据表明存在“公地悲剧”的情况，因为与单独种植的植物相比，与单独种植的地上结构（包括每株植物产生的种子数量）相比，总根生物量或根的相对投资没有差异。

植物从大气中去除二氧化碳并将其沉积在其结构中-三分之一的植物性碳储存在根中。 了解不同情况下的碳沉积变化如何可以帮助我们更准确地预测碳吸收，进而可以帮助设计缓解气候变化的策略。这项研究还可以帮助优化粮食生产，因为为了最大化农作物产量，了解如何最佳利用地下（和地上）资源是有帮助的。

【译注】公地悲剧又称哈定悲剧，最初由哈定提出。1968年，哈定（Garrett Hadin）在《科学》杂志上发表了一篇文章，题为The Tragedy of the Commons。the commons可译成“公共资源”，比较确切。哈定举了这样一个具体事例：一群牧民面对向他们开放的草地，每一个牧民都想多养一头牛，因为多养一头牛增加的收益大于其购养成本，是合算的，尽管因平均草量下降，可能使整个牧区的牛的单位收益下降。每个牧民都可能多增加一头牛，草地将可能被过度放牧，从而不能满足牛的食量，致使所有牧民的牛均饿死。这就是公共资源的悲剧。

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