长期火烧与松针耙除对长叶松林土壤碳动态的影响：两种管理策略下的热解碳迁移与稳定机制

《CATENA》：Prescribed fire and pine straw: Soil carbon dynamics in longleaf pine ( Pinus palustris) under two common management strategies

本文推荐研究针对森林管理中火烧与松针耙除对土壤碳循环的影响机制不明问题，通过野外原位观测与实验室分析相结合的方法，揭示了长叶松林不同管理模式下热解碳（PyC）在土壤中的迁移转化规律。研究发现定期火烧促进新鲜有机质输入，而松针耙除导致土壤碳库老化，为森林碳汇管理提供了重要科学依据。

　　

在全球气候变化背景下，森林生态系统的碳汇功能日益受到重视。作为美国东南部典型的火适应生态系统，长叶松（Pinus palustris）林的管理方式深刻影响着土壤碳库的稳定性。然而，关于定期计划火烧（Rx fire）与松针耙除（pine straw raking）这两种常见管理策略如何影响土壤碳动态，特别是热解碳（pyrogenic carbon, PyC）的迁移转化机制，科学界仍缺乏系统认知。

传统观点认为PyC是高度稳定的碳库，但最新研究表明其周转时间可能短至数十年。为厘清这一科学问题，佐治亚大学的研究团队在《CATENA》发表了创新性研究，通过综合运用同位素示踪、光谱分析和原位监测等技术，揭示了不同管理模式下土壤碳库的响应机制。

研究人员在佐治亚州蒂夫特县建立了对比试验样地，包括定期火烧样地（Burned Stand）和松针耙除样地（Raked Stand）。通过采集土壤剖面样品（0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm）和安装张力式渗漏计（lysimeter），系统监测了火烧前后土壤碳库的动态变化。关键技术方法包括：利用稳定同位素比率质谱（IRMS）分析δ¹³C和δ¹⁵N；通过加速器质谱（AMS）测定Δ¹⁴C计算碳周转时间；采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振（¹H NMR）表征有机质化学组成；基于粒径分级分离矿物结合有机质（mineral-associated organic matter, MAOM）和颗粒有机质（particulate organic matter, POM）组分。

3.1. 土壤基本性质分析

研究发现火烧样地表层土壤容重比耙除样地低0.28 g/cm³，土壤呈酸性（pH 4.05-5.19）。耙除样地因农业历史遗留的石灰施用，深层土壤pH呈现反常的随深度增加而升高现象。土壤质地分析显示火烧样地深层为砂质粘壤土，而耙除样地全剖面均为砂质壤土。

3.2. 土壤有机质特征

火烧样地土壤碳含量（0.4-1.5%）显著高于耙除样地，且表层碳含量在监测期内增加7%。同位素分析表明火烧样地δ¹³C值更偏正，反映C₄植物（如线草Aristida stricta）的贡献。傅里叶变换红外光谱显示火烧样地富含脂肪族碳氢化合物（2931和2854 cm^-1）和多糖特征峰（1190-1000 cm^-1），而耙除样地则显示更多微生物代谢相关的羰基和碳氧键特征峰。

3.3. 土壤组分分离

粒径分级揭示MAOM的碳氮比（14-15）显著低于POM（29-38），且MAOM占比随深度增加而升高。放射性碳测年显示POM库中存在千年尺度的古老碳，而MAOM主要由现代碳组成。火烧样地POM的Δ¹⁴C值（16.4‰）显著高于耙除样地（-45.7‰），表明定期火烧促进了新鲜碳输入。

3.4. 溶解有机质特征

核磁共振分析发现淋溶态DOM（leachate DOM）以脂肪族结构（62-83%）为主，而提取态DOM（extract DOM）以含氧官能团（46-66%）为主。火烧八个月后，淋溶态DOM中芳香族比例显著升高，表明PyC需经风化过程才能进入土壤溶液。特别值得注意的是，提取态DOM与淋溶态DOM的组成存在显著差异，提示实验室提取方法可能无法完全模拟原位淋溶过程。

4.1 管理策略的长期影响

研究表明定期火烧通过促进新鲜有机质输入和根系分泌物，形成了更年轻的土壤碳库。而松针耙除由于持续移除凋落物，导致碳库老化，这并非碳稳定性增强的表现，而是碳输入减少的警示信号。

4.2 碳组分周转机制

与传统认知相反，MAOM库显示了更快的周转速率，其主要由微生物代谢产物和植物根系分泌物组成。而POM库中的古老碳可能包含抗分解的PyC组分，其在砂质土壤中的稳定性可能被高估。

4.3 热解碳的迁移转化

PyC并非立即溶解，而是需要经过8个月左右的化学/生物风化过程才能进入土壤溶液。这一发现对准确评估森林火灾后碳流失通量具有重要启示。

该研究创新性地揭示了火适应生态系统中碳循环的复杂机制，为优化森林管理策略提供了科学依据。研究表明，将松针耙除等商业采收活动与生态系统碳管理目标相结合时，需要谨慎评估其长期碳汇效应。这些发现对完善全球碳循环模型和制定基于自然的气候变化解决方案具有重要意义。