控制火烧对混草草原土壤微生物群落与生物地球化学指标的短期影响研究

《Canadian Journal of Soil Science》：Effect of prescribed fire on microbial indicators of soil biogeochemistry in a mixed-grass prairie

本研究针对混草草原生态恢复中控制火烧对土壤生态的影响问题，通过对比驯化与原生草场火烧区与未火烧区的土壤微生物群落结构（PLFA分析）和理化性质，发现低强度控制火烧仅引起短期微生物指标波动（如真菌丰度暂时升高、GN:GP比率持续增加），且原生草场稳定性更强。结果表明火烧可作为对土壤生物功能干扰较小的有效管理工具，相关成果发表于《Canadian Journal of Soil Science》。

　　

在广袤的北美混草草原生态系统中，火一直扮演着双重角色——既是自然扰动因子，也是重要的生态管理工具。随着生态恢复理念的深入，控制火烧（Prescribed fire）被广泛应用于草原管理，旨在促进植被更新、控制外来物种和维持生物多样性。然而，这把"双刃剑"对地下生态系统的影响仍不明确，特别是对驱动养分循环的关键引擎——土壤微生物群落的影响机制尚不清晰。在火烧过程中，土壤温度骤升可能导致微生物细胞死亡、有机质矿化加速，进而改变土壤肥力与生态系统功能。这种变化在引入的驯化草场（tame pasture）与自然演替的原生草场（native pasture）中可能呈现差异化响应，但相关实证研究在北方混草草原区域尤为缺乏。

为厘清上述问题，加拿大萨斯喀彻温大学土壤科学系的Jacquelyn Kroeger、Hamzat O. Fajana、Melissa M. Arcand和Eric G. Lamb研究团队，在加拿大西南部混草草原的驯化与原生草场中设置了控制火烧实验，系统探究了火烧对土壤微生物群落结构及土壤理化性质的短期影响。研究成果发表于土壤科学领域权威期刊《Canadian Journal of Soil Science》，为草原可持续管理提供了科学依据。

本研究主要采用野外控制实验与室内分析相结合的技术路径。在火烧后第一生长季（2018年）和一年后（2019年），分别采集火烧区与相邻未火烧区0–10 cm深度的土壤样本。通过磷脂脂肪酸（Phospholipid Fatty Acid, PLFA）谱图技术分析微生物丰度与群落组成，并同步测定微生物生物量碳氮、总碳氮等土壤理化指标。

微生物群落对火烧的响应具有时空异质性

火烧后短期内，微生物群落变化幅度较小且响应模式因草场类型而异。在驯化草场中，火烧第一年真菌丰度显著上升，革兰氏阴性菌与革兰氏阳性菌比值（GN:GP）增大，同时微生物生物量碳、氮及总碳氮含量降低，表明有机质分解与养分挥发效应。至第二年，真菌丰度恢复至基线水平，但GN:GP比值仍持续偏高，暗示火烧后环境更利于快速生长的GN细菌（如假单胞菌属）而非形成孢子的GP细菌（如放线菌）的定殖。原生草场微生物参数在两年度间均保持相对稳定，凸显其更强的生态系统韧性。

土壤养分动态受年度气候波动主导

尽管火烧引起驯化草场碳氮库的短期下降，但跨年度数据分析显示，季节与年际气候变异对土壤养分的影响强度远超火烧处理。这种结果强调在评估管理措施效应时，需充分考虑自然气候波动的背景干扰。

微生物群落构架与功能群关联紧密

PLFA数据进一步揭示，无论是驯化或原生草场，微生物群落结构的差异均与真菌、总细菌及革兰氏型细菌群的相对丰度显著相关。例如，GN:GP比值的升高与碳氮循环速率的改变直接关联，印证了特定功能微生物群对火烧扰动的指示作用。

本研究通过多维度实证分析表明，低强度控制火烧对混草草原土壤微生物群落的扰动有限且多为短期效应，原生草场展现出更优的生态稳定性。火烧后GN:GP比值的持续性调整提示微生物群落功能策略的转变，但未引发生态系统功能的退化。该成果从土壤微生物学视角证实，在科学管控下，控制火烧可作为混草草原生态管理的可行工具，其短期土壤生物功能干扰处于生态系统自我修复阈值内。未来研究需关注火烧强度、频次与气候因子的交互效应，以完善草原火灾生态管理的理论框架。