春季计划火烧更能保护幼龄混交林表层土壤碳库：与秋季火烧的比较研究

《Forest Ecology and Management》：Fall prescribed burns deplete surface soil C pools more than spring burns in a young mixed-conifer forest

本文针对北美西部计划火烧多集中于秋季而难以满足燃料削减需求的问题，研究了春季与秋季火烧对幼龄混交林土壤碳库动态的影响。通过两年野外监测与室内分析，发现秋季火烧因燃烧强度更高，直接燃烧土壤颗粒有机碳（POC）并刺激微生物呼吸，导致土壤碳库持续亏损；而春季火烧未引起显著碳损失，反而通过抑制微生物活性使矿物结合有机碳（MAOC）和总碳在火后两年内显著积累。该研究为拓展火烧季节、协调生态服务与碳管理提供了关键科学依据。

　　

随着全球变化和长期防火政策的实施，野火发生的频率和强度持续增加，每年烧毁地球无冰陆地的约6%，严重消耗表层土壤碳库——这一碳储量甚至超过植被和大气碳库的总和。计划火烧（Prescribed burns）作为控制野火蔓延和强度的关键手段，在北美西部传统上集中于秋季进行，以契合历史火险季节的燃料干燥条件。然而，秋季短暂的燃烧窗口期严重限制了火烧规模，难以满足日益增长的燃料削减需求。将计划火烧拓展至春季，成为提升防火效能的重要途径。但火烧季节的改变是否会影响土壤碳固存这一关键生态系统服务，仍缺乏科学认知。尤其是在幼龄混交林中，土壤碳库对火烧季节的响应机制尚不明确，这直接关系到管理者在推行多季节火烧时的生态风险权衡。

为解决这一科学问题，研究人员在美国加利福尼亚州布洛杰特森林研究站的幼龄混交林中进行了一项创新性的野外控制实验。该研究选取8个林分，分别于2019年秋季和2020年春季实施计划火烧，并设置未火烧对照区。研究团队在火烧前及火烧后多个时间点（最长至火后两年）系统采集表层土壤样品，通过测定灰烬深度（作为土壤燃烧强度的指标），结合室内培养与化学分析，全面评估了火烧季节对土壤碳组分动态和微生物活性的影响。

在方法学上，研究团队采用密度分组法分离并量化了颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC），通过化学消化法测定了热解碳（PyOM-C）含量。微生物响应方面，通过96小时室内培养监测土壤微生物呼吸速率，并利用荧光底物法测定了包括α-葡萄糖苷酶（AG）、β-葡萄糖苷酶（BG）、过氧化物酶（Perox）在内的多种水解酶和氧化酶的潜在活性。所有数据采用线性混合效应模型进行统计分析，以火烧时间和季节为固定效应，林分和采样点为随机效应，确保统计推断的稳健性。

土壤碳库：MAOC、POC和总土壤碳

研究结果显示，秋季火烧后三天，土壤POC即从火烧前的37±14 g C kg^?1急剧下降至14±8.3 g C kg^?1，表明高温直接燃烧了这部分不稳定的碳组分。尽管总碳在火后两年有所恢复，但去除异常值后分析显示仍显著低于火烧前水平。与之形成鲜明对比的是，春季火烧未引起POC的立即损失，反而在火后两年使总碳含量显著增加64%，MAOC也增加了36%。这表明春季火烧在保留原有碳库的基础上，还可能促进了持久性碳组分的积累。矿物结合有机碳（MAOC）在两种季节的火烧中均表现出较强的稳定性，验证了其抗燃烧和抗分解的特性。然而，热解碳（PyOM-C）在火烧后均未发生显著变化，推测与幼龄林地表燃料负荷较低、不足以形成大量热解碳有关。

微生物呼吸

微生物呼吸的动态揭示了火烧后碳循环的关键过程。秋季火烧后24天，微生物呼吸速率显著增加，表明火烧产生的可溶性碳或微生物残体为微生物提供了充足底物，促进了碳的矿化流失。相反，春季火烧后微生物呼吸被持续抑制长达1.5年，这种“代谢休眠”状态减少了碳的分解输出，为观察到的土壤碳积累提供了机制解释。

潜在胞外酶活性

酶活性分析进一步支持了上述结论。秋季火烧后，淀粉酶（AG）和β-葡萄糖苷酶（BG）等碳获取水解酶活性显著降低，反映出可利用碳源充足，微生物无需投资合成降解酶；而过氧化物酶（Perox）活性升高，暗示微生物可能转向攻击更复杂的顽固性碳库。春季火烧则短暂提升了AG和纤维二糖水解酶（CBH）的活性，但未引发持续的分解代谢增强，与呼吸受抑的现象一致。

灰烬深度

作为火烧强度的地表指标，秋季火烧区的平均灰烬深度（1.95±0.40 cm）显著高于春季（0.83±0.14 cm），且变异更大，说明秋季火烧产生了局部高温点，导致更强烈的碳燃烧。这直接解释了为何POC在秋季火烧中损失更为严重。

综合讨论与结论表明，火烧季节通过调节土壤湿度和燃烧强度，深刻影响土壤碳库的命运。秋季干旱条件助长了更剧烈的燃烧，直接消耗POC，并通过激发效应促进微生物矿化，阻碍碳库恢复。春季火烧则因土壤湿润而强度受限，不仅避免了立即的碳燃烧，还因抑制微生物活性而意外促进了碳的积累，尤其是持久性MAOC组分的增加。这一发现对森林管理实践具有重要启示：在幼龄混交林中推行春季计划火烧，既能有效减少燃料负荷，又能保护甚至增强土壤碳固存功能，实现防火与碳管理的双赢。该研究结果强调，在制定火烧计划时，应充分考虑季节特异性对土壤碳循环的长期影响，为拓展火烧窗口、优化管理策略提供了关键科学证据。论文发表于《Forest Ecology and Management》，为全球变化背景下森林生态系统的适应性管理贡献了重要见解。