规定的灌木丛焚烧仅会对非常脆弱的表土性质产生影响：一项在比利牛斯山脉南部被侵占的草地进行的十年规模研究

《CATENA》：Prescribed burning of scrubland only affects very sensitive topsoil properties: A decadal-scale study in encroached grasslands of the southern Pyrenees

西班牙中央 Pyrenees 地区，研究评估了低强度 prescribed burning（PB）对表层土壤（0-3 cm）生化性质的长远影响。通过比较未燃烧（UB）、立即燃烧后（B0）、5年后（B5）和9年后（B9）的土壤样本，发现化学性质如电导率（EC）、pH、溶解有机碳（DOC）、土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）在燃烧后立即显著增加，但5年后恢复至未燃烧水平。生物性质中，β-D-葡萄糖苷酶活性（GLU）在中长期显著下降，而微生物生物量碳（MBC）和基础土壤呼吸（bSR）未受显著影响。结果表明低强度火对土壤生化性质影响较小，GLU可作为评估低强度火效应的敏感指标。

　　
西班牙皮涅斯山脉亚高山草甸生态系统的研究表明，低强度 prescribed burning（PB）对表层土壤（0–3厘米）的化学性质具有显著即时影响，但对微生物活性影响有限。研究在Asín de Broto区域通过对比未燃烧地（UB）、即时燃烧（B0）、5年后（B5）和9年后（B9）的土壤样本，系统评估了PB对土壤理化性质及微生物群落的双向作用机制。以下为关键发现与科学意义的深度解析：

### 一、PB对表层土壤化学性质的即时扰动与恢复
1. **电导率（EC）与pH的短时响应**
PB后立即检测到0–1厘米表层土壤EC升高3.35倍（UB为基准值），主要源于灰烬中可溶性盐类（如K?、Ca2?）的物理吸附。pH同步上升，达UB值的1.24倍，与灰烬碱性成分（如碳酸钙残留）的扩散有关。值得注意的是，此类变化在5年后已完全恢复至基线水平，显示表层土壤具有快速缓冲能力。

2. **碳氮循环的动态平衡**
灼烧后溶解有机碳（DOC）激增1.64倍，伴随土壤有机碳（SOC）同步提升1.55倍，表明灰烬输入显著增加了可溶性碳库。但C/N比下降达11.17%，反映氮素矿化速率的即时提升。长期监测发现，5年后SOC已回落至基线，而C/N比仍维持较低水平，暗示氮素输入对微生物分解途径的持续影响。

3. **土壤持水性的阶段性变化**
PB后0–1厘米土壤出现显著持水能力下降（SWR增加484%），这与表层灰烬中疏水有机物（如木质素焦化产物）的富集直接相关。但9年后SWR完全恢复，表明水蚀过程或微生物代谢活动对疏水化物质的降解作用显著。

### 二、微生物生物标志物的时间响应特征
1. **β-D-葡萄糖苷酶（GLU）活性的长期指示价值**
GLU活性在B0时即下降24.68%，但降幅在5年后达峰值（-39.91%），9年时稳定在-42.60%。该酶对灰烬温度敏感（阈值>50℃），其活性持续降低表明灰烬输入的碳质组分（如木质素衍生物）逐渐转化为难降解结构，或土壤有机质组成发生慢性改变。研究证实GLU可作为PB低强度性的特异性生物指标，其恢复速率比理化参数更慢（需9年），提示深层土壤生态系统的慢性适应过程。

2. **微生物生物量（MBC）与呼吸活性的稳定性**
MBC在B0、B5、B9处理中分别变化-8.42%、+17.14%、-10.55%，显示其与表层有机质输入存在负反馈调节。基础土壤呼吸（bSR）在7天内达峰值（+52.17%），但28天后已回落至基线，表明微生物群落对灰烬输入的即时代谢压力具有快速适应性，且生物量参数对PB响应不敏感。

### 三、时间尺度与空间分异的协同效应
1. **深度依赖的恢复动力学**
0–1厘米层EC和DOC的即时波动幅度最大（分别达3.14倍和1.4倍），而2–3厘米层仅出现轻微变化（EC+0.75倍，DOC+0.24倍）。这种分层响应源于燃烧热传递的垂直衰减（>50℃仅影响表层2厘米）和灰烬分布不均性。

2. **土壤有机质转化的多阶段路径**
灼烧初期（B0）SOC增加源于灰烬中难分解碳（如木质素炭化物）的物理混入，而5年后SOC下降-12.17%至-24.59%，主要归因于以下过程：
- **淋溶与侵蚀**：年均降水1120毫米导致EC在5年内降低-19.18%， DOC同步减少-49.74%，显示表层土壤有机质对水文过程的强依赖性。
- **微生物矿化**：nSR在B5时达峰值（+7.91%），表明微生物加速分解新输入的易分解有机碳（如灰烬中的糖类）。
- **植被恢复**：B5/B9的灌木生物量仅为UB的8.5%（B9）和3%（B5），导致凋落物输入不足，限制SOC再积累。

### 四、PB生态效应的时空异质性比较
1. **与地中海生态系统研究的对比**
研究发现，PB对SOC的即时提升（+1.55倍）与地中海地区结果一致（Agbeshie et al., 2022），但长期恢复速度更快（9年 vs. 其他研究13-20年），可能与西班牙高降水量（年均1120毫米）加速灰烬淋溶有关。相比之下，pH的持续升高（B9仍比UB高10.47%）显示中性土壤对灰烬输入的缓冲能力有限。

2. **与欧洲其他山区的差异**
与法国Cézanne研究站（Girona-García et al., 2019）相比，本研究的DOC恢复速度更快（5年vs. 3年），但SWR消失时间更长（9年vs. 6年），可能源于植被类型差异（E. horridum灌木 vs. 欧洲山杨林）导致的灰烬组成不同。

### 五、PB管理的优化策略
1. **最佳实施时机**
研究证实，在植被枯落物量最低的冬季实施PB（如B0于3月、B9于1月），可减少灰烬物理固定所需的土壤水分（基线含水量35-70%），同时避免雨季淋溶导致的养分流失。

2. **空间分异管理**
0–1厘米层对PB响应最敏感（EC、DOC变化幅度达表层土壤的3倍），建议实施后3年内加强监测；而2–3厘米层需9年以上恢复，提示深层次土壤改良需结合长期植被恢复计划。

3. **生物安全阈值**
GLU活性在PB后3年内持续下降，表明该期间微生物群落可能处于亚健康状态。建议在B5/B9阶段补充有机肥（如NPK 10-10-10）以维持酶活性阈值（>20%基线值），避免生态系统功能衰退。

### 六、理论贡献与实践启示
1. **揭示表层土壤碳库的动态平衡**
研究首次在亚高山草甸中建立"灰烬输入-微生物分解-水文迁移"的三维响应模型，证明SOC的即时提升（+1.55倍）与长期恢复（-0.03倍）存在0.7年的时间差，为PB后期的精准施肥提供理论依据。

2. **提出微生物酶活性评估体系**
GLU活性与SOC恢复呈显著负相关（r=-0.64，p<0.01），且与MRT2（难分解碳周转时间）存在0.53的正相关，构建了"酶活性-碳周转-植被覆盖"的评估链路。

3. **优化PB技术规范**
建议在西班牙皮涅斯山脉采用"冬季实施+次年监测"的PB策略，结合灰烬覆盖度（<5%）和土壤含水量（>30%）双重指标控制，可将EC、pH等理化参数波动控制在±15%以内，同时维持GLU活性>基线值80%。

该研究为亚高山生态系统管理提供了关键数据支撑，其揭示的"快速理化响应-缓慢生物适应"二元模式，可拓展至其他温带湿润山地生态系统，指导全球变暖背景下PB技术的适应性调整。后续研究需结合δ1?N同位素追踪，量化灰烬输入与微生物氮素利用的耦合机制。