原位野火烟雾沉积对Cunninghamia lanceolata森林土壤碳化学计量比、酶活性及细菌群落结构的影响

《Applied Soil Ecology》：Impacts of in-situ wildfire smoke deposition on soil carbon stoichiometry, enzymatic activities and bacterial community structure in Cunninghamia lanceolata forests

本研究通过模拟实验探讨烟雾沉积对亚热带松林土壤碳动态及微生物群落的影响，发现烟雾显著改变土壤酶活性及微生物多样性，但对碳含量影响较小。烟雾沉积使0-10cm和10-20cm土层pH分别提升12.73%和16.78%，且抑制了高浓度烟雾下森林凋落物及土壤中过氧化氢酶、多酚氧化酶等活性，并导致短期的微生物群落结构变化。研究强调需将烟雾因子纳入森林土壤管理模型，优先评估高强度火灾烟雾对土壤碳平衡及生物活性的长期影响。

　　

作者：袁帆（Yuanfan Ma）、穆卢阿拉姆·蒂加布（Mulualem Tigabu）、陈家宇（Jiayu Chen）、李哲翰（Zhehan Li）、赵平新（Pingxin Zhao）、马克·巴约·图拉伊（Mark Bayo Turay）、王光宇（Guangyu Wang）、郭富涛（Futao Guo）

福建农林大学林业学院，中国福州，350002

摘要

随着野火频发，燃烧产生的烟雾向大气中释放了大量碳质物质，这些物质随后通过迁移和沉积重新回到森林生态系统中。了解野火烟雾沉积对森林土壤碳的影响具有重要的生态意义。然而，关于森林火灾产生的烟雾及其作为“碳源”在森林生态系统中的沉积作用，目前研究较少。本研究通过模拟实验，在不同浓度的烟雾溶液下对Cunninghamia lanceolata人工林的林层和土壤层进行了为期一年的沉积实验，考察了总碳含量和化学计量比、酶活性以及细菌群落组成的变化，同时研究了土壤的物理化学性质及其相互关系。与对照组相比，低浓度和高浓度烟雾沉积后，0–10厘米和10–20厘米土层的pH值分别增加了12.73%、11.60%和16.78%、21.24%。烟雾沉积并未显著改变土壤的电导率、总碳含量或土壤中元素碳和有机碳的比例。然而，野火烟雾沉积显著影响了森林林层和土壤层中过氧化氢酶、多酚氧化酶、过氧化物酶和纤维素酶的活性，高浓度烟雾具有抑制作用。变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）和疣微菌门（Verrucomicrobia）是主要的细菌类群，其相对丰度和多样性在烟雾沉积后短期内有所下降。林层和土壤中的微生物-酶相互作用对土壤碳的固存和循环至关重要。这些发现强调了在土壤管理模型中考虑烟雾因素的必要性，以减轻火灾对生态系统的破坏。我们建议在野火管理策略中优先评估高强度火灾产生的烟雾对森林土壤碳平衡和生物活动的影响，并采取缓解措施。

引言

在全球气候变化加速的背景下，野火已成为各大洲普遍存在的生态扰动现象，其发生频率和强度在从北美北方森林到地中海林地以及东南亚亚热带森林的各个生物群落中都有显著增加（Fang等人，2021年）。在野火的连锁生态效应中，烟雾沉积是一个关键但全球研究不足的间接驱动因素，因为它超越了火场边界，对全球陆地生态系统产生长期影响。野火烟雾是一种复杂的混合物，主要由二氧化碳（CO?，75%–85%）、一氧化碳（CO，10%–15%）、挥发性有机化合物和颗粒物（PM）组成，这些成分占总火灾排放量的95%以上（Guo等人，2018年；Yang等人，2019年；Guo等人，2020年；Ma等人，2021年；Ma等人，2022年）。野火烟雾的一个关键生态特征是它作为移动养分载体的作用：通过大气循环输送大量碳（C）、氮（N）、磷（P）和微量元素，随后通过湿沉降或干沉降重新沉积到森林生态系统中（Koplitz等人，2021年）。这种机制促进了大规模的生物地球化学养分再分配，可能重塑远离火源地区的生态系统功能（Bauters等人，2018年）。

准确评估烟雾沉积对森林碳化学计量比的影响不仅对于完善全球碳预算（气候变化研究的核心问题）至关重要，也有助于理解不同生物群落对野火干扰的恢复能力差异。然而，现有文献的全球综述显示了明显的研究偏见：大多数研究集中在野火的直接影响上，如燃料消耗和土壤的即时物理损伤，而烟雾沉积的间接、长期影响仍需进一步研究（Zhou等人，2018年；Zhan等人，2025a）。例如，高强度野火直接导致土壤有机质的损失、土壤团聚体的破坏以及火灾影响区域中碳（C）、氮（N）和磷（P）的挥发（Jansson和Hofmockel，2020年；Mataix-Solera等人，2011年；Johnson等人，2007年）。相比之下，烟雾沉积将碱性化合物和外来碳引入未受火灾影响或火灾后恢复的生态系统，通过与直接燃烧完全不同的途径微妙地改变土壤的物理化学性质和养分动态（Zhan等人，2025a；Huang等人，2025年）。

土壤微生物和胞外酶是烟雾沉积后碳循环过程的核心调节者，它们的响应已成为微生物生态学研究的重点（Sokol等人，2022年；Naylor等人，2020年）。火灾后的微生物群落通常表现出多样性降低，嗜热菌类（如放线菌门、芽孢杆菌门）在早期恢复阶段占主导地位（Nelson等人，2022年；Whitman等人，2019年）。这些微生物通过分泌氧化酶和还原酶来调节养分循环和有机物分解，这些酶是碳循环动态的关键指标（Rahul，2024年；Rahul等人，2017年）。最新研究证据表明，烟雾衍生物可以调节微生物活性和酶表达，尤其是在林层中（Li等人，2022年；Bi等人，2021年）。

尽管有关野火烟雾对土壤养分分布和循环影响的证据日益增多，但仍存在一些关键的全球研究空白：首先，大多数关于烟雾沉积的研究集中在温带和北方森林上，而作为全球森林碳汇的重要组成部分的亚热带针叶林却几乎被忽视。其次，关于湿润亚热带地区外源碳输入的主要途径——湿烟雾沉积的研究很少，尤其是其对土壤细菌增殖和酶活性的长期影响。第三，Cunninghamia lanceolata森林在中国亚热带地区是主要的针叶林生态系统，在区域碳固存中起着重要作用，但由于火灾频繁发生，这类研究尚未受到足够重视，从而影响了我们对全球不同森林生物群落中烟雾沉积效应的理解（Zhan等人，2025b）。

在此背景下，本研究考察了野火烟雾沉积对Cunninghamia lanceolata林中土壤碳化学计量比、酶活性和细菌群落的影响，研究时间为12个月。本研究旨在为野火后的森林生态系统管理和恢复提供理论见解和数据支持，探讨以下科学问题：（1）烟雾沉积如何影响林层和土壤层的总碳含量和碳化学计量比？（2）野火烟雾沉积在多大程度上影响土壤的物理化学性质以及土壤和林层中的酶活性和微生物群落？（3）烟雾沉积后森林土壤中碳循环的驱动力是什么？（4）微生物与酶活性之间的相互作用如何驱动林层和土壤中的碳变化？为了解决这些问题，我们提出以下假设：（1）湿烟雾沉积显著改变亚热带针叶林中的土壤碳含量和化学计量比；（2）烟雾沉积改变土壤的物理化学性质，其影响与温带森林系统的不同；（3）烟雾沉积对胞外酶活性的刺激作用取决于浓度；（4）作为外源碳源，烟雾沉积改变了土壤细菌群落的组成和多样性；（5）微生物-酶相互作用在林层中的碳循环中起到的调节作用比在土壤层中更强。

实验设置和烟雾沉积模拟实验

本研究通过在中国福建省尤溪县国有林场（位于北纬26°11′23″，东经118°16′51″）近乎成熟的C. lanceolata人工林中进行了一年的野外实验，探讨了湿野火烟雾沉积对林层和土壤层的物理化学性质、碳动态和生物特性的影响。该地区属于亚热带季风气候，温度范围为10°C至29°C，降水量范围为46.6毫米至195.5毫米。

森林火灾烟雾的碳排放、迁移和沉积

对森林燃料燃烧过程中烟气排放的估计显示，主要排放物为二氧化碳（67.33%）、一氧化碳（21.27%）、颗粒物（7.13%）和少量灰分（3.11%）。通过干沉降和湿沉降沉积的颗粒物分别占林层固存碳的1.87%、0–10厘米土层固存碳的3.77%和10–20厘米土层固存碳的1.07%（图2）。

讨论

野火显著改变了土壤的性质，包括质地和结构稳定性，进而影响水分渗透性、通气性和气体交换（Hinojosa等人，2020年）。此外，烟雾中的酸性化合物（如一氧化碳和硫化物）会降低土壤pH值，导致酸化并改变养分的生物可利用性（Lequy等人，2014年；Zhang等人，2020年）。在本研究中，我们评估了野火烟雾沉积对土壤pH值和电导率的影响。

结论

研究探讨了湿烟雾沉积对土壤碳含量、土壤物理化学性质、林层和土壤层中酶活性以及细菌群落的影响。根据研究结果，可以得出以下结论：

• (1)
  烟雾中的碳质成分在林层和土壤层的沉积对土壤碳含量和碳化学计量比影响不大。因此，我们否定了湿烟雾沉积显著改变土壤的假设

作者贡献声明

袁帆（Yuanfan Ma）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿、数据可视化、验证、软件使用、方法论设计、实验设计、数据分析、概念化。 穆卢阿拉姆·蒂加布（Mulualem Tigabu）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、软件使用、数据分析、方法论设计、概念化。 陈家宇（Jiayu Chen）：方法论设计、实验设计、数据管理。 李哲翰（Zhehan Li）：方法论设计、实验设计、数据管理。 马克·巴约·图拉伊（Mark Bayo Turay）：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32171807）的资助。