火灾严重程度对土壤有机质的多同位素（C、N、H、O）响应：野火与实验火烧的对比研究

《CATENA》：Effects of fire severity on soil organic matter: a multi-isotope (C, N, H, O) comparison of wildfires and experimental burns

本研究针对准确评估火灾对土壤有机质（SOM）影响的挑战，通过多同位素（δ13C、δ15N、δ2H、δ18O）与元素分析技术，系统比较了不同土壤燃烧严重程度（SBS）下野火与实验火烧对SOM数量和质量的影响。结果表明，总有机碳（TOC）和总氮（TN）随火烧严重程度增加而显著降低，同位素分馏模式存在差异，证实了SBS指标在评估火灾后土壤有机质变化方面的有效性，为火灾后土壤管理和生态恢复提供了科学依据。

　　

野火，作为塑造森林生态系统动态的自然过程，近年来其频率和强度显著增加，对土壤结构和功能造成了深远影响。土壤有机质（SOM）是土壤健康的核心，储存着大量的陆地碳，其变化直接关系到养分循环、微生物活动和全球碳平衡。然而，火灾如何精确地改变SOM的组成和性质，尤其是在不同燃烧强度下，仍然是一个亟待厘清的科学问题。准确评估火灾对土壤的冲击，即土壤燃烧严重程度（SBS），是预测火灾后生态恢复和制定有效管理策略的关键，但现有的视觉SBS指标是否真实反映了土壤内在的化学和生物学变化，尚缺乏充分的验证。

为了回答这些问题，由Layla M. San-Emeterio、Nicasio T. Jiménez-Morillo、José A. Vega等人组成的研究团队在《CATENA》期刊上发表了一项研究，他们创新性地运用了碳（C）、氮（N）、氢（H）、氧（O）四种稳定同位素联合元素分析的方法，对比分析了西班牙加利西亚地区松林火灾后不同SBS等级下的土壤样本。这些样本来源独特，既包括2013年奥亚（Oia）野火自然燃烧后的土壤，也涵盖了在方特科巴（Fontecoba）通过土壤整段标本进行受控实验火烧的土壤，从而能够区分自然火灾与可控实验条件下的火烧效应。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，根据Vega等人建立的视觉指标，对野火和实验火烧后的土壤进行了五个等级（SBS-0到SBS-5）的土壤燃烧严重程度（SBS）分类。其次，采集0-2厘米深度的矿质土壤样品，通过元素分析/热导检测/同位素比值质谱（EA/TCD/IRMS）联用技术，同步测定了样品的总有机碳（TOC）、总氮（TN）、氧（O）、氢（H）的元素含量以及δ¹³C、δ¹⁵N、δ²H、δ¹⁸O的稳定同位素比值。最后，采用方差分析（ANOVA）、Tukey HSD事后检验以及Pearson相关性分析等统计方法，系统评估了SBS等级、火灾类型与各测量参数之间的显著性和相关性。

3.1. 碳、氮和氧元素组成

研究结果清晰地显示，无论是野火（NAT）还是实验火烧（EXP），总有机碳（TOC）含量均随着土壤燃烧严重程度（SBS）的增加而显著降低。在实验火烧中，SBS-5（最高严重程度）下的TOC损失高达90%。野火条件下的TOC损失相对缓和，但仍达到22%至81%。总氮（TN）的变化在实验火烧中与SBS呈显著负相关，但在野火中相关性不显著，表明自然条件下氮的动态更为复杂。氧（O）含量在两种火灾类型下均与SBS呈极强的负相关，表明随着火烧严重程度加剧，土壤有机质发生了剧烈的脱氧过程。

3.2. 同位素组成

稳定同位素分析揭示了火灾类型导致的显著差异。在碳同位素（δ¹³C）方面，野火土壤表现出轻微的δ¹³C贫化，暗示了木质素衍生化合物等¹³C相对富集组分的优先燃烧；而实验火烧土壤则显示出随SBS增加而δ¹³C富集的趋势，这归因于热不稳定有机组分的移除和难熔的富¹³C的含碳物质的相对富集。氮同位素（δ¹⁵N）在两种火灾类型下均随SBS增加而呈现富集趋势，特别是在高严重程度等级（SBS-4, SBS-5）下尤为明显，这可能与¹⁴N的优先挥发以及火烧后土壤微生物群落的改变有关。氢同位素（δ²H）在实验火烧中表现出明显的富集，反映了受控燃烧条件下更强烈的蒸发分馏；而野火条件下的δ²H变化则较为不规则，可能与土壤水分异质性和不完全燃烧有关。氧同位素（δ¹⁸O）的变化模式较为复杂，野火土壤在SBS-4出现极度贫化而后在SBS-5有所回升，可能涉及氧化作用和气相分馏等多种过程；实验火烧则表现出更一致的贫化趋势。

研究的结论部分强调，火灾严重程度是驱动土壤有机质（SOM）转化和同位素分馏的关键因素。多同位素联合分析能够有效区分不同火灾类型（野火与实验火烧）对SOM的影响，并验证了土壤燃烧严重程度（SBS）视觉分类指标在表征土壤有机质化学变化方面的可靠性。总有机碳（TOC）和总氮（TN）的显著损失，以及δ¹³C和δ¹⁵N的系统性变化，共同指向了火灾通过选择性燃烧和挥发导致SOM数量和质量的深刻改变。δ²H和δ¹⁸O的动态则进一步揭示了火烧后土壤水分蒸发和氧化环境的变化。

这项研究的重要意义在于，它将传统的野外视觉评估与先进的同位素地球化学技术相结合，为理解火灾对土壤有机质的复杂影响提供了新的、更深入的视角。研究结果证实，基于视觉指标的SBS分类能够有效地反映火灾后土壤有机质的根本性变化，这为森林管理者利用简便的野外评估工具来快速判断火灾对土壤的损害程度、并据此制定针对性的灾后稳定和恢复措施（如是否需要施加有机改良剂或进行植被恢复）提供了强有力的科学支持。此外，该研究也凸显了实验火烧在可控条件下揭示机制的优势及其在模拟自然火灾复杂性方面的局限性，强调了未来研究需要结合野外长期监测，以更全面地评估火灾的生态后果。