基于自然的水资源管理解决方案：多学科领域的最新研究进展与研究需求

《Ecological Engineering》：Nature-based solutions for water management: Pluridisciplinary state-of-the-art and research needs

森林火后引入固氮黑杨与白桦混交种植可显著提升土壤有机碳（SOC）和氮含量，较纯白桦林分别提高34.23%和40.35%，并促进白桦树高增长（13.0m vs 10.2m）。表明混交种植可有效加速森林生态系统恢复，建议推广该策略。

　　

Bart?omiej Wo? | Marek Paj?k | Agnieszka Józefowska | Marcin Pietrzykowski

克拉科夫农业大学林业学院生态工程与森林水文学系，Mickiewicza大街21号，30-120克拉科夫，波兰

摘要

将固氮物种引入非固氮树种中，可以通过提高土壤有机碳（SOC）和氮（N）的积累速率，加速火灾后土壤功能的恢复和森林生态系统的重建。这一假设基于生物动力学方法来恢复退化的生态系统功能。本研究考察了在火灾发生约30年后，将固氮物种桤木（Alnus glutinosa (L.) Gaertn.）混入同龄欧洲白桦（Betula pendula Roth）林中的效果，重点关注土壤性质、树木生物测量参数以及受火灾影响地区的树木养分供应恢复情况。研究结果表明，将桤木混入欧洲白桦林中改善了土壤的物理化学性质。具体表现为混合林中的土壤有机碳（34.23克/千克）和氮（2.39克/千克）含量高于纯白桦林（分别为25.38克/千克和1.71克/千克）。混合林中的白桦树生物测量参数也更高，尤其是高度（13.0米），而纯白桦林中的白桦树高度为10.2米。因此，在大规模火灾后的退化地区，我们建议采用将固氮桤木混入白桦单一种植的生物动力学方法。

引言

火灾是全球森林生态系统最常见的干扰因素之一（van Lierop等，2015；Pr?v?lie，2018），由于气候变化，火灾的频率和强度都在增加（Cunningham等，2024）。虽然火灾能够促进先锋树种的再生（Schüle等，2023），但大规模、高烈度的火灾会破坏生态系统（Wasserman和Mueller，2023；Lv等，2025）。火灾产生的高温会导致土壤矿化，以及土壤有机碳（SOC）和养分（尤其是氮（N）的流失（Zhang和Biswas，2017；Agbeshie等，2022）。火灾还会破坏土壤结构，增加土壤容重并降低孔隙度，使土壤容易受到火灾后的径流和侵蚀（Agbeshie等，2022）。严重的火灾还会损害土壤中的微生物种群，从而对后续的生态系统再生产生负面影响（Barreiro和Díaz-Ravi?a，2021；Gongalsky等，2021）。

火灾后，森林生态系统会开始恢复。这一过程的动态可以通过土壤性质的变化来评估，特别是SOC和N的积累速率（Dorrough等，2023）。SOC影响其他土壤性质，在养分循环、阳离子交换和水分保持中起关键作用（Bashir等，2021）。而氮（N）是恢复中的森林生态系统生长的主要限制因素（Rastetter等，2021；Mantero等，2023）。其他生态系统恢复指标包括树木群体的生物测量参数，这些参数反映了整个场地因素的综合影响（Bartels等，2016）。另一个指标是特定树种的养分供应情况，可以通过其同化器官中的元素浓度来评估（Maynard等，2014）。

在温带和北方气候区，火灾后最常见的先锋树种之一是欧洲白桦（Betula pendula Roth；Dzwonko等，2015；Parro等，2015）。白桦被认为可以改善土壤质量（Kalliokoski等，2010），因为它能提高土壤pH值、碱饱和度（Hansson等，2011）和养分有效性（Jonczak等，2020）。此外，在矿区复垦和火灾后的造林地区，白桦林下的生物量更大，土壤微生物活性也更高（Chodak等，2022）。由于受干扰地区氮（N）不足，常引入固氮物种如桤木（Alnus spp.）进行重新造林（Wo?等，2022）。这种方法源于农业实践，体现了固氮物种的改良作用，能够增加SOC的积累。此外，氮还有助于晚演替物种（如橡树）的生长（Pietrzykowski等，2018）。然而，固氮物种的影响可能与人为氮沉降类似，如土壤酸化、硝酸盐（NO₃^?）和碱金属阳离子的淋溶、N₂O排放以及生物多样性的下降（Mayer等，2020）。此外，固氮物种的生长受到磷（P）的限制（Toro等，2022；Wo?等，2024）。在火灾后的土壤中种植桤木会导致磷（P）的耗竭（Mitchell和Ruess，2009；Wo?等，2024）以及C:P和N:P比例的增加（Wo?等，2022）。但这些效应主要出现在营养贫瘠的纯桤木林中（Wo?等，2022）；当桤木混入其他树种林中时，可能不会对土壤性质产生如此强烈的影响。由于非固氮物种的生长主要受氮供应限制（Wo?等，2024），桤木的固氮作用可能会刺激其他树种的生长并增加其养分供应（Vidal等，2019）。先前的研究表明，将固氮物种引入其他树种林中会有多种效果。在美国，将红桤木（Alnus rubra Bong.）引入以花旗松（Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco）为主的林分中，经过70年的生长后提高了氮缺乏地区的生态系统生产力（Binkley，2003）。在复垦的采砂场地区，桤木对松树林中土壤微生物活性的促进作用可持续到距离桤木行3米的范围（Sroka等，2018）。在法国，将固氮灌木引入海松（Pinus pinaster Aiton）种植园后，虽然前10年的生长期间光照和水分竞争加剧，树木死亡率增加，但并未直接影响树木生长参数（Vidal等，2019）。同样，在澳大利亚，纯林和混有固氮物种的林分的生产力没有显著差异（Forrester等，2007）。

本研究旨在通过测量火灾后土壤的化学性质、白桦树的生物测量参数和养分供应情况，评估将固氮物种黑桤木（Alnus glutinosa (L.) Gaertn.）与欧洲白桦（Betula pendula Roth）混种的影响。提出了两个研究假设：i) 混种黑桤木可以改变火灾后生态系统的物理化学性质，尤其是提高碳（C）和氮（N）含量；ii) 增加的养分有效性会导致更好的白桦树生物测量参数和养分供应。

研究地点

本研究位于波兰南部Rudziniec森林区（50.297818 N, 18.421494 E），该地区在大规模火灾后进行了重新造林。该地区年平均降水量为578毫米，年平均气温为9.7摄氏度（数据来自1990至2022年的气象站）。火灾发生于1992年8月，覆盖了大部分区域。

土壤特征

纯白桦林下的土壤中沙粒含量较低（42%），粉砂（52%）和粘土（6%）含量较高，而混种林下的土壤中沙粒（57%）、粉砂（39%）和粘土（4%）含量分别为这些比例。两种林分下的土壤均为酸性，平均pH值分别为4.1和4.0。两种林分下的P_av、可交换K⁺、Mg²⁺和Na⁺含量相似。

土壤参数

火灾后经过30年的生态系统恢复，将桤木混入白桦林中改善了火灾后土壤的化学性质。这主要表现为土壤中有机碳（SOC）和氮（N）含量的增加，这是固氮物种土壤的典型特征（Mayer等，2020）。较高的SOC含量可能源于富含氮的落叶（Wang等，2010）。落叶中的高氮含量会加速分解初期的有机物矿化过程。

结论

研究结果表明，将黑桤木混入欧洲白桦林中对大规模火灾后的森林生态系统恢复产生了积极的生物动力学效应。这种效应主要表现为混合林中的土壤有机碳（SOC）和氮（N）含量高于纯白桦林。混合林中的白桦树生物测量参数也更高。混合林更大的林冠体积可能有助于增加落叶量。

科学写作中关于生成式AI的声明

本文的撰写未使用生成式AI和AI辅助技术。

数据声明

数据集可应相应作者的要求提供。

CRediT作者贡献声明

Bart?omiej Wo?：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、调查、数据分析、概念构建。 Marek Paj?k：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、调查、数据分析。 Agnieszka Józefowska：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、调查、资金筹集、数据分析。 Marcin Pietrzykowski：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构建。

资金来源

本研究由波兰国家科学中心资助，项目编号为2021/42/E/ST10/00248。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢AUC生态与林业系地球化学与修复实验室的Iwona Skowrońska硕士和Justyna Soko?owska博士在实验室测试中的协助及其合作。