利用废弃森林生物质生物炭促进亚利桑那州北部野火后土壤恢复

《Journal of Environmental Management》：Enhancing post-wildfire soil recovery in northern Arizona using biochar from waste forest biomass

　　

• •
  在亚利桑那州高严重度火灾过火土壤中施用10–20 t ha^?1 的CharBoss?松木枝桠生物炭。
• •
  施用20 t ha^?1 生物炭后，一年后土壤持水能力显著提升。
• •
  在20 t ha^?1 用量下，生物炭将树苗存活率从6.7%提高到17.8%。
• •
  生物炭提高了土壤有机碳含量、养分保蓄能力和pH缓冲能力。
• •
  移动式生物炭技术为替代枝桠堆放燃烧提供了一种气候智慧型解决方案。

引言

过去几十年来，美国西南部野火频发程度不断加剧，这主要由气候变化、长期干旱、历史性的火灾抑制政策以及茂密森林中的可燃物积累共同驱动（Owen等人，2020年）。在亚利桑那州北部，ponderosa pine（Pinus ponderosa Lawson & C. Lawson: var. arizonica（Engelm.）Shaw）生态系统最为脆弱。1996年至2017年间，亚利桑那州和新墨西哥州超过50%的森林清查与分析（FIA）样地遭受了中至高严重度的火灾，导致大量成熟树木损失（Woolman等人，2022年；Guayasamín等人，2024年）。这些野火通过降解土壤有机质、消耗关键养分、降低微生物活性、改变pH值和阳离子交换容量以及形成疏水层来造成土壤退化，从而增加侵蚀风险（Covington和Sackett，1984年；Campbell，1977年）。火灾后的侵蚀进一步加剧了这一问题，火灾后前四年的累计土壤侵蚀损失范围为73至超过2200 kg C ha^?1，以及3.3至110 kg N ha^?1，其中最高的侵蚀速率出现在头两年（Pierson等人，2019年）。

为减轻野火影响，通常采取机械疏伐和灾后采伐措施，以减少林分中的可燃物负荷并恢复林分结构。然而，这些措施会产生大量低经济价值的木质生物质残留物，俗称"枝桠"。此外，采伐还可能导致大量无商品价值的生物质残留在土壤表面。传统的枝桠处理方法包括露天堆放燃烧，这会因烟雾和颗粒物排放而加剧空气质量问题，释放温室气体，并可能形成局部烧疤痕，损害下层土壤，抑制本地植物再生，并促进入侵物种的生长（Wilson等人，2024年；Page-Dumroese等人，2024年）。通过受控热解将残留物转化为生物炭提供了一种可持续的、多效益的替代方案。CharBoss?是一种专用空气幕燃烧器，可在受限氧环境下，于采伐作业点或附近直接生产生物炭。现场生产可减少运输成本，且排放低于露天燃烧（Oyier等人，2024年；Wilson等人，0.2024年；Johannesson等人，2024年；Page-Dumroese等人，2016年）。其他现场方法，如简易窑炉和一些露天燃烧方式，也用于从枝桠中生产生物炭（Wilson等人，2024年）。因此，通过生物炭生产来管理木质残留物，既减轻了枝桠处理的难题，又提供了回收碳和养分的机遇，同时支持了火灾后土壤恢复。生物炭的多孔特性及其在土壤中稳定有机碳的能力，可能通过增加土壤水分、提高土壤养分保蓄能力和促进有益微生物群落来改善火灾后土壤质量（Zhao等人，2022年；Ghosh等人，2025年；Ghosh和Maiti，2020年；Machado等人，2022年）。生物炭施用可以改变土壤物理化学性质，提高养分有效性，缓解限制植物生长和定殖的某些土壤制约因素（Murtaza等人，2025年）。例如，在新墨西哥州Las Conchas火灾点对针叶树（Pinus ponderosa、P. strobiformis和Pseudotsuga menziesii）种植园的一项研究发现，添加4%（重量比）生物炭使树苗存活率提高了11%。在种植点将生物炭与庇荫灌木联合使用时，树苗存活率翻倍，达到57%，而未处理对照组的存活率为25%（Marsh等人，2023年）。在松树林生态系统中也记录了类似的响应，生物炭添加改善了土壤持水能力，并提高了矿质土壤10至20 cm深度的钙浓度，水分含量增加了高达57%（Anderson，2017年；Griego等人，2026年）。生物炭改良还被证明可以改善干燥条件下的土壤持水能力。例如，在壤砂土中以5%（重量比）施用杏仁壳生物炭，使持水能力相对于未处理对照组提高了约20-25%（Thao等人，2024年）。此外，稻草和生物炭联合施用（2 Mg ha^?1稻草和10 Mg ha^?1生物炭）有效地将火灾后侵蚀降低了65–76%。稻草覆盖还促进了超过99%的施用生物炭被保留，有助于其稳定性和作为土壤改良剂的适用性（Prats等人，2021年）。在美国中西部三个国家森林中，将生物炭掺入压实的原木集材场，有效地将表层矿质土壤的容重降低了约18–19%；此外，采伐后第一年土壤钾含量和植物可利用磷含量有所增加（Rumpf等人，2026年）。综合这些发现，表明生物炭改良可以改善火灾后土壤的物理、化学和生物性质，从而增强生态系统恢复、提高树苗定殖率并支持森林长期恢复力。

尽管将生物炭应用于野火过火土壤取得了令人鼓舞的结果，但仍存在重要的研究空白。美国大多数火灾后生物炭试验都在科罗拉多州（Rhoades等人，2017年；Barnard等人，2025年；Kaiser等人，2025年）或北部落基山脉（Rhoades等人，2017年；Ramlow，2018年；Kaiser等人，2025年）进行。尽管人们对生物炭作为恢复工具的兴趣日益增长，但其对火灾后土壤的影响在美国西南部仍知之甚少。具体而言，尚无研究全面评估生物炭在亚利桑那州北部火山土中的响应，而该类土壤在质地、有机质含量和火灾后特征方面高度异质。近期的一项荟萃分析发现，仅约3%的生物炭研究聚焦于干旱地区，并指出生物炭对土壤性质和温室气体减排的影响在干旱环境中不如湿润地区一致（Al-Ismaily等人，2026年）。此外，一项为期三年的野外研究发现，在科罗拉多州，单独以20 t ha^?1 施用生物炭对火灾后土壤的影响有限，而将生物炭与木质覆盖物结合则改善了土壤氮素和水分可利用性并支持了本地植物恢复（Rhoades等人，2017年）。这些发现凸显了需要在不同火灾后条件下评估生物炭，并确定平衡恢复效益与生产和物流制约因素的最佳施用量。我们假设，将本地生产的ponderosa pine枝桠生物炭施用于高严重度野火过火土壤，将改善土壤水分保蓄能力和部分土壤化学性质，优于未处理的过火土壤。我们进一步假设，这些土壤条件的改善将提高半干旱火灾后条件下种植的ponderosa pine树苗的早期存活率。

为弥补这些空白，本研究评估了使用CharBoss?系统（Air Burners, Inc., Palm City, FL）从野火产生的Pinus ponderosa枝桠中生产的生物炭，在12个月期间的效果。生物炭分别以10 t ha^?1（BC10）和20 t ha^?1（BC20）的剂量施用于野火影响土壤，并在各处理中种植P. ponderosa树苗，与阳性对照（未过火土壤）和阴性对照（过火、未处理土壤）进行比较。本研究评估了生物炭对土壤物理化学性质（包括pH、养分有效性、阳离子交换容量和有机碳）及水分保蓄能力的影响，作为恢复成功的早期指标。通过评估实用且适应当地条件的方案、土壤改善效果和潜在的长期生态影响，本研究旨在改进亚利桑那州北部火险区域生物炭用于火灾后土壤恢复、可持续生物质管理和碳储存增加的标准化方法。

章节摘要

研究区域

本研究在美国亚利桑那州弗拉格斯塔夫（35°31′54″N；111°55′88″W）的一处私人土地上开展，该地块曾于2022年遭受科科尼诺国家森林管道火灾（Pipeline Fire）的过火。据Gorr等人（2024年）报道，该火灾在仅13天内烧毁了约10,737公顷（26,532英亩）土地。在该区域，56%的低严重度过火、34%的中度严重度过火、5%的高严重度过火，以及5%未过火（BAER，2022年）。在研究样地，基于MTBS的评估（美国

生物炭表征

生物炭的工业分析结果显示，水分含量为4.62%，挥发分含量为5.48%，灰分含量为27.73%，固定碳为66.17%。观察到的低挥发分和高固定碳含量表明高度碳化程度，意味着其在土壤中具有长期持久性（Lorenz和Lal，2014年）。与其他木质生物炭相比，相对较高灰分含量（27.73%）可能归因于所纳入的矿物丰富的树皮和松针

结论

在亚利桑那州北部ponderosa pine林火烧土壤中施用生物炭，在施用后的第一年对各种土壤质量参数产生了积极影响。生物炭部分缓冲了土壤pH，并促进了硝态氮、有效磷和土壤有机碳含量呈剂量相关性的增加，其中BC20处理组的有机碳含量是未处理过火土壤的两倍。这些变化表明了基于

意义与未来研究方向

使用CharBoss?等移动系统从ponderosa pine枝桠中生产的生物炭，可作为适当的土壤改良剂，用于改善亚利桑那州北部半干旱地区ponderosa pine林的火灾后恢复工作。这些发现对森林管理、生态恢复和气候智慧型土地管理具有多方面的重要意义。

特别是，移动式生物炭生产允许在原地将低质量生物质转化为生物炭，这提供了一种

CRediT作者贡献声明

Dipita Ghosh：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法学、正式分析、数据整理、概念化。Nathaniel Anderson：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取。Han-Sup Han：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、调查、资金获取。Deborah S. Page-Dumroose：撰写——审阅与编辑、监督、调查。Alexis Aguiar：撰写——审阅

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由美国农业部林务局、落基山研究站资助（协议编号：22-JV-11221636-080），以及亚利桑那州的技术与研究倡议基金（TRIF）。作者衷心感谢Jennifer L. Wade实验室、北亚利桑那大学成像与组织学核心设施（IHCF）以及RMRS土壤实验室在生物炭和土壤分析方面提供的支持。我们同样感谢生态学系学生工作者的协助

Dipita Ghosh|Nathaniel Anderson|Han-Sup Han|Deborah S. Page-Dumroose|Alexis Aguiar