火后土壤向未燃烧参照的趋同受火烧严重度与土壤深度调控

《Fire Ecology》：Postfire soil convergence toward an unburned reference varies with fire severity and soil depth

　　

摘要 研究背景 野火对土壤的影响因土壤属性、土壤深度和火烧严重度等级而异，然而在亚热带松树人工林中，这些影响的长期变化轨迹仍未得到充分解析。研究人员评估了2022年4月中国中部马尾松（Pinus massoniana）人工林发生野火后，火烧土壤向未燃烧参照在时间上的趋同情况。研究人员设置了代表未燃烧、低、中和高严重度条件的20个永久样地，在43个月内开展了8次调查，并监测了3个土壤深度。 研究结果 与严重度相关的差异在监测初期以0–10 cm土层最为强烈且最为一致。在高严重度条件下，首次调查时表层土壤有机碳（SOC）为19.08 ± 1.49 g kg?1，而未燃烧参照为38.61 ± 0.59 g kg?1，对应50.6%的亏缺。至43个月时，高严重度下的SOC已增至35.10 ± 0.27 g kg?1，而未燃烧参照为38.96 ± 0.93 g kg?1，残留差异为3.86 g kg?1，约相当于9.9%。pH和速效磷更快地趋近参照值，而SOC表现出最明显的持续差异。完整的八次调查轨迹显示，火烧与未燃烧之间的差异总体收窄，但存在短期和季节性波动。综合多元分析同样表明与未燃烧参照的偏离程度逐渐减小，其中高严重度下初始位移最大且持续性最强。 研究结论 在43个月的监测期内，火烧土壤表现出显著但不完全的向所选未燃烧参照的趋同，且该趋同的幅度和持续性随火烧严重度、土壤深度和土壤属性而变化。由于缺乏火烧前测量数据，这种趋同不应被解释为已证实的原始火烧前状态的恢复。因此，pH或速效磷的更快趋同并不代表土壤完全趋同，而SOC仍处于亏缺状态。这些结果支持在火后土壤状况监测中采用多指标、深度明确的方法，尤其是在高严重度野火之后。

火后土壤向未燃烧参照趋同的时空格局：基于火烧严重度与土壤深度的系统解析

一、研究背景与科学问题

野火能够迅速改变土壤条件，但不同生态系统中火灾发生的气候背景存在差异。在湿润亚热带森林中，火灾适宜条件更多与周期性或季节性干旱导致的燃料湿度降低相关，而非单纯的长期干旱。亚热带中国马尾松人工林广泛分布，其林分可积累大量凋落物和地表燃料，冬春季节性干旱期可周期性降低燃料湿度，形成地表火发生的有利条件。已有研究记录了马尾松林火后土壤物理性质、pH、碳、养分和植被的显著变化，但各研究间土壤响应的方向和持续时间存在差异，表明该森林类型火后土壤轨迹无法从单一采样日期或单一土壤指标可靠推断。

目前存在三个关键不确定性：第一，多数研究侧重于单一火后时间点、较宽泛的火烧—未燃烧对比或有限的土壤指标组合，难以判断不同物理和化学属性是否以可比速率向参照条件趋同；第二，土壤深度维度尚未充分解析，多数研究仅强调表层土壤，而火烧相关变化及其持续性在浅层和深层矿质土壤区间可能存在显著差异；第三，火烧严重度常与火烧后时间混淆或仅作为初始影响的指标，尚不确定更高严重度是否仅关联更大的早期位移，还是也关联更持久的与参照条件的偏离。因此，亟需在湿润亚热带人工林中，沿明确火烧严重度梯度和土壤剖面，解析多个土壤指标随时间变化的联合轨迹。

二、研究设计与方法概述

研究在中国湖北省大冶市幕阜山北麓开展，研究对象为2022年4月野火影响的马尾松人工林。研究人员依据茎干炭化高度、灌木层生物量燃烧比例和凋落物消耗比例等野外持续指标，将样地划分为未燃烧（UB）、低严重度（LS）、中严重度（MS）和高严重度（HS）四类，每类设置5个永久样地，共20个。在火后约1、7、13、19、25、31、37和43个月开展8次重复调查，采集0–10 cm（D1）、10–30 cm（D2）和30–50 cm（D3）三个矿质土壤区间样品。测量指标包括近地表土壤温度、土壤含水量（SWC）、容重（BD）、pH、土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）和速效磷（AP）共7项。统计方法采用线性混合效应模型（nlme包）评估固定效应，以主成分分析（PCA）、冗余分析（RDA）、欧氏距离和Cohen's d效应量及指数衰减模型进行多元和整合分析。

三、主要研究结果

早期火后位移随火烧严重度变化：表层土壤（0–10 cm）在监测初期表现出最强的与未燃烧参照的差异，且随严重度增加而增大。首次调查时，高严重度下近地表土壤温度为25.48 ± 0.26 °C，未燃烧为21.65 ± 0.16 °C；SWC为23.00 ± 0.81%对31.64 ± 0.49%；pH为5.93 ± 0.05对5.10 ± 0.03；SOC为19.08 ± 1.49对38.61 ± 0.59 g kg^?1；TN为1.63 ± 0.07对2.19 ± 0.03 g kg^?1；AP为53.48 ± 0.74对11.82 ± 0.73 mg kg^?1。火烧严重度与采样时间的交互作用对pH、SOC、TN和AP均显著。

土壤属性向未燃烧参照的时间与深度依赖趋同：所有7项指标在不同采样日期间差异显著。pH和AP较快趋近未燃烧水平，SOC趋同较慢，TN时间响应较弱。至最终调查时，表层土壤温度、SWC、BD、pH、TN和AP在各类间无显著差异，而高严重度下SOC（35.10 ± 0.27 g kg^?1）仍显著低于未燃烧参照（38.96 ± 0.93 g kg^?1），残留差异约9.9%。季节分层敏感性分析支持各季节序列内长期收窄趋势。

表层土壤多元趋同：表层土壤多元距离在43个月监测期内总体下降，低严重度下距离最小，高严重度下最大。PCA显示PC1解释62.6%方差，火烧样地早期PC1得分更负，随严重度增加偏离增大，随时间推移向未燃烧范围移动。

严重度相关的趋同轨迹与火后遗留衰减：RDA分析表明火烧严重度（伪F = 13.49，P < 0.001）和线性时间梯度（伪F = 65.91，P < 0.001）均与表层土壤多元结构显著相关。方差分解显示火烧严重度解释15.5%，线性时间解释25.2%。平均绝对效应量在低、中、高严重度下均随时间下降，初始效应量高严重度最高（9.55），衰减半衰期高严重度最长（6.3个月）。

四、讨论与结论

讨论部分强调，D1（0–10 cm）层表现出最强且最一致的早期偏离，而D2和D3层响应较小或持续性较弱，火烧严重度×深度和采样时间×深度交互作用显著，证明火后土壤轨迹在50 cm剖面内呈垂直分化。不同土壤属性收敛速率存在异步性，pH和AP快速趋近参照值，而SOC持续亏缺，说明单一指标可能给出不同的恢复印象。由于缺乏火烧前测量，这种趋同不应被解释为已证实的原始火烧前状态恢复。研究结论指出，在43个月监测期内，火烧土壤表现出显著但不完全的向所选未燃烧参照的趋同，趋同的幅度和持续性随火烧严重度、土壤深度和土壤属性而变化。pH或速效磷的更快趋同并不代表土壤完全趋同，而SOC仍处于亏缺状态。这些结果支持在火后土壤状况监测中采用多指标、深度明确的方法，尤其是在高严重度野火之后。