《European Journal of Soil Science》：More Than Two Decades of Ungulate Exclusion Did Not Alter Soil Organic Carbon Stocks in a Temperate Primeval Forest
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：大型野生有蹄类动物长期排除对森林生态系统土壤有机碳（SOC）储量及土壤有机质（SOM）性质的影响仍不确定。以往研究受限于较短的排除持续时间、较浅的采样深度及混杂因素。研究人员通过研究波兰东部比亚沃维耶扎国家森林（Bia?owie?a National For
：大型野生有蹄类动物长期排除对森林生态系统土壤有机碳（SOC）储量及土壤有机质（SOM）性质的影响仍不确定。以往研究受限于较短的排除持续时间、较浅的采样深度及混杂因素。研究人员通过研究波兰东部比亚沃维耶扎国家森林（Bia?owie?a National Forest）严格保护区中已建立23年的有蹄类排除样地来弥补上述不足，该区域数百年来免受重大人为干扰。研究同时评估了树种组成、树种多样性及土壤质地的影响。大型有蹄类排除降低了矿质土壤容重，提高了5–10 cm和10–25 cm土层中的碳氮比（C:N ratio），但未影响森林凋落物层（FF）或矿质土壤中的SOC储量。此外，排除处理未影响最表层（0–5 cm）土壤中碳在矿物结合有机质（MAOM）与颗粒有机质（POM）组分间的分配。较高的树种多样性与较低的土壤C:N比相关，而较高的针叶树比例与较高的FF和土壤C:N比相关。土壤质地虽对FF或矿质土壤SOC储量无显著影响，但确实影响了SOM组分间的碳分配及土壤C:N比。综上所述，尽管大型食草动物可影响开放温带生态系统中的土壤碳储存特征，但研究发现，在数十年时间尺度上，树种组成与多样性及土壤质地对该温带原始林中这些参数的控制作用更强。因此，在类似的森林系统中，大型有蹄类排除不太可能带来土壤碳储存效益。
论文解读
一、研究背景与问题
森林覆盖全球近三分之一陆地面积，储存约861 ± 66 Pg碳，其中49%存在于凋落物和土壤中（至1 m深度），因此理解影响森林土壤有机碳（SOC）储存与循环的因素对界定和量化全球碳循环至关重要。森林管理措施如间伐、采伐、施肥、病虫害防治及水文管理常被纳入地上和地下生态系统功能与服务的研究范畴。然而，关于大型有蹄类动物（蹄类哺乳动物，体重>45 kg）在森林中的存在或排除对土壤性质影响的实证研究相对匮乏。Tanentzap和Coomes在十多年前明确指出了这一研究空白，但此后关注“未驯化大型食草动物对森林土壤碳影响”的研究仍然有限。
大型有蹄类可通过取食、活动和排泄活动对土壤碳循环和储存产生直接和间接影响。它们作为生态系统工程师，在景观尺度上对植被施加自上而下的控制，并因植物-土壤相互作用而预期导致地下碳储量的变化。具体而言，它们调节植物凋落物的数量和质量，而凋落物是土壤有机质的主要输入来源。一般而言，有蹄类排除预期因取食活动终止而增加有机质输入量，并常被用作改善生态系统功能的管理策略，包括植被生产力、养分循环和土壤碳储存。当代综述表明有蹄类排除预期增加森林土壤碳储量，但效应具有情境依赖性，已有研究记录了食草作用对森林SOC储存和循环性质的正、负和中性影响。
本研究利用比亚沃维耶扎国家公园（BNP）中建立数十年的配对排除-对照实验，研究野生有蹄类群落对原始林中SOC储量和SOM性质的影响。BNP包含欧洲最古老且保护最完善的原始林残余部分，是当代森林系统中稀有且能提供有蹄类种群数量足以对生态系统功能产生可测量效应的实例。在原始或近自然系统中开展研究因系统固有复杂性而困难重重，如与环境因子的相互作用或多营养级考量，但对提供自然未管理系统的参考或目标值以及研究食草动物在这些系统中的影响具有重要价值，有助于理解森林如何应对大型有蹄类种群的历史重大动态变化，并增进对未来食草动物种群变化（包括动物重新引入和再野化举措）如何改变生态系统碳动态的理解。
研究人员还希望探索食草动物对SOC持久性的中介作用。Kristensen等人提出，存在大型食草动物的系统以较高的生态系统代谢和肥力为特征，增加的根际沉积和易分解废弃物输入将提高土壤呼吸和有机质分解，但同时伴随微生物碳利用效率（CUE）的提高。较高的CUE预期通过土壤微生物碳泵将更多碳转移到相对持久的矿物结合有机质（MAOM）中，而非进入通常停留时间较短的颗粒有机质（POM）。这些假说已在部分草地系统中得到部分验证，但动物对森林土壤碳流和稳定性的影响仍知之甚少。
其他成土过程控制因素，如林分特征和土壤质地，即使在试图最大程度控制这些因素时也需纳入考量以增强解释力。树种多样性和组成影响森林凋落物层和矿质SOM的性质与动态，矿质土壤颗粒分布同样如此。例如，增加树种多样性可正向影响地上和地下凋落物输入，进而可能增加SOC储量。
BNP严格保护区内的配对排除-对照实验为研究23年大型有蹄类排除效应提供了绝佳机会，该区域在百年时间尺度上免受重大人为干扰。研究旨在回答以下问题：（a）长期有蹄类排除是否增强森林凋落物层和至40 cm深矿质土壤中的SOC储存？（b）排除是否影响碳向不同森林SOM组分的分配？同时纳入共调控的林分和土壤因子。
二、研究设计与关键技术方法
研究样地位于BNP保护区核心区域，该区域自1921年起获得完全保护地位，禁止狩猎、机动车和采伐等活动。研究区域内存在五种大型有蹄类物种：马鹿（Cervus elaphus）、狍（Capreolus capreolus）、野猪（Sus scrofa）、欧洲野牛（Bison bonasus）和驼鹿（Alces alces），且均未被猎杀，与狼和猞猁等自然捕食者共存。
实验设计基于2000年夏季在严格保护区建立的30对排除-对照样地。每个排除区约7.5 m × 7.5 m，围栏高2 m，网孔尺寸可有效排除所有大型有蹄类但允许小型食草动物和啮齿类进入。未围栏的对照样地设立于每个排除区附近，建立时在冠层树种组成、森林类型、幼树密度、草本植被覆盖度和冠层开阔度方面与围栏区相当。本研究选取其中13对样地进行采样，覆盖多种土壤质地、树种组成和树种多样性。
2023年6月下旬进行森林凋落物层和土壤采样。每样地设5个子样方，收集25 × 25 cm框架内所有凋落物层材料，矿质土壤使用分体式取土钻（5 cm直径，40 cm长）采集，分为四个深度区间（0–5、5–10、10–25和25–40 cm），共获得520个样品。关键分析方法包括：干燃烧法测定有机碳（OC）和全氮（TN）；容重计算；采用等效土壤质量（ESM）方法而非固定深度（FD）计算SOC和TN储量以校正有蹄类排除对容重的影响；对表层土（0–5 cm）进行SOM分组，采用改良密度和粒径法分离为颗粒有机质（POM）和矿物结合有机质（MAOM），进一步分为大POM（lPOM，>20 μm）、小POM（sPOM，<20 μm）、大MAOM（lMAOM，>53 μm）和小MAOM（sMAOM，<53 μm）；土壤质地采用吸管法分析10–25 cm层样品；评估特异性碳矿化速率、真菌生长和细菌生长速率以计算CUE和真菌/细菌生长比；树种多样性和组成以周围约707 m2范围内的胸径>10 cm个体调查数据为基础，组成以针叶树比例（基于胸高断面积）表示，多样性以真实香农多样性（True H）表示。统计分析采用线性混合效应模型，以处理为固定效应，样地和样方为随机效应。
三、研究结果
3.1 有蹄类排除对森林凋落物层和土壤性质的影响
有蹄类排除对容重的影响主要出现在上层，0–5 cm和5–10 cm层容重显著降低，但未延伸至更深矿质土层。整个矿质土壤剖面（0–40 cm）上排除显著降低了容重（p = 0.011）。确认有蹄类排除影响容重后，研究决定仅采用ESM结果输出。
有蹄类排除使0–5 cm层碳含量均值增加12%，但未在任何土层产生显著效应。排除显著增加了森林凋落物层氮含量但降低了5–10 cm层氮含量。23年有蹄类排除未影响森林凋落物层或矿质土壤pH。
大型有蹄类排除未影响整个研究剖面的碳储量，且仅解释不到1%的方差。尽管处理均值间存在16%差异，排除对ESM 0–5 cm层SOC储量无显著影响，且影响随深度增加而减弱。整个矿质土壤剖面（0–40 cm）在无有蹄类条件下平均碳储量差异降至+4%，对应0.22 kg C m?2，几乎与无有蹄类条件下森林凋落物层碳储量减少的0.21 kg C m?2相匹配。
0–5 cm层C:N比在无有蹄类条件下趋于升高（p = 0.103），5–10 cm和10–25 cm ESM层中排除样地C:N比显著更高。相反，森林凋落物层C:N比在无有蹄类条件下略低但不显著。纳入其他解释因子后，排除未显著影响任何累积ESM层的C:N比。有蹄类排除对细菌生长速率、真菌生长速率、特异性碳矿化、CUE或真菌/细菌生长比均无显著影响。
3.2 树种多样性、组成和土壤质地的影响
土壤质地仅在森林凋落物层与碳储量显著相关，表现为随粉粒+黏粒比例增加碳储量降低。相反，C:N比在所有累积矿质土层均与土壤质地显著相关，随粉粒+黏粒比例增加而降低。在整个研究剖面（FF-40 cm）中，粉粒+黏粒比例解释了C:N比方差的54%。
总碳储量（FF-40 cm）与树种真实香农多样性无显著关系，多样性仅解释不到1%的变异。总碳储量与树种组成（针叶树比例）关系较强但不显著（p = 0.071），解释了10%的方差。四个固定效应（有蹄类排除、粉粒+黏粒百分比、树种多样性和树种组成）在各累积矿质土层中仅共同解释碳储量方差的4%–8%。
整个研究剖面（FF-40 cm）的C:N比与树种多样性呈负相关但不显著（p = 0.079）。针叶树比例与同一剖面的C:N比呈正相关并解释15%的方差，但同样不显著（p = 0.066）。在大多数其他矿质累积ESM层中，C:N比与针叶树比例呈边缘正相关，与树种多样性呈显著负相关，且两个固定效应的影响随累积深度增加而减弱。森林凋落物层C:N比仅与针叶树比例显著正相关。
3.3 有蹄类排除、树种多样性、组成和土壤质地对方分组碳及C:N比的影响
碳含量在lPOM组分中最高（438 ± 6 mg C g?1组分），在lMAOM中最低（0.85 ± 0.17 mg C g?1组分）。sMAOM组分C:N比最低（11.6 ± 0.2），lPOM最高（23.1 ± 0.4）。POM组分合计贡献约78%的土壤碳，MAOM碳贡献主要来自sMAOM，lMAOM仅贡献约1%。
有蹄类排除对各有机质组分的碳或氮含量均无显著影响。排除未显著影响碳向任何有机质组分的分配，虽略微增加了POM-C对总土壤碳的相对贡献，其中lPOM增加最明显（+4个百分点），伴随sMAOM-C相对贡献的相应降低（?5个百分点），但均不显著。排除对各组分C:N比无显著影响。
粉粒+黏粒比例与lMAOM-C和sMAOM-C对总土壤碳的相对贡献呈显著正相关，与lPOM-C和sPOM-C的相对贡献呈显著负相关。树种组成和多样性对碳贡献无显著影响，但树种多样性与lMAOM-C相对贡献显著正相关，与sMAOM-C相对贡献弱正相关。
四、讨论与结论
讨论部分指出，ESM方法在有蹄类影响研究中代表性不足，该方法通过归一化到固定矿质土壤质量而非固定深度来校正处理引起的容重变化。研究结果与大型食草动物可显著正向影响土壤容重的已有发现一致。对比处理均值，整个研究剖面的SOC储量差异可忽略不计，与新西兰温带雨林和北方森林系统中有蹄类排除研究结果一致。
有蹄类排除未影响SOC储量的部分原因归结于有蹄类未影响该系统土壤碳输入的主要形式——树冠叶凋落物。排除未显著影响以森林凋落物层C:N比为代表的凋落物质量，且排除样地周围树木大小结构（基于胸高断面积）在23年间未出现差异，表明凋落物输入量不太可能发生实质性改变。矿质土壤中有蹄类排除条件下C:N比升高可能与植物对食草作用的响应有关，但缺乏关于木本物种对食草作用反应的结论性证据。纳入更复杂模型后排除影响消失，表明其他解释因子更具影响力。
针叶树比例与各累积层C:N比的正相关关系与针叶系统凋落物木质素含量较高、氮含量较低及土壤酸度减缓分解的解释一致。树种多样性仅在矿质土壤中对C:N比产生显著负向影响，可能归因于多样性林分下分解作用增强。森林凋落物层碳储量与粉粒+黏粒比例的显著负相关关系与沙质土壤水分限制、氮限制和低pH导致有机质掺入减缓的解释一致。
关于有机质组分中碳的分布，本研究中约78%的碳分布于POM组分，与一般森林以MAOM为主的趋势相反，但需注意结果仅反映最表层5 cm，且POM形成在沙质土壤中可占主导。BNP土壤因质地限制而MAOM-C增加能力有限，可能解释了其SOC储量普遍低于欧洲同类森林的原因。POM组分占主导也可能表明BNP土壤在未来气候变化下碳持久性方面存在脆弱性，因POM停留时间较短且温度敏感性较高。
有蹄类排除对SOM组分碳分布的影响证据极为有限，仅观察到排除条件下lPOM-C贡献增加的弱趋势。特异性碳矿化、CUE、真菌生长、细菌生长及其比值均未受排除显著影响，土壤温度和pH也未受影响。粉粒+黏粒比例与MAOM和POM组分的关系与更广泛文献一致。树种多样性与MAOM-C贡献增加的趋势值得注意，植物多样性可通过增加根系输入促进地下微生物生长和活性，长期可能导致更多微生物坏死物积累，而微生物坏死物是MAOM碳的重要组成。
与BNP先前管理区域比较发现，森林管理活动（间伐和采伐）似乎未对FF-40 cm剖面碳储量和质量的总体数量产生显著影响。未管理森林按比例在森林凋落物层储存了约为管理森林两倍的碳，而森林凋落物层碳对干扰的抵抗力低于矿质土壤碳，这可能表明未管理森林在变暖气候下长期碳稳定性较低。
研究结论指出，长期有蹄类排除不会实质性改变温带老龄林系统中的土壤碳储存或其分配。尽管排除超过二十年，土壤碳储量及其在矿物结合和颗粒库之间的分布基本保持不变，表明该温带原始林中土壤碳动态对食草压力长期变化相对不敏感。这提示食草动物排除作为增强此类系统土壤碳储量的策略可能效果有限。相反，研究结果指向土壤和林分因子作为土壤碳性质变化的更相关但仍适度的驱动因素，特别是在影响C:N比和碳在有机质组分间分布方面。树种多样性与矿物结合碳的正相关关系进一步表明生物多样性可能在促进土壤碳稳定中发挥作用。最后，虽然严格保护森林区域未表现出更高的总土壤碳储量，但与先前管理区域相比，碳分配向森林凋落物层转移。鉴于该碳库更具动态性，这一模式可能意味着这些系统在未来干扰机制下碳的长期稳定性较低。综合来看，这些发现表明与植被和土壤控制因素相比，食草压力长期变化在该生态系统中对调节土壤碳储存的作用相对较小。
