燃料处理与一年生禾草入侵对山艾树生态系统碳储量的十年效应

《Ecosphere》：Decadal effects of fuel treatments and annual grass invasion on sagebrush ecosystem carbon stocks

　　

燃料处理（fuel treatments）在美国山艾树（Artemisia spp.）生态系统中大面积实施，以限制野火风险与蔓延，但其对生态系统碳储存的影响仍知之甚少。燃料处理可减少地上碳储存，也可能通过直接干扰（如地表扰动）或间接通过随时间改变的植物群落组成（如增加入侵一年生禾草，影响植物-土壤反馈进而影响土壤碳储存）来影响地下碳储存。研究人员分析了处理前后及10年后的地上与地下碳储量估计，以确定木质燃料处理是否在山艾树草原处理评估项目（SageSTEP）样地网络中对生态系统碳储存产生可测量的影响，该网络包括矮松和/或刺柏侵占的林地站点以及山艾树为主的灌丛地站点。研究人员还评估了旱雀麦（Bromus tectorum L.）入侵（在研究区域普遍发生）是否影响表层1米土壤中的土壤有机碳（SOC）和土壤无机碳（SIC）储存。在林地站点，计划火烧和机械处理使活树碳储量较初始值减少了87%–97%，树木凋落物碳储量减少了92%–96%，并使多年生草本碳储量增加了146%–169%。计划火烧还使一年生草本碳储量增加了七倍，而机械处理使灌木碳储量增加了89%，粗木质残体（CWD）碳储量增加了五倍。在灌丛地站点，计划火烧使灌木碳储量减少了66%。割草和木质除草剂处理使灌木碳储量较处理前水平减少了37%–46%，但这些变化与未处理对照无显著差异。地下碳储量未受处理影响，但如果多年生或一年生植被的差异持续存在，随着时间推移可能发生额外变化。无论处理类型如何，旱雀麦入侵与林地站点深层（30–90 cm）土壤有机碳储量以及灌丛地站点深层土壤无机碳储量的减少呈正相关。尽管燃料处理对地上碳储存有显著影响，但其对地下碳储存（大多数旱地生态系统碳储存于此）的影响似乎小于旱雀麦入侵的影响。

**论文解读：燃料处理与旱雀麦入侵对山艾树生态系统碳储量的十年影响**

**研究背景与问题**
山艾树（Artemisia spp.）生态系统是美国山间西部干旱区的重要组成部分，储存了全球30%的碳（C），但正面临一年生禾草入侵和野火的威胁。已有研究表明，入侵性一年生植物（如旱雀麦Bromus tectorum L.）的低生物量和生产力导致原生植被碳储量损失，且其促进野火，进一步通过燃烧、土壤侵蚀或加速向一年生草地转化而减少生态系统碳储存。燃料处理（如计划火烧、机械切割、割草、除草剂施用）在大空间尺度上被用于减少木质植被，以降低野火行为与影响，但其对碳储存的短期和长期影响尚不明确。现有研究多局限于单一站点或仅测量地上部分，缺乏对处理前后及地下碳储量的综合评估。此外，旱雀麦入侵在未处理区域也在加剧，其与燃料处理的交互作用对土壤碳的影响尚未在大尺度上得到实验验证。因此，本研究旨在利用山艾树草原处理评估项目（SageSTEP）网络，系统评估燃料处理及旱雀麦入侵对生态系统碳储量的十年效应。

**研究内容与结论**
研究人员在SageSTEP网络的13个林地站点（矮松/刺柏侵占）和7个灌丛地站点（山艾树为主）中，对比了处理前（Year 0）与处理后10年（Year 10）的地上及地下碳储量变化。处理类型包括林地站点的计划火烧、砍伐丢弃（cut-and-drop）和机械粉碎（mastication），以及灌丛地站点的计划火烧、割草和木质除草剂（Tebuthiuron）施用。同时，研究人员分析了旱雀麦覆盖度变化与土壤有机碳（SOC）和土壤无机碳（SIC）储量的相关性。主要结论：燃料处理显著影响地上碳库（如活树、灌木、凋落物、粗木质残体CWD），但地下碳库（SOC和SIC）在10年内对处理具有抵抗性；旱雀麦入侵则与林地站点深层（30–90 cm）SOC减少及灌丛地站点深层SIC减少显著相关，表明后者对土壤碳储量的威胁更大。该研究发表在《Ecosphere》。

**主要关键技术方法**
研究依托SageSTEP样地网络，涵盖美国6个州的13个林地站点（侵入矮松/刺柏）和7个灌丛地站点（山艾树为主）。处理实施于2006–2008年，包括林地站点的计划火烧、砍伐丢弃、机械粉碎，以及灌丛地站点的计划火烧、割草、木质除草剂。数据采集包括：土壤钻取（0–90 cm，按15 cm间隔分层）测定SOC、SIC和根系碳；使用异速生长方程估算树木、灌木和草本生物量；通过平面截距法记录CWD；利用线点截距法测量植被覆盖度，并划分功能群（乔木、灌木、一年生/多年生草本）。所有样本经干燥、研磨后使用LECO Truspec CN分析仪测定碳浓度。统计采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey事后检验比较处理间碳储量变化，并用线性混合效应模型（以站点为随机效应）分析旱雀麦覆盖度变化与土壤碳变化的相关性。

**研究结果**
**Ecosystem carbon inventory（生态系统碳库存）**
林地网络总碳储量为201.5 ± 14.17 Mg ha^?1，灌丛地网络为131.9 ± 11.0 Mg ha^?1（均值±标准误）。SIC是最大碳库（林地108.7 Mg ha^?1，灌丛地81.4 Mg ha^?1），其次为SOC（林地67.8 Mg ha^?1，灌丛地42.1 Mg ha^?1），两者合计占生态系统碳的~90%。活树和灌木碳储量较少，草本碳储量最小。

**Treatment effects on woodland carbon（燃料处理对林地碳的影响）**
处理类型显著影响活树、火烧木、树木凋落物、灌木、一年生草本、多年生草本、死草本和CWD碳储量变化（ANOVA，p < 0.05）。计划火烧和砍伐丢弃分别使活树碳减少86.8%–96.7%，树木凋落物碳减少92.3%–95.6%；计划火烧使一年生草本碳增加七倍，砍伐丢弃使灌木碳增加88.7%、CWD碳增加4.3倍。多年生草本碳在两种处理中均显著增加（146%–169%）。SOC和SIC变化不受处理类型影响。

**Treatment effects on shrubland carbon（燃料处理对灌丛地碳的影响）**
仅灌木碳储量变化受处理类型显著影响（F_3,20 = 5.23, p = 0.01）。计划火烧使灌木碳减少65.8%，割草和除草剂分别减少46.2%和37.2%，但仅计划火烧与对照差异显著（Cohen's d = ?2.47）。其他碳库（包括草本、CWD、土壤碳）变化在处理间无显著差异。

**Annual grass cover change and soil carbon（一年生禾草覆盖度变化与土壤碳）**
在林地网络中，旱雀麦覆盖度变化与浅层（0–30 cm）SOC变化无显著相关（p = 0.56），但与深层（30–90 cm）SOC显著负相关（p = 0.03, R2 = 0.17），每增加10%旱雀麦覆盖度，深层SOC平均减少4.6 Mg C ha^?1。SIC变化与旱雀麦覆盖度无显著相关。在灌丛地网络中，旱雀麦覆盖度变化与深层SIC显著负相关（p = 0.05, R2 = 0.76），每增加10%旱雀麦覆盖度，深层SIC平均减少4.4 Mg C ha^?1；SOC变化无显著相关。

**讨论与结论**
讨论部分指出，燃料处理直接改变地上碳库（如减少活树、增加CWD），而土壤碳（SOC和SIC）在10年内对处理具有抵抗性，这与假设一致。但旱雀麦入侵导致的土壤碳损失（尤其是深层SOC和SIC）可能抵消燃料处理的潜在碳效益，且这种损失在更大空间尺度上普遍存在。研究强调，燃料处理对地上碳的影响显著，但地下碳（占干旱区生态系统碳的~90%）更易受入侵影响，而非直接处理。因此，限制一年生禾草入侵对于保护土壤碳安全至关重要。研究结论翻译如下：土地管理者已经追求的目标——例如防止大型野火、减少一年生禾草扩散、增加多年生草本覆盖——可能对山艾树生态系统碳储存与安全产生长期积极影响。燃料处理在有助于实现这些更广泛的生态管理目标时，可能对碳恢复力有益。然而，计划火烧相比机械处理导致更大的地上碳减少（从而降低燃料负荷）和更多的一年生草本碳增加（从而加剧旱雀麦入侵），表明处理类型间存在权衡，需根据主要管理目标进行权衡。尽管地上碳储量可受燃料处理直接影响，但地下碳储量的影响可能更为微妙，导致燃料处理效应被区域性的旱雀麦入侵所掩盖。在仅10年内，旱雀麦入侵导致深层SOC或SIC的损失（这些碳库需数十年至数千年积累），对生态系统功能和气候缓解具有深远影响。因此，限制一年生禾草入侵可能是未来保护土壤碳安全的额外收益。