地中海森林生态系统在六年火烧后时间序列中的表观土壤碳和氮储量

《Forests》：Apparent Soil Carbon and Nitrogen Stocks in the Mediterranean Forest Ecosystem over a Six-Year Post-Fire Chronosequence

　　

地中海生态系统特别容易遭受野火，因为夏季季节性干旱、高温和易燃植被有利于火灾的发生和蔓延。由于火烧后养分模式依赖于具体环境，这项观察性研究比较了在意大利维苏威国家公园（Vesuvius National Park）一场野火前后开展的采样活动中的土壤有机碳（SOC）和氮（N）储量及选定的理化性质。在火前（2015–2017年）和火后约22、46和70个月，对两种植被覆盖类型（灌木和树木）下的表层矿质土壤（0–10 cm）进行了采样。分析了土壤的pH、水分含量（WC）、有机碳浓度（C_org）、总氮浓度、容重、C_org:N比以及表观固定深度土壤有机碳（SOC）和氮（N）储量。土壤性质主要在不同采样时期之间变化，而植被类型与土壤性质的关联较为有限。短期采样活动的特征是pH最高，WC和总氮浓度最低，而总氮浓度和表观固定深度氮储量在长期采样活动中达到最高中位数。植被类型仅与WC和C_org:N比相关，这两个指标在树木下通常较高，且未检测到显著的采样时期×植被交互作用。C_org浓度和表观固定深度SOC储量在各采样时期之间没有显著差异。这些差异不能完全归因于野火或经过的时间，因为缺乏同期未燃烧对照，且采样时期、日历年份和空间变异性无法完全分离。尽管如此，研究结果显示了在评估地中海森林土壤火烧后状况时，联合监测元素浓度和土壤物理性质的价值。

论文解读：地中海森林火烧后六年表观土壤碳氮储量的变化

地中海生态系统因夏季干旱、高温和易燃植被而特别易受野火影响。火是影响许多陆地生态系统的生态因子，在地中海地区，周期性火驱动群落组成、植被结构和生物多样性的塑造。然而，大型森林火灾也构成严重问题，因为干旱季节与高温为火灾的发生和蔓延创造了理想条件，而夏季干旱后的暴雨可能导致大量土壤侵蚀，加剧土壤脆弱性和养分流失。火可以改变土壤的物理、化学和生物性质，包括pH、水分含量、微生物群落和土壤动物丰度与组成，其影响在土壤有机质（SOM）上尤为明显。加热和燃烧可改变SOM以及土壤有机碳（SOC）和氮（N）的浓度、化学形态、滞留和损失，进而影响微生物、动物和植物群落及陆地生态系统的质量和生产力。火对植被的影响也会通过改变有机输入的数量、质量和时间，间接影响土壤碳氮动态。然而，火烧后土壤碳氮响应的方向和幅度在不同生态系统、恢复时间和火情下存在显著差异，缺乏共识阻碍了制定明确的火后管理策略。因此，需要跨越多年的观测来区分短暂差异与持续模式，并为再造林、侵蚀控制和植物种选择等管理实践提供支持。在此背景下，研究人员在意大利维苏威国家公园开展了一项观察性研究，旨在比较火前及火后三个时间点的表层土壤理化性质差异，并检验植被类型（灌木和树木）是否与这些差异相关。论文发表在《Forests》。

研究人员于2015—2017年（火前）在9个样点采集表层矿质土壤（0–10 cm），并在2017年7月野火后约22个月（短期，2019年5月）、46个月（中期，2021年5月）和70个月（长期，2023年5月）分别采集11、12和12个样点的土壤。样点按植被覆盖类型分为灌木和树木两类，所有样点均位于维苏威国家公园内，火后样点选择在受高严重度火烧影响的区域。实验室测定了pH、水分含量（WC）、有机碳浓度（C_org）、总氮浓度、容重（BD）、C_org:N比以及表观固定深度SOC和N储量。该数据集包含44个样点-时期观测，对应27个物理样点，其中13个样点在多个时期重复采样。由于观测设计为部分重复，且火后无同期未燃烧对照，采样时期被作为分类变量处理，而非独立的因果度量。

主要技术方法包括：采用线性混合效应模型，将采样时期（火前、短期、中期、长期）、植被类型（灌木、树木）及其交互作用作为固定效应，物理样点作为随机截距，以考虑部分重复测量结构；对每个响应变量进行Box-Cox变换以满足模型假设；使用III型Wald卡方检验评估固定效应，并通过估计边际均值（EMM）进行配对比较，p值采用Holm法校正；此外，对pH、WC、C_org、总N和BD进行了主成分分析（PCA），以探索多变量模式。所有统计分析和图形均使用R 4.4.1完成。

结果部分的小标题为“Impact of Fire and Vegetation Cover on Soil Characteristics in Soil Before and After Fire in the Short, Medium and Long Term”。研究表明，未检测到显著的采样时期×植被交互作用。采样时期显著影响pH、WC、总N浓度和C_org:N比（所有p≤0.0011），对表观N储量有较弱影响（p=0.047）。具体而言，pH中位数从火前的6.78升至短期的7.30，随后降至中期的6.92和长期的6.70，短期值与其他所有时期显著不同。WC中位数从火前的22.3%降至短期的7.57%，再升至中期的15.1%和长期的30.0%，短期显著低于火前和长期。总N浓度从火前的0.37%降至短期的0.21%，随后升至中期的0.34%和长期的0.65%，长期显著高于火前和短期。C_org:N比中位数从火前的13.4和短期的13.8降至中期的7.29和长期的5.16，火前至中期、火前至长期以及短期至长期均显著下降。表观N储量从短期的1.78 Mg N ha^?1增至长期的4.19 Mg N ha^?1，差异显著。C_org浓度和表观SOC储量在各时期间无显著差异。植被类型仅显著影响WC和C_org:N比，树木下总体更高（WC：20.5% vs. 14.2%；C_org:N：13.3 vs. 9.13）。PCA前两个主成分解释了65.1%的总方差，PC1主要与WC、总N和C_org正相关，与pH和BD负相关；PC2主要与BD正相关。然而，不同采样时期和植被组合的置信椭圆大量重叠，表明这些土壤性质组合不能清晰区分各组。

讨论部分指出，采样时期是土壤变异的主要来源，而植被覆盖作用有限。C_org和表观SOC储量无显著差异，这与一些研究中火烧后土壤C响应有限或延迟的报道一致，但也与其他生态系统中持续损耗的发现形成对比。总N浓度在长期增加，符合火烧后N响应可能持续较长时间的观点，但与初始燃烧阶段的N挥发损失和短期无机N增加的模式