《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：The Effects of the Fire–Grazing Sequence in Mediterranean Soil Ecosystems: A Scoping Review
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摘要
地中海生态系统正日益受到野火频率和强度不断上升的影响，这要求采取前瞻性的管理策略，例如放牧或计划烧除（prescribed burns），以控制火后生物量。尽管已有大量文献探讨了这两种干扰的单独效应，但其对土壤性质的组合及序列效应仍知之甚少且存在高度异
摘要
地中海生态系统正日益受到野火频率和强度不断上升的影响，这要求采取前瞻性的管理策略，例如放牧或计划烧除（prescribed burns），以控制火后生物量。尽管已有大量文献探讨了这两种干扰的单独效应，但其对土壤性质的组合及序列效应仍知之甚少且存在高度异质性。这凸显了综合现有关于火–放牧相互作用证据并识别相关知识空白的必要性。本研究旨在绘制并综合火与放牧对地中海生态系统土壤性质及相关生态系统功能影响的证据，同时旨在表征管理制度、识别研究空白，并为可持续土壤管理与保护策略提供信息。研究纳入了2005年至2025年间以英文发表的、聚焦于受火–放牧序列影响的地中海生态系统土壤的同行评审研究。同时考虑了评估土壤物理、化学或生物性质的定量与定性研究。研究人员在Scopus、Web of Science和Google Scholar中使用了与火、放牧、牲畜、地中海生态系统及土壤相关的布尔检索词，对2005–2025年期间进行了系统性检索。数据在试点测试后，采用标准化编码框架在ATLAS.ti中进行图表化提取。三位独立评审人员提取并一致确认了研究特征、土壤变量及火–放牧制度信息。共有十四项研究符合纳入标准，主要 conducted 在西班牙和以色列。证据显示，研究重点强烈偏向生物变量和短期响应，所报告的积极结果主要与植被和生物多样性相关。关于火–放牧实践的研究主要面向管理和保护目标，而土壤物理和化学性质的代表性仍然不足，这表明当前文献中存在实质性知识空白。火–放牧研究仍然零散且以生物学方法为主导，限制了对土壤过程的全面理解。尽管其具有管理潜力，但显然需要在不同地中海生态系统区域开展更多标准化、长期且多学科的研究，以支持具有韧性的生态系统管理。
地中海生态系统正日益受到野火频率和强度不断上升的影响，这要求采取前瞻性的管理策略，例如放牧或计划烧除，以控制火后生物量。尽管已有大量文献探讨了这两种干扰的单独效应，但其对土壤性质的组合及序列效应仍知之甚少且存在高度异质性。这凸显了综合现有关于火–放牧相互作用证据并识别相关知识空白的必要性。本研究旨在绘制并综合火与放牧对地中海生态系统土壤性质及相关生态系统功能影响的证据，同时旨在表征管理制度、识别研究空白，并为可持续土壤管理与保护策略提供信息。研究纳入了2005年至2025年间以英文发表的、聚焦于受火–放牧序列影响的地中海生态系统土壤的同行评审研究。同时考虑了评估土壤物理、化学或生物性质的定量与定性研究。研究人员在Scopus、Web of Science和Google Scholar中使用了与火、放牧、牲畜、地中海生态系统及土壤相关的布尔检索词，对2005–2025年期间进行了系统性检索。数据在试点测试后，采用标准化编码框架在ATLAS.ti中进行图表化提取。三位独立评审人员提取并一致确认了研究特征、土壤变量及火–放牧制度信息。共有十四项研究符合纳入标准，主要 conducted 在西班牙和以色列。证据显示，研究重点强烈偏向生物变量和短期响应，所报告的积极结果主要与植被和生物多样性相关。关于火–放牧实践的研究主要面向管理和保护目标，而土壤物理和化学性质的代表性仍然不足，这表明当前文献中存在实质性知识空白。火–放牧研究仍然零散且以生物学方法为主导，限制了对土壤过程的全面理解。尽管其具有管理潜力，但显然需要在不同地中海生态系统区域开展更多标准化、长期且多学科的研究，以支持具有韧性的生态系统管理。
1 引言
在地中海气候区，火已被确定为景观动态的关键驱动因素。然而，近几十年来，由于全球变化和农村弃耕，火灾频率和强度均显著增加，对土壤和植被产生了直接和间接的重大影响。为此，这些生态系统的管理实践主要侧重于预防，采用放牧、计划烧除、砍伐和清理等策略，以减少累积生物量，从而降低火势在森林、灌木丛、草地和景观镶嵌体中蔓延的风险。然而，这些实践的生态效用远不止于减少可燃物负荷。它们还作为多层面的保护工具，对维持生物多样性、防治荒漠化、促进土壤稳定和养分循环以及控制入侵物种至关重要。认识到这些传统景观管理和野火预防实践的价值，地中海气候区的国家制定了粗放放牧和计划烧除的战略计划。尽管存在这些区域和国家战略，但其应用、监测及对土壤性质报告的影响仍存在显著差异，关于火–放牧相互作用对土壤物理、化学和生物特性的长期影响也持续存在知识空白。本研究将火–放牧序列定义为一片受火影响的区域随后遭受放牧，或反之的时序演替；土壤性质定义为决定土壤功能的物理、化学和生物特性；地中海则定义为具有适应地中海气候（典型特征为炎热干燥的夏季和温和湿润的冬季）的植被生态系统。本范围综述基于土壤生态学和地中海生态系统管理的学科领域，借鉴了恢复力和土壤对干扰响应的理论概念。主要研究目标是确定火–放牧序列如何影响地中海生态系统的土壤性质，以及放牧和火灾制度的哪些特征调节了这些效应。本综述仅纳入2005年至2025年间以英文发表的同行评审文章，因其适合绘制现有证据、识别空白并系统综合异质性方法的研究结果。该综述旨在提供火–放牧相互作用对地中海土壤影响的综合概述，识别文献空白，并为环境规划和可持续管理提供见解。具体目标包括：识别所报告的土壤性质和生态系统功能；表征所应用的放牧和火灾制度；识别文献空白；以及为可持续生态系统管理和土壤保护策略提供证据。综述以基于人群–概念–情境（PCC）框架的研究问题为指导。
2 方法
本研究采用范围综述方法，遵循系统综述和荟萃分析首选报告条目（PRISMA）范围综述扩展版（PRISMA-ScR）指南，以识别和综合现有研究。该综述方案已在开放科学框架（OSF）中预先注册。研究纳入了2005年至2025年间以英文发表的、涉及地中海气候条件下火–放牧序列对土壤影响的同行评审文章，涵盖定性和定量研究。关注人群为遭受火灾和放牧活动影响的地中海型生态系统土壤，分析单元为评估火后和放牧后土壤响应的实地研究或实验。检索在Scopus、Web of Science和Google Scholar数据库中使用预定义布尔运算符进行，结合了与放牧、火灾、地中海生态系统和土壤相关的术语，包括牛、羊、山羊、马和驴等牲畜物种。
2.1 协议与注册
本范围综述的方案预先在开放科学框架（OSF）中注册，以确保透明度和可重复性。
2.2 资格标准
纳入标准为2005年至2025年间以英文发表的同行评审文章，涉及地中海气候条件下火–放牧序列对土壤的影响。纳入的研究涵盖定性和定量方法，包括实验性、准实验性和观察性设计。研究对象为遭受火灾和放牧活动影响的地中海型生态系统土壤。若标题中资格信息不明确，则由三位评审人员独立筛选全文，通过讨论解决分歧。
2.3 信息来源与检索策略
检索在Scopus、Web of Science和Google Scholar数据库中进行，使用布尔运算符结合放牧、火灾、地中海生态系统和土壤相关术语，以及牛、羊、山羊、马和驴等牲畜物种。检索字符串为：(“Grazing”) AND (“fire” OR “wildfire” OR “prescribed fire” OR “post-fire”) AND (“Mediterranean”) AND (“soil”) AND (“cattle” OR “livestock” OR “bovine” OR “caprine” OR “equine” OR “ovine” OR “horse*” OR “cow*” OR “sheep*” OR “goat*” OR “donkey*”)。检索于2025年12月16日进行，记录使用Mendeley软件管理。
2.4 研究选择/筛选
筛选过程包括标题和摘要评估以及全文审查。排除标准为：综述论文、书籍章节、未涉及放牧–火灾序列的研究、在地中海生态系统区域之外进行的研究、缺乏土壤物理、化学或生物性质信息的研究以及非英文研究。筛选轮次每周进行，使用Fleiss's kappa评估评审人员间的一致性。
2.5 数据图表化（提取）
数据使用ATLAS.ti软件提取，经过试点轮次标准化编码标准。提取的数据包括研究地点、土地利用和土地覆盖（LULC）系统、管理目标、测量变量、放牧制度、火–放牧时期、火灾制度和火灾类型、土壤分类、研究方向和结果。
2.5.1 研究地点
记录了每项研究报告的国家、地点或地理坐标。
2.5.2 土地利用和土地覆盖系统
土地利用和土地覆盖分类依据每项研究提供的信息，必要时使用Esri图层作为辅助来源。研究被分为五类：草地、灌木地、森林、森林/灌木地和景观镶嵌体。
2.5.3 管理目标
管理目标依据生态系统服务通用国际分类（CICES）V5.2进行分类，并增加了荒漠化防治、生物多样性和栖息地保护、入侵植物物种控制、文化服务和供给服务等类别。
2.5.4 测量变量
提取了所有报告的测量值，并根据学科和与生态系统功能的关系进行分类。生物变量包括丰富度-优势度、蚂蚁、蜜蜂、生物活动、生物量、群落组成、植被损害、多样性、脱氧核糖核酸（DNA）、萌发、生长、花序数量、种子数量、植物体积、种子大小、物种丰富度、存活率、植被绘图和植被结构。物理变量包括海拔、坡向、平均坡度、松树间距、田间持水量、土壤质地、光照有效性、土壤湿度、温度、土壤斥水性（SWR）和土壤团聚体稳定性（SAS）。化学变量包括碳酸盐含量（CaCO
3）、碳氮比（C:N）、碳（总碳、有机碳和无机碳）、氮（总氮、有机氮和无机氮）、电导率（EC）、pH值、有机质（OM）、磷（P）和主要阳离子。
2.5.5 放牧制度
放牧处理的表征基于放牧季节、放牧强度和放牧物种三个主要因素。放牧季节分为夏季、秋季、冬季、春季或未报告；放牧强度分为粗放、中等、集约或未报告；放牧物种包括牛、驴、山羊、马和绵羊。
2.5.6 火–放牧时期
记录了最近两次干扰之间的时间间隔，并分为短期（<5年）、中期（5-20年）和长期（>20年或历史性）三类。
2.5.7 火灾制度和火灾类型
依据研究报告的信息，将火灾类型分为野火、计划烧除和牧场用火。同时记录了火灾强度（高、中、低或不可用）和火灾发生的季节。
2.5.8 土壤分类
依据研究报告的分类系统进行提取，包括美国农业部（USDA）土壤分类学、世界土壤资源参考基础（WRB）或联合国粮食及农业组织（FAO）遗留系统。若未指定正式分类系统，则归类为“其他”或标记为“NA”。
2.5.9 研究方向
根据文章标题推断研究方向，分为土壤生物学、土壤物理学或土壤化学三个主要学科。
2.5.10 结果
根据研究中确定的干扰和管理目标对结果进行分类，依据作者对火和放牧效应的描述，将效应分为积极、中性或消极三类。
2.6 结果综合与呈现
结果采用多方法方法进行综合，结合描述性统计、网络分析和先进可视化技术。
2.6.1 数据分类与共现分析
从ATLAS.ti导出构建二元存在-不存在矩阵，使用R软件进行共现计算。
2.6.2 网络综合与社区检测
使用无向加权网络表示主题结构，采用Louvain模块度优化算法识别文献社区结构，使用中介中心性评估节点重要性。
2.6.3 统计验证与视觉呈现
使用2×2列联表评估代码链接的统计显著性，应用Pearson卡方检验或Fisher精确检验，并使用Benjamini-Hochberg错误发现率（FDR）程序调整p值。
3 结果
3.1 证据来源的选择
初步检索获得274篇文献。经过多阶段筛选，共有14篇文章符合最终纳入标准。三位独立评审人员进行了筛选，Fleiss's kappa系数为0.67，表明具有实质性一致性。在标题和摘要筛选中，主要因文献类型被排除，包括既往综述和灰色文献。在全文资格评估中，最常见的排除原因是缺乏对火–放牧序列的明确关注。
3.2 证据来源的特征与结果
对14项研究的特征和主要发现进行了总结。文献识别出对放牧和火灾制度之间相互作用的特定关注，大多数研究报告了所应用处理的积极结果。然而，在土壤性质和功能的评估方面存在显著空白。生物变量如植被覆盖和生物多样性频繁被报告，但土壤物理和化学变量的代表性不足。
3.3 图谱证据的综合
3.3.1 地点分布图
火–放牧序列研究主要集中在西班牙（n=5）和以色列（n=4）。其他研究在澳大利亚（n=2）、法国、葡萄牙和美国（各n=1）进行。该分布显示了研究在伊比利亚半岛和黎凡特地区的明显集中，其他地中海气候区如加利福尼亚和澳大利亚南部的贡献较少。
3.3.2 模式解释与主题关联
词频分析显示，最普遍的术语为火（n=1,324）、土壤（n=882）和放牧（n=850），其次为植被（n=566）和物种（n=510）。术语“管理”（n=433）、“森林”（n=386）和“地中海”（n=384）的高频出现强化了这些研究的应用性质。代码共现热图确定了文献中最稳健的结构关联，最高交互频率集中在生物导向研究、生物变量和积极结果的报告上。分析揭示了三个主要主题集群：理论与数据的一致性、积极管理结果的验证以及保护与短期动态。相反，热图揭示了土壤完整性理解方面的明显知识空白，化学和物理变量与研究导向或结果共现有限。共现网络识别出三个不同的社区：生物与干扰核心（橙色社区）、管理与保护集群（绿色社区）以及替代系统与供给集群（蓝色社区）。
4 讨论
4.1 证据总结
4.1.1 火的主要效应
综合研究表明，火在多个生态系统层面产生显著影响。在土壤层面，火诱导显著的地球化学变化，最显著的是土壤pH值的持续升高，主要由碱性灰分沉积和OM氧化驱动。在计划烧除和低至中等严重程度事件中，通常观察到养分有效性的短期脉冲，特别是磷（P）、钙（Ca）和镁（Mg）。相反，高严重程度野火会导致总碳（TC）和总氮（TN）的大量消耗。这些化学变化伴随着植被动态的深刻变化。火作为结构简化的暂时因素，移除了木本覆盖，为短命草地和先锋草本物种创造了“机会窗口”。然而，现有证据表明，在缺乏火后干预的情况下，灌木优势通常在五到十年内重新建立。在土壤微生物学方面，严重火灾干扰导致微生物生物量和基础呼吸的急剧下降，并显著改变群落组成，减少共生真菌和厌氧细菌的丰度，同时有利于好氧细菌和某些腐生真菌的增殖。最后，火通过复杂的热机制改变SWR来影响土壤物理和水文性质。中等强度火灾可通过将有机化合物蒸馏到更深土层来增加SWR，而高严重程度事件则倾向于通过破坏疏水化合物来降低斥水性。此外，植被覆盖的丧失使土壤在火后更容易遭受侵蚀和地表径流。
4.1.2 放牧的主要效应
牲畜在地中海环境中的作用不仅限于生物量移除。在植被控制和燃料减少方面，放牧动物特别是山羊已被证明是管理木本灌木和硬叶植被扩张的高效方法。适度山羊放牧大幅减少灌木植物体积，同时增加裸地斑块，使整体可燃性降低22%，并降低火灾风险，同时完全保持这些地中海生态系统中的植物物种丰富度。放牧的影响超越结构控制，影响植物和动物群落的生物多样性。优势竞争性灌木的抑制创造了空隙，从而增强了草本物种丰富度和花卉多样性。花资源的增加和裸露、紧实土壤区域的形成，为传粉者群落提供了显著益处，特别是野生蜜蜂的丰度和多样性显著增加。在土壤化学和养分循环方面，牲畜通过排泄物沉积充当自然施肥剂，将有效氮和磷纳入土壤剖面并缩小C:N比。然而，放牧强度至关重要，长期高强度放牧可导致土壤有机碳的局部耗竭和土壤pH值的下降。此外，牲畜放牧通过多样化OM输入和促进与草地样演替阶段相关的类群来增强微生物α多样性。然而，这些益处取决于维持适度的放牧压力，过高的放养率会阻碍植被再生，消除保护性植被覆盖，并导致土壤压实和加速侵蚀。
4.1.3 火–放牧相互作用的综合效应
火和放牧的联合效应源于其互补的功能角色：火提供密集木本生物量的初步减少，而随后的放牧施加持续控制，限制灌木再入侵。这种相互作用促进了更具韧性和生产力的生态系统，因为单独使用任何一种工具都无法长期有效管理入侵性或易燃性灌木。当火消除成熟灌木结构时，序列过程出现，打开冠层并触发幼嫩、柔嫩萌发枝的生长，这些萌发枝对牲畜特别是山羊具有高度适口性和可及性。在坎塔布连山脉，这种综合管理方法在四年后将灌木存活率降至9%，有效中断燃料连续性并减轻野火蔓延。此外，火与放牧之间的相互作用已被证明可加速养分循环而不会引起长期土壤退化。长期证据（13-17年）表明，综合火–放牧管理可维持最佳肥力水平，同时增强生态系统韧性。因此，与未管理的林分相比，放牧土壤在火后保持更高的碳和氮含量，微生物群落保持更大的多样性。这种相互作用还通过消除竞争性灌木层和凋落物后创造“机会窗口”或安全萌发位点来促进草本多样性。然而，这些协同效应并非在所有生物群中一致。在蚂蚁群落中，虽然火已被证明可通过增加草本覆盖来改变物种丰度，但低强度放牧在短期至中期内未显示出可检测的联合效应。总体而言，火–放牧序列 emerged 作为促进地中海型生态系统景观镶嵌体和保护生物多样性的稳健策略。
4.2 局限性
现有文献中存在若干显著局限性。首先，明确将火–放牧序列作为完全整合过程进行研究的文献明显稀缺，这种碎片化限制了对这两种干扰之间时间和组合相互作用的理解。其次，研究在地理上高度集中，特别是在西班牙和以色列，限制了发现的更广泛代表性。环境背景的报告在各研究间存在差异，气候信息在100%的研究中报告，而降水、海拔、成土母质和坡度分别仅在86%、79%、57%和50%的研究中报告。此外，64%的研究关注地上响应，仅36%涉及地下过程。火后观测期的异质性也构成显著局限性，物理性质表现出最快的稳定化，其次是化学性质，而生物响应则趋于更大的敏感性和更长的恢复轨迹。另一个局限是土壤性质和功能的跨学科整合明显缺失，仅有三篇文章同时纳入生物、化学和物理变量。
5 结论
本范围综述描绘了地中海生态系统中火–放牧相互作用研究的主流趋势和关键知识空白。综合分析识别出三个主要的概念核心：以土壤生物性质为中心、以生物多样性保护和计划烧除为中心以及以其他土壤特征为中心。结果揭示了以生物变量为主导的研究重点，往往以土壤物理化学性质的综合研究为代价。地理上，欧洲研究的优势和其他地中海地区研究的相对稀缺限制了知识的广泛可转移性。从应用角度来看，研究结果强调了将计划烧除和定向放牧相结合作为地中海景观管理战略工具的有效性，特别是关于燃料减少和生物多样性保护。然而，结果的高度变异性强调了采取适应性、地点特定管理方法的必要性。未来研究应努力从单维度评估转向能够同时评估土壤健康物理、化学和生物指标的更综合监测框架。
