加拿大森林土壤：建立全国性长期样地网络以研究土壤碳持久性及土壤指标

《Canadian Journal of Soil Science》：Canada’s forest soils: the establishment of a nationwide network of long-term sites to examine soil carbon persistence and soil indicators

　　

近期围绕土壤健康、土壤退化及土壤安全的讨论提高了人们对加拿大森林及其土壤作为国家资产的认知。其中首要的是它们支撑木材生产的能力，但森林土壤还具有养分循环、水分储存与过滤、维持生物多样性等重要生态系统功能。有机碳被认为是森林土壤支撑这些生态系统服务能力的重要组成部分。尽管已有大尺度的森林土壤碳储量量化数据，但关于该碳库的表征与持久性仍存在认知空白。此外，尽管森林土壤意义重大，但目前对森林土壤基线状况缺乏了解，也缺乏评估土壤退化的通用指标。研究人员建立了一个由17个长期森林土壤研究样地组成的网络，覆盖全国范围内具有环境和经济效益的多样化森林区域，以填补上述认知空白。本文的目标是介绍该网络并展示其如何用于解决当前的研究课题。利用该网络及标准化采样设计，研究人员在成熟林和受干扰林分中收集了基线和土壤碳数据。借助这些数据，研究人员旨在更深入地理解土壤碳持久性，从而改进森林土壤碳动态模拟，并识别对土壤条件变化敏感的测量指标，用于土壤退化报告。这些长期研究样地中的许多样地此前已为我们认识森林和森林土壤提供了重要信息；通过重点介绍这些样地，研究人员旨在彰显其对森林研究的持续价值。

森林土壤作为全球碳循环的重要组分和多种生态系统服务的载体，其健康与可持续性日益受到关注。加拿大37%的国土为森林覆盖，其森林正面临采伐、野火、病虫害和气候变化等多尺度、多强度的干扰。然而，现有全国性土壤监测网络（如加拿大国家森林清查NFI）主要聚焦于生态系统碳储量的总量评估，缺乏对土壤碳组成和持久性的系统表征，也未建立用于评估土壤退化的通用指标体系。为填补这一资源空白，研究人员建立了一个覆盖加拿大东西海岸的全国性森林土壤研究网络，包含17个长期试验样地，涵盖代表性的土壤类型（如Luvisols、Brunisols和Podzols）和经济上重要的树种（如颤杨 Populus tremuloides、香脂冷杉 Abies balsamea、花旗松 Pseudotsuga menziesii、北美短叶松 Pinus banksiana、白云杉 Picea glauca、黑云杉 Picea mariana和红云杉 Picea rubens等）。每个样地包含一个成熟林分和至少一种在建网前15年以上发生的干扰类型（采伐、火烧或抢救性伐木）。该网络采用标准化野外采样方案和“一实验室一分析”策略，旨在量化土壤碳持久性、建立森林土壤基线条件、识别土壤退化指标，并促进森林土壤科学研究向气候政策的转化。研究发表在《Canadian Journal of Soil Science》。

研究人员在技术方法上采用了多项关键手段。样地布局覆盖不列颠哥伦比亚省（4个）、阿尔伯塔省（3个）、魁北克省（3个）、安大略省（2个），以及萨斯喀彻温省、马尼托巴省、新不伦瑞克省、新斯科舍省和纽芬兰与拉布拉多省各1个。野外采样采用标准化方案：每个干扰类型和未受干扰对照设置3个重复样方，样方中心间距至少50 m；采集森林凋落物层（FF）和矿质土壤（0–5、5–15、15–30及30+ cm深度）样品，用于物理化学和生物学分析，同时测定土壤容重（bulk density）。碳持久性评估整合了物理分组（ particulate organic matter [POM]与 mineral-associated organic matter [MAOM]的粒径分组）、化学分析（化学热氧化CTO-375法测定火成碳pyrogenic carbon [pyOC]、高锰酸盐氧化性碳POX-C）、生物测定（多温度长期培养实验评估矿化速率和温度敏感性），以及有机碳化学和同位素组成分析（固态¹³C核磁共振NMR、热解-气相色谱-质谱Py-GC-MS、同位素比质谱IRMS和放射性碳¹⁴C加速器质谱测年）。土壤生物多样性通过16S rDNA和ITS区域宏条形码测序以及磷脂脂肪酸（PLFA）和中性脂脂肪酸（NLFA）分析进行表征。基础理化指标包括质地、容重、pH、电导率、阳离子交换量和交换性阳离子等。

在具体研究结果方面，论文对各样地的历史研究贡献进行了梳理和整合：

关于Fairy Lake样地，研究回顾了早期对salal（Gaultheria shallon）在养分动态中作用的认识，证实了氮矿化速率与林下salal的存在比树种本身关系更密切，并揭示了外生菌根真菌是树木养分的重要途径。

Shawnigan样地被纳入多项大型研究网络，其中加拿大跨点分解实验（CIDET）证明了长期研究的必要性——后期分解速率与早期发表的初始速率不再匹配。

Barrière样地的研究表明，严重火烧和抢救性采伐后花旗松幼苗的生长和氮积累比皆伐后高出50%以上，但幼苗生长速率与根际外生菌根真菌群落多样性无关。

Robb样地的模拟山松甲虫袭击实验发现，干扰后短期（1年）内土壤Ca、Mg、P有效性增加，皆伐样地细菌磷脂脂肪酸浓度较高但真菌与细菌比值较低。

Kiskatinaw长期土壤生产力（LTSP）研究显示，20年后颤杨生长受压实和有机质去除双重负面影响，而白云杉生长仅受有机质去除影响。

EMEND（模拟自然干扰的生态系统管理）实验的大规模保留采伐研究观察到皆伐导致森林凋落物层芳香碳增加，总土壤碳下降且需超过15年才能恢复至干扰前水平。

Chisholm样地火烧和抢救性采伐后的研究记录了微生物生物量在火烧后下降超过50%、抢救性采伐部分缓解了这一下降，但10年后火烧样地微生物生物量已恢复并超过对照水平。

Candle Lake和Thompson样地的研究表明，北美短叶松矿质土壤中活性有机碳是主导碳库，而火烧干扰土壤中存在黑碳，且气候温暖的高纬度南部地区土壤碳储量较低。

Lake Nipigon样地的研究发现，火烧导致土壤碳氮储量下降而采伐导致增加，抢救性采伐呈现与火烧相似趋势但恢复更慢，有机碳稳定化机制主要由连多酚-金属络合物驱动。

Petawawa研究林的Cartier Lake样地实验表明，除草剂灌丛控制处理对土壤氮动态影响最为显著，长期来看，翻耕和除草处理降低了pH并减缓了有机质分解。

SAFE（生态系统经营与造林）样地建立在魁北克北部Great Clay Belt的粘质土壤上，用于评估不同采伐策略对混交林更新轨迹的影响。

Central Québec样地记录了2005–2007年大火后抢救性采伐导致的森林凋落物层碳浓度下降和矿质土壤碳氮增加现象，后者可能源于采伐作业的机械混合作用。

Montmorency样地的80年采伐时间序列研究揭示了粗木质残体和埋藏木是常被标准清查忽视的重要碳库，部分采伐比传统皆伐更有利于维持这些碳储量。

Acadia研究森林的长期监测数据为采伐后风倒风险和更新动态提供了基础。Abraham Lake样地研究表明，老龄林和近期受干扰林分的粗木质残体和土壤碳储量最高，而45年自然更新林的碳储量最低，碳浓度剖面和δ¹³C值提示采伐后深层土壤原有有机碳矿化增加。

Pynn's Brook样地的研究发现，采伐后2年内真菌和总微生物生物量下降，10年后采伐样地有机层年溶解有机碳损失比成熟林高30%，但季节性因素主导了采伐对溶解有机碳化学组成的影响。

在讨论部分，研究人员指出，大陆尺度网络对于理解森林土壤碳至关重要，因为土壤碳过程受与大尺度成土过程相同的环境梯度控制。欧洲国际协作计划（ICP）森林网络和美国国家生态观测站网络（NEON）已提供了标准化的碳组成和稳定性数据，但加拿大此前从未建立可比的全国性网络。本研究填补了这一空白。研究人员强调，虽然森林土壤储存了加拿大森林的大部分碳，但在联邦和省级气候承诺、行业法规和政策工具中的代表性仍然不足。该网络不仅产生科学证据，还致力于识别森林土壤碳科学影响政策的途径，包括明确研究吸收背景、审查现有政策中森林土壤的定位、寻找科学融入政策的具体切入点。研究人员指出，当研究与应用方共同产出、与政策周期同步、并明确解决结构性障碍时，证据对政策的影响最为有效。国际上，澳大利亚的国家土壤战略和欧盟的土壤监测法为将土壤纳入政策工具提供了范例。该网络的数据将包含来自17个样地的常规和新型土壤测量指标，通过共享的标准化方案和“一实验室一分析”策略，将有助于确定森林土壤条件的最佳指标、表征和量化土壤碳持久性。部分样本已归档保存以供未来研究使用，并欢迎新合作伙伴加入，共同推进森林土壤碳持久性的科学认知。

研究结论方面，该网络的建立为加拿大森林土壤研究提供了首个全国性的长期研究基础设施，其标准化采样和统一分析方法为比较不同生态系统和干扰条件下的土壤条件奠定了基础。通过整合物理、化学和生物学测量指标，该网络有望阐明森林土壤碳持久性的机制，识别对土壤退化敏感的指标，并为将森林土壤纳入国家气候政策和可持续管理决策提供科学支持。该网络不仅延续了各历史样地的长期研究价值，还为未来加拿大森林土壤监测和报告体系的发展提供了方法学框架和数据基础。