科學通報 | 浙江大學徐建明教授團隊綜述植被火災驅動土壤碳-氮-磷循環及其耦合關系的研究進展

近日，浙江大學徐建明教授團隊在《科學通報》發表了題為“植被火災驅動土壤碳-氮-磷循環及其耦合關系的研究進展”的綜述文章，系統總結了植被火災對陸地生態系統的影響，重點關注生物地球化學循環過程，如火災后碳循環的動態平衡、氮循環的轉化與損失、磷循環的有效性調控，以及碳-氮-磷循環耦合關系的演變等，希望為全球變暖背景下的火災生態管理策略制定和生態系統可持續發展提供理論依據。

自 4.2億年前的志留紀以來，野火便已成為陸地生態系統中一股不可忽視的塑造性力量。它并非僅僅是毀滅者，更扮演著“生態重置者”的復雜角色。全球每年約有410萬平方公里的植被生態系統經歷火的洗禮，這相當于全球植被面積的3%。火能直接燃燒植被與有機質，瞬間改變元素分布，將碳和氮釋放至大氣，而將磷更多地留存于土壤。生態學家認為，一個穩定健康的生態系統，其各個組成部分（土壤、微生物、動植物）必須緊密耦合、協同運作。火災的介入，恰恰會劇烈改變植物與土壤之間的化學計量平衡，這種元素失衡如同一石激起千層浪，進一步影響群落結構、生物多樣性和元素循環，最終挑戰整個生態系統的功能與穩定。本文旨在系統闡述森林火災如何通過擾動土壤-植物-微生物這一核心互作系統，深刻影響碳、氮、磷三大關鍵生命元素的生物地球化學循環，揭示其從“協同耦合”到“解耦失衡”的內在機制，并展望在全球變暖背景下，如何利用這些科學認知來指導生態系統恢復與可持續管理。

1.碳循環：損失與封存的動態博弈

植被火災是大氣二氧化碳的重要來源，每年通過燃燒直接釋放約2.2 Pg C，超過全球化石燃料碳排放的五分之一。然而，火災對土壤碳庫的長期影響更為復雜。火災后，植被演替導致土壤碳輸入由“高碳氮比”轉向“低碳氮比”，土壤微生物群落也隨之從“真菌主導”的慢循環轉向“細菌主導”的快循環，短期內加劇碳礦化。但火災也通過生成性質穩定的“熱成炭”而形成長效碳匯，其碳滯留時間可達千年，部分抵消碳排放。此外，火災通過改變有機質分子結構、破壞土壤團聚結構、影響礦物吸附能力等途徑，深刻影響著土壤有機碳庫的穩定性。

2.氮循環：加速釋放與流失風險

氮是生命的關鍵限制元素。火災通過熱揮發造成氮素大量損失，但同時也將部分有機氮轉化為更易被利用的無機氮，導致火災后土壤氮有效性短期內激增。這種“氮肥”效應可促進先鋒植物生長，但也埋下隱患。火災后微生物過程傾向于加速產生無機氮，卻削弱了生態系統氮素固持能力，使得氮素極易通過淋溶和徑流等方式進入水體，或通過反硝化以氣態形式逸失，造成持續的氮損失，威脅生態系統恢復。

3.磷循環：有效性的提升與固持

與碳、氮不同，磷不易揮發，火災后大多留存于土壤。火災通過熱礦化作用，能將土壤中的有機磷轉化為植物更易吸收的無機形態，顯著提升磷的生物有效性，從而緩解老齡生態系統的磷限制。然而，火災的強度至關重要，中低強度火災有益于磷活化，而過高的溫度則可能促進鐵、鋁氧化物等對磷的固持。火災對磷循環的調控，是影響火后生態系統生產力恢復的關鍵一環。

4.核心奧秘：元素循環的“耦合”與“解耦”

火災對土壤碳、氮、磷循環耦合關系的影響具有顯著的時序動態規律。火災后初期（數月至數年），生態系統進入演替動蕩期，劇烈的環境變化導致碳、氮、磷循環之間出現“解耦”現象。這主要是由于高溫改變了土壤資源格局，有機養分快速礦化為無機形態，削弱了微生物間的互養合作關系；同時微生物豐度下降，進一步降低了各類功能微生物之間協作的可能性。隨著生態系統進入恢復階段（數十年至百年），木本植物回歸與真菌群落重建，凋落物轉向難分解的木質化組分，逐步恢復以菌根網絡為核心的“慢循環”耦合路徑。在整個火災演替過程中，生態系統的穩定性需依賴于各組分間的緊密耦合，因此養分循環的“解耦”程度可作為未來異常火災事件引發生態系統退化的早期預警指標。

面對氣候變化下出現更頻繁、更劇烈的火災，未來的研究需要融合分子生態學、生物地球化學與景觀模型等多學科手段，深入揭示不同火災模式下元素循環的響應與恢復軌跡。在此基礎上，應發展基于元素耦合關系的科學管理策略，例如，將“耦合指數”納入生態系統評估體系，因地制宜地制定計劃火燒方案，在氮限制區域避免過度燃燒導致氮庫崩潰，在磷限制區域關注火后磷的淋溶風險。最終目標是通過科學干預，維系或促進養分循環的平衡，提升生態系統抵御火災干擾并實現可持續恢復的能力，為應對全球變化提供堅實的科技支撐。

浙江大學環境與資源學院徐建明教授為本文的通訊作者，沈浩杰博士（2025屆畢業生）為本文的第一作者。相關研究得到國家研發計劃項目（2024YFD1501801）、中央高校基本科研業務費專項資金資助（226-2025-00004 ）的資助。

圖1植被火災解耦土壤碳?氮? 磷循環的概況圖

文章信息

沈浩杰，徐建明. 植被火災驅動土壤碳-氮-磷循環及其耦合關系的研究進展 . 科學通報, 2025.

https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2025-5469.

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