科學(xué)通報(bào) | 浙江大學(xué)徐建明教授團(tuán)隊(duì)綜述植被火災(zāi)驅(qū)動(dòng)土壤碳-氮-磷循環(huán)及其耦合關(guān)系的研究進(jìn)展

近日，浙江大學(xué)徐建明教授團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表了題為“植被火災(zāi)驅(qū)動(dòng)土壤碳-氮-磷循環(huán)及其耦合關(guān)系的研究進(jìn)展”的綜述文章，系統(tǒng)總結(jié)了植被火災(zāi)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響，重點(diǎn)關(guān)注生物地球化學(xué)循環(huán)過程，如火災(zāi)后碳循環(huán)的動(dòng)態(tài)平衡、氮循環(huán)的轉(zhuǎn)化與損失、磷循環(huán)的有效性調(diào)控，以及碳-氮-磷循環(huán)耦合關(guān)系的演變等，希望為全球變暖背景下的火災(zāi)生態(tài)管理策略制定和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

自 4.2億年前的志留紀(jì)以來，野火便已成為陸地生態(tài)系統(tǒng)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(tài)重置者”的復(fù)雜角色。全球每年約有410萬平方公里的植被生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)歷火的洗禮，這相當(dāng)于全球植被面積的3%。火能直接燃燒植被與有機(jī)質(zhì)，瞬間改變?cè)胤植迹瑢⑻己偷尫胖链髿猓鴮⒘赘嗟亓舸嬗谕寥馈Ｉ鷳B(tài)學(xué)家認(rèn)為，一個(gè)穩(wěn)定健康的生態(tài)系統(tǒng)，其各個(gè)組成部分（土壤、微生物、動(dòng)植物）必須緊密耦合、協(xié)同運(yùn)作。火災(zāi)的介入，恰恰會(huì)劇烈改變植物與土壤之間的化學(xué)計(jì)量平衡，這種元素失衡如同一石激起千層浪，進(jìn)一步影響群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性和元素循環(huán)，最終挑戰(zhàn)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的功能與穩(wěn)定。本文旨在系統(tǒng)闡述森林火災(zāi)如何通過擾動(dòng)土壤-植物-微生物這一核心互作系統(tǒng)，深刻影響碳、氮、磷三大關(guān)鍵生命元素的生物地球化學(xué)循環(huán)，揭示其從“協(xié)同耦合”到“解耦失衡”的內(nèi)在機(jī)制，并展望在全球變暖背景下，如何利用這些科學(xué)認(rèn)知來指導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與可持續(xù)管理。

1.碳循環(huán)：損失與封存的動(dòng)態(tài)博弈

植被火災(zāi)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(zāi)對(duì)土壤碳庫(kù)的長(zhǎng)期影響更為復(fù)雜。火災(zāi)后，植被演替導(dǎo)致土壤碳輸入由“高碳氮比”轉(zhuǎn)向“低碳氮比”，土壤微生物群落也隨之從“真菌主導(dǎo)”的慢循環(huán)轉(zhuǎn)向“細(xì)菌主導(dǎo)”的快循環(huán)，短期內(nèi)加劇碳礦化。但火災(zāi)也通過生成性質(zhì)穩(wěn)定的“熱成炭”而形成長(zhǎng)效碳匯，其碳滯留時(shí)間可達(dá)千年，部分抵消碳排放。此外，火災(zāi)通過改變有機(jī)質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、破壞土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)、影響礦物吸附能力等途徑，深刻影響著土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定性。

2.氮循環(huán)：加速釋放與流失風(fēng)險(xiǎn)

氮是生命的關(guān)鍵限制元素。火災(zāi)通過熱揮發(fā)造成氮素大量損失，但同時(shí)也將部分有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為更易被利用的無機(jī)氮，導(dǎo)致火災(zāi)后土壤氮有效性短期內(nèi)激增。這種“氮肥”效應(yīng)可促進(jìn)先鋒植物生長(zhǎng)，但也埋下隱患。火災(zāi)后微生物過程傾向于加速產(chǎn)生無機(jī)氮，卻削弱了生態(tài)系統(tǒng)氮素固持能力，使得氮素極易通過淋溶和徑流等方式進(jìn)入水體，或通過反硝化以氣態(tài)形式逸失，造成持續(xù)的氮損失，威脅生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。

3.磷循環(huán)：有效性的提升與固持

與碳、氮不同，磷不易揮發(fā)，火災(zāi)后大多留存于土壤。火災(zāi)通過熱礦化作用，能將土壤中的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為植物更易吸收的無機(jī)形態(tài)，顯著提升磷的生物有效性，從而緩解老齡生態(tài)系統(tǒng)的磷限制。然而，火災(zāi)的強(qiáng)度至關(guān)重要，中低強(qiáng)度火災(zāi)有益于磷活化，而過高的溫度則可能促進(jìn)鐵、鋁氧化物等對(duì)磷的固持。火災(zāi)對(duì)磷循環(huán)的調(diào)控，是影響火后生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力恢復(fù)的關(guān)鍵一環(huán)。

4.核心奧秘：元素循環(huán)的“耦合”與“解耦”

火災(zāi)對(duì)土壤碳、氮、磷循環(huán)耦合關(guān)系的影響具有顯著的時(shí)序動(dòng)態(tài)規(guī)律。火災(zāi)后初期（數(shù)月至數(shù)年），生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入演替動(dòng)蕩期，劇烈的環(huán)境變化導(dǎo)致碳、氮、磷循環(huán)之間出現(xiàn)“解耦”現(xiàn)象。這主要是由于高溫改變了土壤資源格局，有機(jī)養(yǎng)分快速礦化為無機(jī)形態(tài)，削弱了微生物間的互養(yǎng)合作關(guān)系；同時(shí)微生物豐度下降，進(jìn)一步降低了各類功能微生物之間協(xié)作的可能性。隨著生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入恢復(fù)階段（數(shù)十年至百年），木本植物回歸與真菌群落重建，凋落物轉(zhuǎn)向難分解的木質(zhì)化組分，逐步恢復(fù)以菌根網(wǎng)絡(luò)為核心的“慢循環(huán)”耦合路徑。在整個(gè)火災(zāi)演替過程中，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性需依賴于各組分間的緊密耦合，因此養(yǎng)分循環(huán)的“解耦”程度可作為未來異常火災(zāi)事件引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)退化的早期預(yù)警指標(biāo)。

面對(duì)氣候變化下出現(xiàn)更頻繁、更劇烈的火災(zāi)，未來的研究需要融合分子生態(tài)學(xué)、生物地球化學(xué)與景觀模型等多學(xué)科手段，深入揭示不同火災(zāi)模式下元素循環(huán)的響應(yīng)與恢復(fù)軌跡。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)發(fā)展基于元素耦合關(guān)系的科學(xué)管理策略，例如，將“耦合指數(shù)”納入生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估體系，因地制宜地制定計(jì)劃火燒方案，在氮限制區(qū)域避免過度燃燒導(dǎo)致氮庫(kù)崩潰，在磷限制區(qū)域關(guān)注火后磷的淋溶風(fēng)險(xiǎn)。最終目標(biāo)是通過科學(xué)干預(yù)，維系或促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)的平衡，提升生態(tài)系統(tǒng)抵御火災(zāi)干擾并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)恢復(fù)的能力，為應(yīng)對(duì)全球變化提供堅(jiān)實(shí)的科技支撐。

浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院徐建明教授為本文的通訊作者，沈浩杰博士（2025屆畢業(yè)生）為本文的第一作者。相關(guān)研究得到國(guó)家研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2024YFD1501801）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（226-2025-00004 ）的資助。

圖1植被火災(zāi)解耦土壤碳?氮? 磷循環(huán)的概況圖

文章信息

沈浩杰，徐建明. 植被火災(zāi)驅(qū)動(dòng)土壤碳-氮-磷循環(huán)及其耦合關(guān)系的研究進(jìn)展 . 科學(xué)通報(bào), 2025.

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

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