科学通报 | 浙江大学徐建明教授团队综述植被火灾驱动土壤碳-氮-磷循环及其耦合关系的研究进展|地球化学|徐建明|微生物|浙江大学|火灾

近日，浙江大学徐建明教授团队在《科学通报》发表了题为“植被火灾驱动土壤碳-氮-磷循环及其耦合关系的研究进展”的综述文章，系统总结了植被火灾对陆地生态系统的影响，重点关注生物地球化学循环过程，如火灾后碳循环的动态平衡、氮循环的转化与损失、磷循环的有效性调控，以及碳-氮-磷循环耦合关系的演变等，希望为全球变暖背景下的火灾生态管理策略制定和生态系统可持续发展提供理论依据。

自 4.2亿年前的志留纪以来，野火便已成为陆地生态系统中一股不可忽视的塑造性力量。它并非仅仅是毁灭者，更扮演着“生态重置者”的复杂角色。全球每年约有410万平方公里的植被生态系统经历火的洗礼，这相当于全球植被面积的3%。火能直接燃烧植被与有机质，瞬间改变元素分布，将碳和氮释放至大气，而将磷更多地留存于土壤。生态学家认为，一个稳定健康的生态系统，其各个组成部分（土壤、微生物、动植物）必须紧密耦合、协同运作。火灾的介入，恰恰会剧烈改变植物与土壤之间的化学计量平衡，这种元素失衡如同一石激起千层浪，进一步影响群落结构、生物多样性和元素循环，最终挑战整个生态系统的功能与稳定。本文旨在系统阐述森林火灾如何通过扰动土壤-植物-微生物这一核心互作系统，深刻影响碳、氮、磷三大关键生命元素的生物地球化学循环，揭示其从“协同耦合”到“解耦失衡”的内在机制，并展望在全球变暖背景下，如何利用这些科学认知来指导生态系统恢复与可持续管理。

1.碳循环：损失与封存的动态博弈

植被火灾是大气二氧化碳的重要来源，每年通过燃烧直接释放约2.2 Pg C，超过全球化石燃料碳排放的五分之一。然而，火灾对土壤碳库的长期影响更为复杂。火灾后，植被演替导致土壤碳输入由“高碳氮比”转向“低碳氮比”，土壤微生物群落也随之从“真菌主导”的慢循环转向“细菌主导”的快循环，短期内加剧碳矿化。但火灾也通过生成性质稳定的“热成炭”而形成长效碳汇，其碳滞留时间可达千年，部分抵消碳排放。此外，火灾通过改变有机质分子结构、破坏土壤团聚结构、影响矿物吸附能力等途径，深刻影响着土壤有机碳库的稳定性。

2.氮循环：加速释放与流失风险

氮是生命的关键限制元素。火灾通过热挥发造成氮素大量损失，但同时也将部分有机氮转化为更易被利用的无机氮，导致火灾后土壤氮有效性短期内激增。这种“氮肥”效应可促进先锋植物生长，但也埋下隐患。火灾后微生物过程倾向于加速产生无机氮，却削弱了生态系统氮素固持能力，使得氮素极易通过淋溶和径流等方式进入水体，或通过反硝化以气态形式逸失，造成持续的氮损失，威胁生态系统恢复。

3.磷循环：有效性的提升与固持

与碳、氮不同，磷不易挥发，火灾后大多留存于土壤。火灾通过热矿化作用，能将土壤中的有机磷转化为植物更易吸收的无机形态，显著提升磷的生物有效性，从而缓解老龄生态系统的磷限制。然而，火灾的强度至关重要，中低强度火灾有益于磷活化，而过高的温度则可能促进铁、铝氧化物等对磷的固持。火灾对磷循环的调控，是影响火后生态系统生产力恢复的关键一环。

4.核心奥秘：元素循环的“耦合”与“解耦”

火灾对土壤碳、氮、磷循环耦合关系的影响具有显著的时序动态规律。火灾后初期（数月至数年），生态系统进入演替动荡期，剧烈的环境变化导致碳、氮、磷循环之间出现“解耦”现象。这主要是由于高温改变了土壤资源格局，有机养分快速矿化为无机形态，削弱了微生物间的互养合作关系；同时微生物丰度下降，进一步降低了各类功能微生物之间协作的可能性。随着生态系统进入恢复阶段（数十年至百年），木本植物回归与真菌群落重建，凋落物转向难分解的木质化组分，逐步恢复以菌根网络为核心的“慢循环”耦合路径。在整个火灾演替过程中，生态系统的稳定性需依赖于各组分间的紧密耦合，因此养分循环的“解耦”程度可作为未来异常火灾事件引发生态系统退化的早期预警指标。

面对气候变化下出现更频繁、更剧烈的火灾，未来的研究需要融合分子生态学、生物地球化学与景观模型等多学科手段，深入揭示不同火灾模式下元素循环的响应与恢复轨迹。在此基础上，应发展基于元素耦合关系的科学管理策略，例如，将“耦合指数”纳入生态系统评估体系，因地制宜地制定计划火烧方案，在氮限制区域避免过度燃烧导致氮库崩溃，在磷限制区域关注火后磷的淋溶风险。最终目标是通过科学干预，维系或促进养分循环的平衡，提升生态系统抵御火灾干扰并实现可持续恢复的能力，为应对全球变化提供坚实的科技支撑。

浙江大学环境与资源学院徐建明教授为本文的通讯作者，沈浩杰博士（2025届毕业生）为本文的第一作者。相关研究得到国家研发计划项目（2024YFD1501801）、中央高校基本科研业务费专项资金资助（226-2025-00004 ）的资助。