热带稀树草原土壤碳储库中火源碳的关键贡献与驱动机制

《Nature Communications》：Pyrogenic carbon contribution to tropical savanna soil carbon storage

本研究针对热带稀树草原生态系统中火源碳(PyC)对土壤有机碳(SOC)储量的贡献机制不明确的问题，通过系统采样分析揭示了PyC平均贡献率达14.08%且受土壤黏粒含量和降雨量的主导影响。研究人员在南非克鲁格国家公园253个样点开展大尺度调查，发现黏质土壤和低降雨条件更利于PyC保存，而草本生物量和火频率对积累影响相对较弱。该成果为理解火在碳循环中的双重角色提供了实证依据，对优化草原火管理策略具有重要指导意义。

　　

在全球气候变化背景下，火作为重要的生态过程既释放碳到大气中，也通过形成稳定的火源碳(Pyrogenic Carbon, PyC)促进碳固存。热带稀树草原作为易火生态系统，贡献了全球近70%的燃烧面积和超过80%的火源碳产量，但其土壤中PyC的积累机制尚不明确。以往研究多集中于北半球森林生态系统，且因分析方法不统一难以比较，导致对热带稀树草原PyC积累驱动因素的认识存在显著空白。

为填补这一知识空白，研究人员在南非克鲁格国家公园开展了大规模调查研究。该研究通过文献综述发现全球土壤PyC测量数据中热带稀树草原仅占6%，远低于其实际生态重要性。为此，研究团队系统采集了253个样点的表层土壤（0-5厘米），采用过氧化氢/弱硝酸消解法测定PyC含量，并整合了草地生物量、火频率、降雨量、土壤质地等环境梯度数据。

研究发现PyC对土壤有机碳的平均贡献率为14.08%（标准误0.36%），最高可达40%。通过随机森林模型分析表明，土壤黏粒含量和降雨量是影响PyC积累的最主要因素。黏粒含量在20%-40%范围内，每增加1%可使PyC储量增加约0.03兆克碳/公顷；而年降雨量在420-550毫米范围内，每增加10毫米会导致PyC减少0.05兆克碳/公顷。相比之下，草本生物量和火频率等PyC生产因素的影响相对较弱。

全球火源碳对土壤有机碳的贡献

通过文献整合获得全球1139个地点的3456个PyC测量值，发现不同分析方法得出的PyC占比存在显著差异，其中核磁共振光谱法平均值最高，化学热氧化法最低。全球尺度上PyC平均贡献SOC的11.44%，但热带稀树草原的数据严重不足，仅占测量总数的6%。

热带稀树草原土壤火源碳积累的关键驱动因素

土壤PyC储量在0.19-3.45兆克碳/公顷之间，平均为1.23兆克碳/公顷。随机森林模型解释率达67%，显示黏粒含量和降雨量是主导因素。地形因素中，低海拔地区PyC积累更多，而坡度影响不显著。草本生物量每增加1000千克/公顷，PyC储量增加0.04兆克碳/公顷，火频率也有正向影响但较弱。

局限性与研究重点

研究未明确量化PyC进出土壤的通量过程，对草本生物量向PyC的转化率、火强度影响以及PyC不同稳定性组分的分布等机制认识不足。此外，研究结果仅限于克鲁格地区的环境条件范围，需要跨大陆的多样化生态系统采样来建立定量机制理解。

对热带稀树草原碳动态的影响

与森林生态系统不同，稀树草原草本层可在下一个生长季完全恢复，使得火事件产生的PyC沉积成为重要的碳汇。研究强调应优先保护具有高PyC保存潜力的区域（如黏质玄武岩土壤），同时通过计划火烧维持草原开阔结构和自然火制度，这对维持稀树草原碳循环功能至关重要。

本研究采用过氧化氢/弱硝酸消解法分析253个样点的土壤PyC含量，整合了长期监测的草地生物量、火频率、降雨量和土壤质地数据。通过随机森林机器学习算法评估八个环境因子对PyC储量的影响，采用10折交叉验证优化模型参数，并利用偏依赖图分析变量间相互作用。

该研究发表于《Nature Communications》，首次系统揭示了热带稀树草原土壤PyC积累以保存因素为主导的新机制，为准确评估火在全球碳循环中的作用提供了关键科学依据，对制定基于碳固存目标的草原火管理策略具有重要实践意义。