在中国贵州的火灾后喀斯特地区，苔藓地壳在土壤有机碳积累和微生物生态调节中的作用

《CATENA》：The role of moss crusts in soil organic carbon accumulation and microbial ecological regulation in post-fire karst areas of Guizhou, China

本研究探讨喀斯特地区火灾后地衣与维管植物对土壤有机碳（SOC）的影响，发现地衣通过促进碳输入（TOC、POC、MAOC升高）和抑制分解（C固定基因上调，分解基因抑制）增强SOC稳定性，并塑造以富集copiotrophic细菌和子囊菌为主的微生物群落，为生态恢复提供新策略。

　　

刘润|李成毅|吴秋梅|王登富|张兆辉|沈家琛

贵州省山区信息系统与生态环境保护重点实验室，贵州师范大学，贵阳550025，中国

摘要

野火在喀斯特地区频繁发生，对土壤有机碳（SOC）的稳定性和微生物生态功能构成严重威胁。然而，不同植被类型在火灾后如何调节这一恢复过程仍不清楚。本研究评估了苔藓地壳和维管植物对中国贵州省最近发生火灾的喀斯特地区SOC的不同组分、碳循环功能基因以及微生物群落的影响。结果表明，苔藓地壳显著增加了总有机碳（TOC）含量和有机碳组分，其中颗粒有机碳（POC）和矿物相关有机碳（MAOC）的比例相对于维管植物和裸土有所提高。此外，苔藓地壳上调了关键碳固定基因（如rbcL、aclB、acsB）的表达，并显著抑制了碳降解基因，rbcL基因的丰度约为维管植物的三倍。此外，苔藓地壳促进了特定微生物群落的形成，丰富了富营养细菌（如放线菌门和变形菌门）和子囊菌门真菌的数量，同时减少了寡营养菌和木质素降解菌的数量。总之，通过促进碳输入和抑制分解的双重机制，苔藓地壳成为提高火灾后喀斯特地区土壤碳封存能力和稳定性的有效方法，可以为喀斯特地区的火灾后生态恢复提供有价值的基于自然的解决方案。

引言

野火是维持生态系统平衡的重要自然现象，其干扰和生态恢复能力通常处于动态平衡状态（McLauchlan等人，2020年）。然而，气候变化和人类活动加剧了野火的频率和严重程度（Jain等人，2024年；Zhao等人，2024年），对生态脆弱的喀斯特地区影响尤为显著。喀斯特地貌占世界陆地面积的约15%。森林作为主要植被类型，是重要的碳（C）汇，占全球森林碳汇通量的31.18%-34.41%（Cao等人，2018年）。近年来，这些地区的反复发生火灾严重威胁了它们的碳汇功能和生态安全。因此，在火灾风险增加的背景下，探索恢复喀斯特地区碳汇功能的途径对于减轻碳库损失和维持区域乃至全球碳循环的稳定性具有重要意义。

苔藓地壳是一种已知能增强退化干旱地区碳封存能力的先锋生物（García-Carmona等人，2023年），在火灾后的喀斯特生态系统中很常见。然而，它们在这种环境中的具体作用尚未得到充分研究。现有研究主要集中在维管植物再生或土壤物理化学性质对碳积累的影响上（Robichaud等人，2013年；Brianne等人，2020年；Pellegrini等人，2022年；Maxwell等人，2024年），关于苔藓地壳在喀斯特系统中的作用仍存在很大空白。关键的未知因素包括它们如何影响土壤有机碳（SOC）的组成和稳定性，以及从功能基因到群落结构的潜在微生物机制。这一知识空白限制了我们对火灾后喀斯特地区生物驱动的碳恢复过程的理解。

为了解决这一问题，本研究探讨了苔藓地壳是否可以通过调节碳循环功能基因和微生物群落来增强喀斯特地区土壤碳库的稳定性，重点比较了不同的火灾后植被覆盖类型（苔藓地壳、维管植物和裸土）。我们假设苔藓地壳通过优化微生物功能潜力来增加碳储存：促进碳固定基因，抑制降解基因，并塑造有利于碳封存的微生物群落。

基于这一假设，本研究旨在（1）量化火灾后喀斯特地区不同植被覆盖类型之间的SOC组分、碳循环功能基因和微生物群落结构的差异；（2）阐明苔藓地壳调节土壤碳循环的机制，重点关注微生物功能基因、群落组成和碳库稳定性之间的关系。通过实现这些目标，研究将加深对苔藓地壳在火灾后恢复中作用的理解，并为将苔藓地壳群落纳入喀斯特生态恢复策略提供科学依据，从而提高碳封存能力和生态系统稳定性。

研究地点

研究地点位于中国西南部的喀斯特地区，属于云贵高原。该地区具有亚热带季风气候，年平均气温为15°C，年降水量为1200毫米。降雨主要集中在夏季和秋季，而冬季相对干燥，火灾频率较高。近年来，由于气候变化和人类活动的影响，这一地区的

苔藓地壳对火灾后喀斯特地区土壤性质的影响

在喀斯特地区，苔藓地壳显著增强了土壤中的碳和氮储存（表2），改善了火灾后的有机碳组分组成（图1）。在森林样地（S1-S4）中，苔藓地壳下的总碳（TC）（S2除外）和总有机碳（TOC）（S4除外）含量显著高于维管植物和裸土（p < 0.05）。在草地样地（S4-S6）中，苔藓地壳仍然表现出较高的TC和SOC水平，尽管S6的TC略有下降。值得注意的是，TOC、POC和MAOC的比例

苔藓地壳通过不同的积累途径优化火灾后土壤中的碳组分

本研究证实，苔藓地壳显著增强了火灾后的土壤碳和氮储存，并优化了喀斯特地区SOC组分的组成。与维管植物和裸土相比，苔藓地壳增加了TC、SOC和TN的含量，并显著提高了TOC、POC和MAOC的比例。POC通常代表活性高、周转快的碳库，而MAOC与矿物质结合，是长期稳定碳库的关键组成部分（Guo等人

结论

本研究探讨了苔藓地壳和维管植物对火灾后喀斯特地区SOC封存的影响。结果表明，与维管植物相比，苔藓地壳在火灾初期加速了SOC的积累。通过塑造“促进固定和抑制分解”的土壤微生物功能基因模式，并招募和维持以富营养细菌和快速生长的真菌（子囊菌门）为主的微生物群落，它们不仅增加了土壤

作者贡献

刘润、张兆辉和沈家琛设计了本研究。李成毅、王登富和吴秋梅收集了数据。刘润分析了数据并撰写了初稿。所有作者都对解释和修订做出了重要贡献。

CRediT作者贡献声明

刘润：撰写——原始稿件、验证、方法学、调查、资金获取、数据管理、概念化。李成毅：调查、资金获取、正式分析。吴秋梅：方法学、调查。王登富：方法学、调查。张兆辉：方法学、调查。沈家琛：可视化、软件、方法学。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了贵州省科技计划项目：黔科合基金会-zk [2024] 通用441、435，zk [2025] 通用251以及黔科合平台ZSYS[2025]015；国家自然科学基金（NSFC编号：32360309）的支持。