《Journal of Environmental Management》：Divergent key driving factors of soil salinity in Tarim River Basin, Northwest China
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喀斯特地区剪烧管理显著影响土壤碳氮循环及微生物群落结构，高火导致有机碳和总氮下降33%和15%，而选择性修剪提高微生物生物量25.6%及氮循环酶活性，Proteobacteria和Acidobacteria丰度变化主导功能基因差异，合理管理可提升生态系统生产力。
作者：安莎·雷比（Ansa Rebi）、关王（Guan Wang）、陶阳（Tao Yang）、伊尔萨·埃贾兹（Irsa Ejaz）、阿德南·穆斯塔法（Adnan Mustafa）、贾斯珀·卡诺马尼亚anga（Jasper Kanomanyanga）、莫赫辛·马哈茂德（Mohsin Mahmood）、崔新蕾（Xinglei Cui）、周金星（Jinxing Zhou）
四川农业大学林业学院，中国成都，611130
摘要
刀耕火种是一种在中国及其他热带地区常见的林业和土地管理技术，用于开垦土地用于农业或管理植被。然而，刀耕火种后喀斯特地区碳和氮的动态变化仍很大程度上未知。本研究评估了刀耕火种管理方式对中国喀斯特地区碳和氮循环的影响。处理方式包括高强度燃烧（HIF）、低强度燃烧（LIF）、刈割后燃烧（CF）、仅刈割（CP）和对照组（CK）。处理后一年采集了土壤样本。与对照组相比，刀耕火种显著影响了土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）、硝酸盐（NO3?）和铵盐（NH4+）的含量。刀耕火种处理显著降低了SOC、土壤有机质、TN和NO3-（p < 0.05）。相比之下，NH4+含量在刀耕火种处理下显著增加，这表明它可能影响火灾后的土壤肥力和植物恢复。刀耕火种处理下酸杆菌和变形菌的数量增加，可能是碳和氮循环的驱动因素，其中变形菌参与了氮的转化。变形菌的数量增加表明有机质的可用性和营养平衡更为重要。此外，CP处理显著增强了多种氮循环过程的代谢潜力，包括氮固定、氮吸收和同化性NO3-还原。CP处理还显示出比其他处理更高的氮固定基因水平，表明其在促进土壤中氮同化方面的有效性。CP处理下微生物生物量C、微生物生物量N和微生物生物量P也显著增加（分别增加了10.70%、11.90%和25.60%（p < 0.05）。细菌组成和多样性的变化可能对喀斯特景观中的土壤肥力、养分可用性和生态系统功能产生重要影响，特别是在碳封存和植物氮利用方面。这表明谨慎的火灾管理和选择性刈割可以改善土壤健康和生态系统生产力。
引言
刀耕火种是一种在喀斯特地区常用的林业和土地管理技术，这些地区特别容易受到气候变化的影响（Rebi等人，2024a）。全球气候变化通过改变土壤微生物群落的活动，影响土壤碳（C）的固碳能力（Flynn和Kostecki，2024；Zhao等人，2026；Zhong等人，2025）、氮（N）（Rebi等人，2025b）和磷循环（Li等人，2025）。因此，刀耕火种技术在中国及其他热带地区被广泛用于开垦土地用于农业或管理植被（?urovi?，2024；Stanturf和Mansourian，2020；Zhu等人，2021）。这种做法可以丰富土壤氮，影响微生物活动，并通过土壤有机质（SOM）的分解和氮矿化增强养分循环（Akburak等人，2018；Krishnaraj等人，2016；Mahmood等人，2026；Mustafa等人，2026）。然而，它们通过破坏土壤微生物群落和氮的可用性对土壤可持续性产生负面影响（Ak?a等人，2022；Kukla等人，2019；Rebi等人，2024b）。因此，刀耕火种后喀斯特地区碳/氮的动态变化仍很大程度上未知。
土壤细菌在碳/氮循环中起着关键作用，它们释放的酶可以分解SOM，促进碳的释放并通过呼吸作用，同时促进氮的获取、固定和矿化（Hu等人，2023；Li等人，2014；Zhang等人，2022）。这些酶通过将细菌活动与土壤功能直接联系起来，调节土壤碳通量并驱动氮循环过程。因此，土壤细菌对于维持土壤生态过程和恢复力至关重要（Philippot等人，2021），有助于喀斯特景观中退化土壤生态系统的恢复和演替（Menta，2012；Wen等人，2024a，2024b；Yang等人，2023）。与微生物碳和氮循环相关的基因在刀耕火种条件下参与生化过程（Chen和Sinsabaugh，2021；Piotrowska-D?ugosz，2020）。功能基因可能受到土壤pH值、酶活性和微生物生物量的影响（Delgado-Baquerizo等人，2020；Zhang等人，2024c）。人为氮负荷改变了土壤氨氧化古菌（AOA）和细菌（AOB）的丰度，气候是影响其响应的关键因素。这影响了土壤pH值、氮的可用性和湿度，从而调节不同气候下的硝化速率（Zhang等人，2024b）。因此，关于喀斯特地区刀耕火种后通过细菌固定途径介导的碳/氮循环基因的信息有限。
刀耕火种中的火灾强度对其生态影响至关重要。低强度火灾主要燃烧地表枯枝落叶，对土壤物理化学性质的影响较小（<200°C），保持团聚体稳定性，并通过种子库和萌芽促进植被快速恢复（Kasel等人，2011；Touré等人，2019）。相比之下，高强度火灾（>400°C）导致大量养分挥发（尤其是氮），破坏土壤团聚体，增加土壤容重和pH值，并提高喀斯特景观的侵蚀风险（Agrawal等人，2025；Caon等人，2014）。这些火灾严重减少微生物生物量和多样性，对碳和氮循环相关基因的抑制作用大于低强度火灾（Neary等人，1999；Nelson等人，2022）。在植被上，高强度火灾降低物种丰富度，延迟火灾后的演替，阻碍下层植被的恢复，加剧坡地喀斯特地区的土壤暴露和养分流失（Raison等人，2009）。
在亚热带喀斯特地区，降雨量大和植被覆盖稀疏可能导致洞穴中养分流失增加（Wan等人，2024；Wen等人，2016；Zhang等人，2025）。这可能会加剧火灾后土壤细菌的抑制，可能通过加速其衰退来破坏微生物功能（Jiménez-Pinilla等人，2016）。因此，这可能会通过减缓土壤碳固定和氮转化过程来阻碍微生物介导的养分循环（Reverchon等人，2020）。迄今为止的大多数研究集中在重新造林活动及其对中国南部喀斯特景观土壤生物多样性的影响上。然而，刀耕火种对碳/氮循环的影响尚未得到充分研究，不同火灾强度对这些循环负责的细菌群落的影响也未得到探讨。
尽管取得了这些进展，但仍存在一个关键的研究空白：亚热带喀斯特地区土壤细菌群落、碳/氮循环功能基因以及对低强度和高强度火灾的不同响应在很大程度上仍未探索。现有研究主要关注刀耕火种对氮转化的总体影响或野火对非喀斯特系统中微生物的影响，对控制火灾强度梯度和这些脆弱生态系统中细菌驱动的碳/氮动态的关注有限。
在这项研究中，我们假设高强度火灾比低强度火灾或刈割更显著地降低与碳和氮循环相关的微生物多样性和功能基因。刈割通过增加有机质的可用性促进与养分循环相关的细菌活动，具体效果取决于其频率和强度。土壤物理化学性质的变化调节了刀耕火种对细菌群落结构和生态系统功能的影响。为了解决这些空白，本研究采用了大规模土壤总DNA测序，重点分析了16S rRNA基因和ITS1基因。我们的目标是：（i）在不同刀耕火种处理下表征细菌组成、多样性和共现网络；（ii）量化土壤微生物对亚热带喀斯特地区碳和氮循环基因丰度的贡献；（iii）评估对碳和氮循环过程的影响；（iv）阐明土壤性质与调节碳/氮循环的细菌活动之间的相互作用。通过整合这些元素，这项工作为可持续利用喀斯特土地的刀耕火种方法提供了新的见解。
研究区域
本研究在中国云南省建水县的建水研究站进行，坐标为23°37′ N和102°54′ E（见图S1a）。该地区的年平均温度为19.8°C，年平均降水量为805毫米，属于典型的亚热带季风气候（见图S2）。大部分降雨发生在7月至10月。该地区以其独特的喀斯特和非喀斯特地形组合而闻名。喀斯特土壤来源于
土壤物理化学性质对不同刈割和燃烧处理的响应
与对照组相比，刀耕火种处理显著影响了土壤性质（p < 0.05）。CK组的SOC含量最高（p < 0.05），CP和CF组分别增加了15%和18%。相反，HIF和LIF组显著降低了SOC（p < 0.05），分别降低了33%和22.30%（表S3）。TN含量也表现出类似的趋势，HIF和CF组显著降低了TN（表S3）。SOC:TN的比例也显著变化（p
刈割和燃烧处理对土壤微生物生物量和酶活性的影响
我们的研究表明，刈割和燃烧对亚热带喀斯特生态系统中的土壤微生物生物量和酶活性有不同影响，火灾强度和刈割之间的相互作用进一步调节了这些响应。无论强度如何，燃烧都显著降低了细菌生物量和酶活性，而刈割（CP）显著增加了MBC、MBN、MBP、AP和NAG（表S3）。多项研究报道了这些变化（Goberna等人，2021；Zhou等人
结论与局限性
本研究探讨了土壤微生物群落、功能基因以及刈割和燃烧处理下碳和氮循环过程之间的关系。我们的发现表明，微生物群落对这些管理措施非常敏感，主要门类的丰度发生了显著变化，如酸杆菌和变形菌，以及Gemmatimonadetes和放线菌的变化。这些微生物变化与土壤养分浓度密切相关
作者贡献声明
安莎·雷比（Ansa Rebi）：撰写初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、数据管理。关王（Guan Wang）：监督。陶阳（Tao Yang）：数据管理。伊尔萨·埃贾兹（Irsa Ejaz）：撰写-审稿与编辑、数据管理。阿德南·穆斯塔法（Adnan Mustafa）：撰写-审稿与编辑。贾斯珀·卡诺马尼亚anga（Jasper Kanomanyanga）：正式分析。莫赫辛·马哈茂德（Mohsin Mahmood）：撰写-审稿与编辑。崔新蕾（Xinglei Cui）：撰写-审稿与编辑、监督。周金星（Jinxing Zhou）：监督、项目管理、资金获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42361144885）、国家自然科学基金（42477333）、自然资源部喀斯特生态系统与石漠化控制重点实验室开放项目（YRSW-2023-087）和国家自然科学基金（32422060）的支持。
