廈大與港大團隊合作攻關，揭示農(nóng)業(yè)氮素流失關鍵機制

　　近日，廈門大學環(huán)境與生態(tài)學院、福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點實驗室陳能汪教授團隊與香港大學羅新研究員團隊合作，在流域氮循環(huán)研究方面取得新進展。相關成果發(fā)表于國際知名期刊《自然·通訊》。該研究聚焦地球系統(tǒng)氮失衡這一重大科學問題，通過整合全球數(shù)據(jù)與九龍江流域定位站長期觀測數(shù)據(jù)，首次揭示了全球農(nóng)田土壤約0.6米深處普遍存在一個“增強硝化層”（ENL），該層位是土壤酸化和地下水硝酸鹽污染的“地下隱形引擎”。　

　　全球農(nóng)田每年施用氮肥超過1億噸，但作物平均利用率僅約55％，近半數(shù)氮素流失到環(huán)境中，引發(fā)地下水污染、水體富營養(yǎng)化、溫室氣體排放等環(huán)境問題。　　長期以來，氮素管理主要聚焦在表層0.3米以內(nèi)的土壤，通過控制施肥量、調(diào)整施肥方式等措施提高作物吸收效率。然而，深層土壤是氮素向地下水遷移的必經(jīng)之路，其內(nèi)部的生物地球化學過程長期未被充分關注?！　⊙芯繄F隊通過對全球農(nóng)田土壤剖面數(shù)據(jù)的整合分析，發(fā)現(xiàn)一個反?，F(xiàn)象：在深度約0.6米的農(nóng)田土壤，總氮含量出現(xiàn)一個“凸起”層，這與自然生態(tài)系統(tǒng)中土壤總氮含量隨深度逐漸減少的趨勢完全不同。該“凸起”程度與氮肥輸入量呈正相關，提示該層位可能存在特殊的氮轉(zhuǎn)化過程?！?/p>

　　團隊進一步分析土壤無機氮的垂直分布發(fā)現(xiàn)，硝化過程的底物（銨態(tài)氮）峰值位于0.30至0.75米深度，而產(chǎn)物（硝態(tài)氮）峰值則出現(xiàn)在更深的0.45至0.90米深度，且硝態(tài)氮呈現(xiàn)向下累積的趨勢。這種“底物在上，產(chǎn)物在下”的錯峰分布，無法僅用硝態(tài)氮隨水下滲來解釋，由此引出一個關鍵科學假說：在0.3至0.9米深度可能存在一個硝化作用顯著增強的層位，研究團隊將其命名為“增強硝化層”，其中0.6米可作為全球農(nóng)田土壤該層位的參考特征深度。　

　　深入研究發(fā)現(xiàn)，這一層位的形成并非偶然，而是根系通道、土壤結(jié)構(gòu)、微生物群落、水文條件四個關鍵因子協(xié)同作用的結(jié)果。植物根系形成的優(yōu)先通道為表層肥料向深層輸送提供了物理路徑；該深度恰好存在相對高砂含量的土層，透氣性好，為硝化反應創(chuàng)造了富氧環(huán)境；氨氧化微生物在這一層位顯著富集，構(gòu)成了驅(qū)動氮素轉(zhuǎn)化的“引擎”；降雨與灌溉等水分入滲過程激活這一系統(tǒng)，將可溶性氮素輸送至此，并觸發(fā)硝化反應?！　∵@個“增強硝化層”形成機制，在福建省漳州市平和縣九龍江楓埔溪小流域?qū)嶒炚緸槠谌甑奶镩g原位觀測中得到了進一步驗證?！?/p>

　　“增強硝化層”的發(fā)現(xiàn)從機制上闡明了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)氮素流失的兩大環(huán)境效應。其一，該層位硝化作用增強，釋放大量氫離子，對應深度土壤pH值出現(xiàn)普遍下降。土壤酸化會嚴重影響作物根系生長，最終導致減產(chǎn)。其二，在降水或灌溉入滲作用下，該層位將相對穩(wěn)定的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為容易向下淋洗的硝態(tài)氮，成為地下水硝酸鹽污染的重要來源。可以說，“增強硝化層”是流域氮循環(huán)失衡的重要“引擎”?！?/p>

　　該研究為農(nóng)田氮素精細化管理提供了新的理論指導。未來需要將氮素管理的視野從地表擴展到地下，實施“地表＋深層”雙重管理策略。該研究獲得國家自然科學基金重點項目、青年科學基金項目（B類）、國際（地區(qū)）合作與交流項目、香港研究資助局研究基金和福建省水利科技項目的聯(lián)合資助。（福建日報·新福建客戶端記者 李珂）