探秘红壤关键带，寻找“消失”的氮素

杨顺华 （中国科学院南京土壤研究所） 

本文20200427首发于“土壤时空”微信公众号

“寻龙千万看缠山，一重缠是一重关。关门若有千重锁，定有王侯居此间”。喜欢看盗墓类小说的朋友肯定记得这段主人公们常常挂在嘴边的寻宝口诀。大意是指通过一些外在线索来判断某处是否有大家苦苦追寻的宝贝。现实生活中，我们倒不必过分执念于分金定穴，游阴走阳，毕竟那太邪乎，也不合法。。或许，只有常常仰望星空，思考宇宙人生的世外高人才能一窥其中奥秘。其实，就在我们脚下的土壤里，同样也藏着无穷的秘密，埋着无数的宝贝。土壤氮素，就是其中一个！

红薯丰收的军功章里，有氮肥的一半功劳

氮素是作物生长的必需元素。为了维持作物的产量，农民常常大量施肥。但是，肥料中的这些氮素并没有完全被作物吸收。除了随径流进入水体和以气体形式逸散等之外，大量的氮素在水的淋溶作用下冲出了根区，向地下更深处进发。由于它们中的很大一部分以带负电荷的硝态氮形态存在，能够轻易逃过上层土壤胶体（巧了！我也常带负电荷！只能同性相斥了！）的吸附，闯入土壤深部，难以被准确核算，因而也被称作“消失”的氮素。不过，千万别小看了这些滑入深渊的氮素，一旦它们集合了足够的人马，杀入地下水，可能会给当地以此为生的人们带来不小的健康威胁。研究发现，硝酸盐在人体内可转化成亚硝酸盐，过量摄入可以引起正铁血红蛋白症（身体缺氧呈青紫色症），严重时可诱发癌症。

北干南湿：累积机理大不同

同是施肥，在我国北方半湿润和半干旱地区（例如华北平原和黄土高原），氮的去向路径与南方相比大相径庭。北方石灰性土壤中一方面以氨挥发方式损失的氮很多，而硝化作用形成的硝酸盐在土壤深部大量累积的现象已经得到证实（Jia et al., 2018; Zhou et al., 2016）。例如，Zhou et al. (2016)发现在0~4米的深度区间内约70%的硝酸盐储存在1米土体以下，说明恒电荷土壤深部累积了大量的硝态氮。通常认为，过量施用化肥、地下水位下降和反硝化速率较低是导致这一现象的主要原因。

裸露的红壤遭受土壤侵蚀

南方的情况则有所不同。长期以来，对于湿润热带亚热带地区硝酸盐的产生和累积已开展了不少研究，一般认为该地区土壤硝酸盐含量不高。其中一个解释是，南方酸性土壤硝化速率低（Li et al., 2018; Zhang et al., 2018），加之硝酸盐随地表径流和侵蚀损失量大（Wang et al., 2019）。这使得人们往往会忽视硝酸盐的向下淋溶损失。

地球关键带科学：吹响深部土壤研究的集结号

地球关键带研究的兴起为探寻土壤深部硝态氮的空间特征提供了契机。关键带位于地球表层，是一个可以透水透气的区域，其空间范围自树冠开始一直延伸至地下水的底部，包括土壤圈及其与大气圈、生物圈、水圈和岩石圈进行物质循环和能量交汇的交汇界面。因其是陆地生物活动的关键地带，对于维持地球生命至关重要，故而被称作地球关键带。地球关键带研究也被认为是21世纪地球科学研究的重点领域。

红壤关键带景观

在先前的研究中，Wu et al. (2019)发现红壤旱地深部（地下1~4米）累积了大量的硝态氮，而风化层透水性的垂直变化可能是影响硝态氮累积的重要机制。但是，这种累积现象在景观尺度的空间变异仍有待进一步研究。世界那么大，环境那么复杂，我们该到哪里去寻找这些消失的硝态氮呢？别着急，虽然我们去不了地下，但地表环境留下的线索也许可以帮我们分金定穴、顺藤摸瓜！

寻宝装备（无人机、探地雷达和钻井机）与研究区示意图

土地利用：是否累积的“大独裁”

土壤硝态氮的空间分布常常受到土地利用的深刻影响。不同的土地利用方式，代表着不同的施肥、灌溉、地形和种植模式等，因而可能存在明显不同的氮循环过程，从而有着不同的深部氮累积模式。

Yang et al. (2020) 以红壤关键带为研究对象，通过地质钻井获取从地表至基岩的连续风化层样品，对比分析了不同土地利用类型（水田、旱地、果园和林地）的土壤硝态氮含量差别。结果表明，果园和旱地的土壤硝态氮含量显著高于水田和林地，在地下1~4米范围内存在显著的硝态氮累积现象，尤以3~4米内最为明显。这些累积的硝态氮，就像多中年人鼓起的便便大腹一样，暗示着土壤摄入了过多的氮素。

土地利用的差别深刻左右了氮循环的主要过程。对于水田而言，尽管施用了大量肥料，但却没有任何累积的迹象。这主要是由于水田一般处于地势较低处（梯田除外），长期浸水，给反硝化作用创造了有利条件，使得大量氮素以气体的形式损失。相反，在红壤地区丘陵起伏的地形背景下，果园和旱地常常处于坡的中上部，水分含量更低。这就给铵态氮向硝态氮的转化提供了可趁之机。在降雨的作用下，这些在表层得到“人生升华”的氮素，顺着土壤孔隙向更深处迈进。没有投入，就没有收获，林地的低累积量则跟没有直接的氮肥投入有关。

不同土地利用方式（W林地，P水田，O果园，U旱地；数字代表编号）的硝态氮累积模式

地形坡位：二次分配的“平衡手”

地形的作用则体现在通过重力作用和水文过程实现对物质的再分配。结果表明，坡中和坡顶的硝态氮含量在100~380厘米内并没有显著差别。然而，在380~500厘米范围内，坡中的硝态氮含量显著高于坡顶。分析认为，坡中深部累积的一部分硝态氮，很有可能来自坡顶。红壤坡耕地独特的地下水文过程则为硝态氮在剖面内部的重分配提供了动力。

Wu et al. (2019) 的研究也支持了地形对氮素迁移累积具有重分配作用的观点。林地一般处于坡中或者坡顶。但他们发现，某些原本不应该有深部硝态氮累积的林地，由于地处坡的下部，接受了从坡上旱地迁移过来的氮素，也出现了硝态氮的深部累积现象。

地形就像一个“平衡手”，干预了氮素在土壤中的重分配。它给了坡顶种植的花生和萝卜，享受更多肥料的机会，却也使得坡顶最易遭受侵蚀，无奈地损失一部分积攒多年的氮素，分发给下游的地块。

坡位影响深部硝态氮累积的机制（地下流将坡顶深部累积的硝态氮搬运至坡中土壤深部）

土壤属性：垂直方向“我们”说了算

面对外部压力时，豁达的人常常用“兵来将挡，水来土掩”来勉励自己。然而，土壤对外部压力的抵御可能因自身属性而存在较大差异，也会影响硝态氮的剖面分布模式。随机森林的模拟结果表明，pH和风化层质地是预测硝态氮剖面分布的最佳因子。

土壤属性的垂直分布与硝态氮累积模式存在很好的对应关系。我们发现，1米土体以下，硝态氮累积量最大的地方往往对应着更低的pH，更高的黏粒含量。Wu et al. (2020) 的研究也证实，红壤关键带深部丰富的铁铝氧化物与硝态氮的累积存在显著相关关系，这为孔隙结构影响硝酸盐下渗这一机理提供了重要补充。由此可见，土壤属性对于深部硝酸盐的迁移和累积具有重要作用。

随机森林模型预测硝态氮变异的因子重要性

宝图现世：犹抱琵琶半遮面

如果说土地利用决定了土壤是否有深部硝态氮累积的命运。那么，地形则是打破这一命运枷锁的革命者。就硝态氮而言，在地形的参与下，土地利用决定累积命运的论调实现了一定程度的局部反转。而对于某一土壤点位而言，其自身属性的差异则成了影响氮素垂直分布的重要因素。

虽抱琵琶半遮面，千呼万唤终出来。经过一番寻找，一幅关于红壤关键带深部硝态氮累积的寻宝草图终于在我们面前徐徐铺开，它仿佛在告诉我们：到果园和旱地去，到坡中去，那些深部pH较低和黏粒含量较高的地方，藏着最多消失的氮素！虽然红壤关键带深部硝态氮的容颜渐渐明晰起来，但更多的谜底正在等待我们去揭开！

红壤关键带深部硝态氮累积藏宝图——图示为红壤关键带地下结构，地表土地利用空间格局和硝态氮累积特征（Song et al., 2020; Wu et al., 2019; Zhao et al., 2019）

该研究得到中英地球关键带重大国际合作项目（41571130051）的支持。研究成果近日以“Variation of deep nitrate in a typical red soil Critical Zone: Effects of land use and slope position”为题发表在农业环境领域经典期刊《Agriculture, Ecosystems & Environment》上。第一作者杨顺华得到中英联合研究创新基金博士生交流项目（201802527019）的支持，在英国阿伯丁大学生物科学学院联合培养一年。

主要参考文献：

Jia, X., Zhu, Y., Huang, L., Wei, X., Fang, Y., Wu, L., Binley, A., Shao, M., 2018. Mineral N stock and nitrate accumulation in the 50 to 200 m profile on the Loess Plateau. Science of the Total Environment 633, 999-1006.

Li, Y., Chapman, S.J., Nicol, G.W., Yao, H., 2018. Nitrification and nitrifiers in acidic soils. Soil Biology and Biochemistry. 116, 290-301.

Song, X.-D., Wu, H.-Y., Hallett, P.D., Pan, X.-C., Hu, X.-F., Cao, Q., Zhao, X.-R., Zhang, G.-L., 2020. Paleotopography continues to drive surface to deep-layer interactions in a subtropical Critical Zone Observatory. Journal of Applied Geophysics 175, 103987.

Wang, Y., Gao, L., Peng, X., 2019. Hydrologic separation and their contributions to N loss in an agricultural catchment in hilly red soil region. Science China Earth Sciences 62(11), 1730-1743.

Wu, H., Song, X., Zhao, X., Peng, X., Zhou, H., Hallett, P.D., Hodson, M.E., Zhang, G.-L., 2019. Accumulation of nitrate and dissolved organic nitrogen at depth in a red soil Critical Zone. Geoderma 337, 1175-1185.

Wu, H.Y., Song, X.D., Liu, F., Zhao, X.R., Zhang, G.-L., 2020. Regolith property controls on nitrate accumulation in a typical vadose zone in subtropical China. Catena 192, 104589.

Yang, S.-H., Wu, H.-Y., Song, X.-D., Dong, Y., Zhao, X.-R., Cao, Q., Yang, J.-L., Zhang, G.-L., 2020. Variation of deep nitrate in a typical red soil Critical Zone: Effects of land use and slope position. Agriculture, Ecosystems & Environment 297, 106996.

Zhang, J., Cai, Z., Müller, C., 2018. Terrestrial N cycling associated with climate and plant‐specific N preferences: a review. European Journal of Soil Science 69(3), 488-501.

Zhao, X.-R., Wu, H.-Y., Song, X.-D., Yang, S.-H., Dong, Y., Yang, J.-L., Zhang, G.-L., 2019. Intra-horizon differentiation of the bacterial community and its co-occurrence network in a typical Plinthic horizon. Science of The Total Environment 678, 692-701.

Zhou, J., Gu, B., Schlesinger, W.H., Ju, X., 2016. Significant accumulation of nitrate in Chinese semi-humid croplands. Scientific Reports 6, 25088.