中科院南土所张甘霖团队ES&T | 红壤中的硝态氮“定时炸弹”：特征与风险

“庄稼一枝花，全靠肥当家”，农民一般通过施肥来给农作物补充必需氮素。当前，农业氮肥用量居高难下、利用效率普遍不高，大量的氮素残留在土壤中。一旦遇到强烈而频繁的降雨，这些残留的氮素可以硝态氮（NO₃⁻-N）的形式长驱直下，严重威胁地下水的质量。幸好，由于土壤的“抵挡”，“氮素大军”的行军速度明显放缓。然而，“日拱一卒无尽有，功不唐捐终入海”，在时间的推波助澜下，“氮素大军”不断集结、队伍不断壮大，像是一颗弹药不断填充的炸弹，高悬在地下水之上。一旦集结号再次吹响，随时都有引爆的风险。

图1 论文信息

（DOI:https://dx.doi.org/10.1021/acs.est.0c04204）

红壤中的硝态氮积累直到最近才被认识到，过去一直认为红壤硝化作用弱，加之淋溶作用强，在上层土体中很少观察到其富集。张甘霖研究团队在发现和表征亚热带红壤地区深层氮素积累的基础上，进一步对典型红壤关键带内的硝态氮“定时炸弹”进行侦查，获得了一些新的认识，研究成果以“Deep Nitrate Accumulation in a Highly Weathered Subtropical Critical Zone Depends on the Regolith Structure and Planting Year”为题发表在环境领域旗舰期刊《Environmental Science & Technology》上。杨顺华博士生为论文的第一作者，张甘霖研究员为通讯作者。该工作得到中英地球关键带重大国际合作项目(41571130051)的支持，杨顺华受国家留学基金委和英国牛顿基金（201802527019）的联合资助，在英国阿伯丁大学生物科学学院联合培养一年。

那么，硝态氮“定时炸弹”到底是什么？又是怎么形成的？未来如何拆除它呢？

 网纹红土：红壤关键带“火药库”

硝酸盐对于人体具有相当大的毒害，长期饮用有可能罹患各种疾病，甚至癌症。这是因为硝酸盐在被还原成亚硝酸盐后，可与血液发生作用形成高铁血红蛋白，使血液携氧能力大大降低。由于深层土壤中硝酸盐对地下水的潜在威胁，王磊等人将其命名为硝酸盐“定时炸弹”。

图2 红壤关键带景观及网纹红土层

研究发现，红壤关键带中的硝态氮主要分布在网纹红土层中，网纹红土中的硝态氮储量占累积层的81%，而二者厚度的重合比例亦高达79%。网纹红土是我国南方常见的一种土壤，它最显著的特征是红色的土壤基质中，漫布着一些网状的白色纹理，远远看去，像是一张白色的渔网披挂在红色的土墙表面，因而称作网纹红土。它的上方通常覆盖着一层颜色相对均一的红土，称作均质红土层，下方则一般是松散的基岩风化物，叫做半风化体。那么，为什么网纹红土中的硝态氮是最多的呢？这还要从硝态氮累积层的形成说起。

图3 硝态氮累积层（红框）示意图。

（PC和PD分别代表累积层中硝态氮浓度的峰值及其出现的深度位置；NALT表示累积层的厚度；RRC表示网纹红土层。）

理化大法：阻碍氮素行军的大杀器

研究发现，硝态氮浓度与pH存在显著的负相关关系，而与黏粒含量存在显著正相关关系。进一步地，随机森林分析的结果也表明，pH是预测硝态氮浓度变化的最重要因素，其次为黏粒含量。pH低和黏粒含量高恰恰又是网纹红土层的重要特征。这与硝态氮的累积有何关联呢？

   图4 随机森林分析结果显示图

（预测硝态氮变异时，pH的相对重要性最高，其次为黏粒（clay））。

同性相斥、异性相吸是自然界不变的真理。众所周知，硝态氮极易被吸附到带正电荷的土壤颗粒表面。相对于均质红土层和半风化层，网纹红土层的pH更低、黏粒含量更高。pH的降低会增加土壤颗粒表面的正电荷数量，从而使得土壤颗粒有了更强的吸附负电荷的能力；黏粒的增加则会导致土壤通气孔隙的减少，这进一步堵塞了硝态氮向下迁移的通道。就这样，化学吸附大行其道、物理通道遭遇封堵，硝态氮的前行之路异常艰难、寸步难行，就地形成了一个硝态氮累积层。然而，道高一尺、魔高一丈，随着时间的流逝，累积层继续“生长”，胜利的天平似乎开始倒向硝态氮这边。

图5 硝态氮累积层特征与种植年限关系图

（图中W、O和C分别代表林地、果园和旱地，括号中数字为其种植年限。）

通过分析果园和旱地的硝态氮累积层，我们发现：随着种植年限的增加，累积层的厚度不断加大，其硝态氮的浓度和储量也逐渐增大。这说明土壤抵抗硝态氮进攻的压力正逐渐增大。假以时日，当土壤的环境容量达到极限，成群结队的氮素大军将会大举跨过网纹红土层的防线，直捣黄龙。

可见，在这样一场硝态氮与网纹红土层的耐力战中，源自地表的施肥管理措施决定了硝态氮兵力的强弱，红壤关键带的地下结构和属性则决定了两军对垒的核心战场。在时间的长河里，这注定是一场持久战、消耗战。既然我们已经洞悉了这场战争的发展态势，站在我们人类的角度，我们又可以做些什么，从而拆掉这颗可怕的定时炸弹呢？

图6 种植年限和地下结构双重作用左右了硝态氮累积层的形态

上下协作：拆掉硝态氮定时炸弹

氮肥啊氮肥，在将你洒向田野那一刻，农民伯伯多么希望你能永走正道、投入作物的怀抱。然而，世间哪有尽遂人愿的好事。逃出植物根区的你，我们又该如何让你浪子回头？

知己知彼，百战不殆。前面已经提到，硝态氮累积层的特征是地表管理和地下结构双重作用的结果。那么，要想拆掉这颗定时炸弹，或者至少降低它的杀伤力，也就有了应对的策略。

图7 希望的田野

既然地下氮素的主要来源都是地表的氮肥投入，那么对于地表管理而言，就可以减少氮肥投入、提高植物对氮素的利用效率，做到精准施肥。对于已经逃逸到地下深处的氮素，可以引入深根植物，对其进行最大程度的再吸收、再利用。如此这般，虽然不一定能完全拆掉这颗炸弹，那么至少也可以挫挫它的锐气吧！

图&文 | 杨顺华

版 | 责任编辑 文慧颖

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