The Innovation | 人类活动导致全球湖泊氮积累增加

导语

通过化肥施用、豆科作物种植和化石燃料燃烧，人类每年向陆地生态系统中输入超过1亿吨活性氮(除了氮气之外具有生物和环境活性的氮素)。这些活性氮都去哪了？生态系统中活性氮输入过量的话，可能产生级联反应，带来严重的环境和健康问题(例如PM_2.5和水体污染，人类呼吸和消化系统癌症等)。因此，活性氮的去向一直在氮素生物地球化学循环研究中备受关注。本研究首次系统量化了全球湖泊（含水库，下同）沉积物中积累的活性氮量，发现目前在全球湖泊沉积物中每年积累活性氮近千万吨。当前氮积累的速率是工业革命前的2倍，反映出人类活动对湖泊氮积累的加速作用。

由于空气中氮气的氮-氮三键很难打破，而使其难以被生物直接利用，导致自然界活性氮供应不足，氮素成为限制陆地生态系统生产力的“木桶短板”。为解决氮素供应不足的问题，人类发明了工业合成氨，极大地增加了陆地生态系统中活性氮量，满足了农业生产的氮素需求，但也造成了严重的环境氮素过剩，导致环境污染且危及人类健康。为此，我们亟需厘清活性氮在生态系统中的流动与去向，以期促进对全球氮循环的理解并优化氮素管理。

图1 全球湖泊碳、氮、磷积累与释放过程。人类活动通过工业和农业生产过程排放活性氮到环境中，然后通过氮循环输入并积累在湖泊中。

目前全球仅氮肥的施用量已超过1亿吨，因此产生的活性氮会通过大气沉降和地表迁移输入到陆地及水生生态系统中，从而导致湖泊沉积物中氮素积累持续增加（图1）。本研究结果表明，自20世纪早期工业合成氨发明以来，全球湖泊氮积累大幅度增加（图2），其中，2000-2010期间全球湖泊中每年积累约1000万吨活性氮，相当于全球化肥施用量的1/10。但在第二次世界大战期间，由于大量的工业合成氨被用于生产炸药而非氮肥，且氮气是炸药爆炸后的主要产物。因此，全球湖泊的氮素沉积量在此期间出现了短暂的下降。

图2 全球湖泊氮素积累的变化

湖泊积累的活性氮量约占全球陆地生态系统氮输入的3-5%，解释了全球一部分未知氮汇，改变了人类对全球氮循环的认识。一般认为氮循环作为气态型循环，很难在生态系统中大量积累，除在土壤、植被和深层地下水中出现少量积累外，其他氮素都会以气态的形式返回到大气中。本研究发现沉积物中氮积累的增加与碳的增加基本同步，表明氮积累主要是一种有机过程，可以通过土壤有机质侵蚀或水生生物死亡后沉积。而氮积累与磷积累的速率同步性差，意味着磷积累可能包含其他积累过程，例如一些地质过程中的释放。

图3 湖泊碳氮磷积累的驱动因素

总结和展望

湖泊氮积累是一种有机主导过程，故其积累速率受人类活动和气候影响较大。人类活动增加了氮素来源，温度增加则有利于提高陆地生态系统的生产力，从而将更多的无机氮与碳同化为有机质，输入并埋藏于湖泊沉积物中。外源输入的有机质与河流运移有关，导致湖泊氮积累也受降雨的影响。随着全球人类源氮输入的持续增加，湖泊氮积累速率也随之增加，导致沉积物中碳氮比下降，而氮磷比上升。为更加精准地分析氮素的去向，需要将湖泊氮积累纳入到流域及全球氮平衡研究中，从而为优化氮素管理提供理论支撑。未来通过优化农业氮素使用，控制工业和交通的氮氧化物排放等手段，可有效减轻氮污染的环境健康效应。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00083-7

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第四期以Report发表的“Human-caused increases in reactive nitrogen burial in sediment of global lakes” (投稿: 2021-02-28；接收: 2021-08-22；在线刊出: 2021-08-30)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100158

引用格式：Wang M., Houlton B., Wang S. (2021). Human-caused increases in reactive nitrogen burial in sediment of global lakes. The Innovation. 2(4),100158.

作者简介

谷保静，研究员，浙江省杰出青年基金、国家优秀青年基金获得者。主要从事资源与环境管理领域的交叉研究，在大尺度氮循环模型构建、资源环境效应评估、成本收益分析及其管理调控等方面取得了一些研究成果。在国内外期刊上发表论文80余篇，其中SCI/SSCI收录70余篇，包括第一/通讯作者在Science、Nature、PNAS、Nature Sustainability、Nature Communications、Nature Food等重要期刊上发表论文。担任国际氮素促进会(INI)亚洲区工作委员会成员，中国土壤学会氮素工作组委员，Environmental Science and Pollution Research编委。

个人主页：https://person.zju.edu.cn/bjgu 

王梅，华南师范大学副研究员（青年拔尖人才）。主要致力于湿地碳氮及能量循环研究，在湿地碳循环过程、气候变化和人类活动的耦合机制等方面取得了一些研究成果。主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金及广州市科学研究计划项目多项。目前以第一作者/通讯作者在The Innovation、Global Change Biology、Soil Biology and Biochemistry、Quaternary Science Reviews等国际主流SCI期刊发表论文17篇，其中中科院JCR一区论文12篇。担任国家及广东省自然科学基金委函评专家及Quaternary Science Reviews等多个国际主流SCI期刊审稿人。

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The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者们来自全球26个国家；每期1/3-1/4通讯作者来自海外。目前有185位编委会成员，来自21个国家；51%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，26位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus等数据库收录。

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