利用稳定同位素模拟波希米亚斯拉夫科夫森林山地流域氮素流失及其水文地球化学耦合机制

这篇研究通过整合水文与地球化学方法，结合稳定同位素（δ2H、δ18O、δ15N-NH4+/NO3?和δ18O-NO3?）示踪技术，量化了捷克GEOMON监测网内温带森林集水区的氮循环过程。研究发现地下水贡献了75%–90%的径流，而快速渗透的土壤水占10%–25%；降水渗透增加会减少微生物氮生产，但会最大化反应性氮（NR）输出，反硝化作用（15%–24%矿化氮）受气候波动显著影响。该框架为预测气候变化对山地流域养分迁移和水质的影响提供了关键工具。

　　

研究背景与意义

捷克西北部的斯拉夫科夫森林作为典型氮饱和温带森林，长期承受高氮沉降（9–12 kg N ha^?1 year^?1）。研究通过整合稳定同位素技术与水文模型，揭示了水文过程与氮转化的交互作用，为评估气候变化下氮流失风险提供了科学依据。

研究方法与设计

研究选取Pluhuv Bor（PLB）、Na Zelenem（NAZ）和Lysina（LYS）三个集水区，采用两室模型（土壤水与地下水）分析径流生成。通过δ¹⁸O示踪发现，地下水贡献75%–90%径流，土壤水占10%–25%，且水文响应迅速。同位素质量平衡法量化了包气带氮矿化（0.6–1.5 kg N ha^?1 year^?1）和地下水反硝化（0.7–1.6 kg N ha^?1 year^?1），并利用δ¹⁵N和δ¹⁸O-NO₃^?双同位素解析氮转化路径。

关键发现

1. 1.

   水文驱动氮输出：降水渗透增加会稀释微生物氮生产，但通过提升土壤水通量促进N_R输出。春季融雪期观测到大气氮直接输入径流的短暂现象。

2. 2.

   反硝化作用：基于¹⁵ε=?16‰的估算显示，反硝化损失占矿化氮的13%–33%，且与溶解有机碳（DOC）浓度呈正相关。

3. 3.

   同位素分馏特征：土壤水NO₃^?的δ¹⁸O值（11‰–13‰）显著低于大气来源（40‰–60‰），表明其经历土壤水平衡交换；而δ¹⁵N-NO₃^?与δ¹⁸O的1:1协同变化证实地下水反硝化主导氮流失。

模型局限与创新

研究采用FLOW PC模型简化了空间异质性，但未考虑优先流路径的瞬时影响。创新点在于通过δ¹⁵N-NH₄⁺直接约束土壤矿化通量，并结合水文参数校正反硝化估算，将不确定性从传统实验室ε值范围（?5‰至?40‰）缩小至现场实测值（?16‰）。

生态与气候启示

温带森林的氮饱和状态使其对降水格局变化极为敏感。研究预测，气候变暖导致的降水增加可能加剧氮淋失，威胁下游水质。该框架为全球类似生态系统（如北美、欧洲高氮沉降区）的氮管理提供了可移植的方法论。