深度土壤对全球氮预算的重要贡献：解锁隐藏的氮库密码

在全球氮循环研究中，土壤氮预算估算存在两大关键空白：多数全球氮预算未涵盖深层土壤氮，且全球土壤 NO3-预算缺乏空间量化。研究人员通过系统回顾与机器学习方法，估算出深层土壤硝酸盐库为 15.2（±1.1 SD）Pg N，增加了全球氮预算，对理解氮循环意义重大。

　　在地球生态系统中，氮元素就像一把神奇的钥匙，掌控着诸多生态过程的 “大门”。生物可利用的土壤氮（N）在地球表面的大部分区域限制着初级生产力，它影响着全球部分地区的作物产量，还制约着植被生长，而植被本可以通过吸收大气中的二氧化碳来缓解气候变化。尽管氮元素如此重要，在氮循环研究的诸多领域也取得了不少进展，但环境储库中活性氮的储存仍是我们理解氮预算过程中最大的不确定因素之一。目前，全球土壤氮的估算通常基于表层 1 米（或更浅）土壤的测量，常常忽略了深层土壤中储存的氮。而且，全球土壤硝酸盐（NO₃^-）预算尚未进行空间量化，这就好比一幅拼图缺少了关键的几块，让我们难以看清全球氮循环的完整面貌。

为了填补这些关键的知识空白，来自耶鲁大学（Yale University）、中国科学院应用生态研究所等机构的研究人员开展了一项关于 “深度土壤对全球氮预算的贡献” 的研究。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们深入理解全球氮循环带来了新的曙光。

研究人员主要运用了两种关键技术方法。一是通过系统回顾（observational synthesis），在 Web of Science 数据库中搜索相关文献，提取了 57 项研究中 363 个土壤剖面（深度 2 - 205 米）的氮数据，重点分析了 280 个土壤剖面的 NO₃^-数据，并收集了相关土壤和环境数据。二是利用机器学习方法（machine learning approach），以气候、土壤性质、植物生物量和人类活动等作为预测变量，通过递归特征消除（Recursive Feature Elimination，RFE）方法筛选出重要变量，使用随机森林回归（RF）、Cubist、随机梯度提升（GBM）三种模型进行训练，最终 RF 模型表现最佳，用于生成全球深层土壤 NO₃^-的空间预测。

全球实地测量深层土壤硝酸盐库的综合分析：研究人员对全球范围内不同生态系统（热带、温带和干旱生态系统）的土壤剖面进行分析。结果发现，深层土壤 NO₃^-库范围为 0 - 13,600 kg N ha^-1，中位数为 218 kg N ha^-1。不同生态系统的深层土壤 NO₃^-库存在差异，干旱地区和自然生态系统中的一些站点深层土壤 NO₃^-库较大，森林土壤剖面的深层土壤 NO₃^-库相对较小，可能是因为大树根系吸收或气候导致氮损失途径增加。

全球深层土壤硝酸盐库的模型估算：研究人员将综合分析结果与机器学习方法相结合，构建全球模型。发现土壤深度、岩石氮风化率、干旱指数、施肥率和温度是预测全球土壤 NO₃^-的重要变量。通过 RF 模型估算，全球深层土壤 NO₃^-库总量为 15.2（±1.1 SD）Pg N，其中农田土壤为 2.6 Pg N，草原为 2.0 Pg N，森林土壤为 5.1 Pg N，沙漠土壤为 5.5 Pg N。这使得全球土壤氮预算增加了 16%（基于之前常用的 95 Pg 全球土壤氮估算值），但具体增加幅度因全球土壤氮估算值的不同而在 5 - 281% 之间变化。与之前其他研究相比，该研究范围更广，考虑了更多生态系统类型和更深层土壤数据，不过估算值小于之前对干旱地区深层土壤氮的部分估算结果，主要原因包括研究区域和方法的差异等。研究还发现，土壤深度、岩石氮风化率和干旱指数是土壤 NO₃^-的最佳预测指标，施肥会影响深层土壤氮库，但农田土壤的深层氮库相对较小，可能受到多种因素综合影响。

研究还存在一定局限性，样本数量相对较少，部分地区数据缺失，数据多集中在较浅土层，这些因素导致估算存在不确定性。不过，该研究仍代表了当前对深层土壤氮库的前沿认知。

在结论与讨论部分，研究明确了深层土壤氮库对全球氮预算有着重要贡献，其增加了全球土壤氮储存预算。深层土壤氮库相对稳定，与地表和水体中活跃参与污染的氮库不同，它不易发生反硝化作用，在一定程度上可以减少氮淋失对环境的污染。此外，深层土壤氮有可能被深根植被吸收，但这一关系还需要更多研究。同时，深层土壤可能是全球氮循环中 “缺失氮汇” 的重要组成部分，对理解全球氮循环平衡意义重大。从更宏观的角度看，对深层土壤的研究有助于完善我们对土壤和生态系统的认识，土壤的生物活性比以往认为的更深，深层土壤在养分和碳储存等方面发挥着关键作用。准确估算土壤氮对全球和区域氮预算、资源管理以及应对气候变化都至关重要，而深层土壤氮的研究可以推动这些领域的发展。该研究为后续深入探究深层土壤氮的动态变化、其与植物根系的相互作用以及在全球变化背景下的响应奠定了坚实基础，也呼吁更多科研工作者关注深层土壤这个神秘而又关键的领域。