基于溶解有机碳与氮的比率来确定河积-水成土壤硝酸盐的潜在淋溶风险区域

《Environmental and Sustainability Indicators》：The determination of potential leaching risk area for fluvo-aquic soil nitrate based on the ratio of dissolved organic carbon to nitrogen

土壤溶解性有机碳与氮（DOC:N）比率对硝酸盐（NO??-N）淋失风险的影响及评估方法研究。通过土壤柱淋失实验和实地调查，发现DOC:N比率与NO??-N浓度及淋失量呈显著负指数关系，并基于地下水硝酸盐标准（20 mg/L）确定不同土层临界阈值（0-20 cm为0.117，20-40 cm为0.145，40-60 cm为0.137），揭示空间高值区集中在潮白河东侧温室用地周边。该研究为精准农业管理和地下水保护提供科学依据。

　　土壤溶解有机碳与氮（DOC:N）的比值对土壤中硝态氮（NO??–N）的矿化和固定过程具有重要影响，从而进一步影响土壤中硝态氮的积累和淋失。然而，DOC:N比值与土壤硝态氮淋失之间的关系尚不明确，尤其是在土壤剖面中。本研究通过土壤柱淋失实验和实地调查，探讨了DOC:N比值与硝态氮淋失潜力之间的联系，重点分析了潮土（fluvo-aquic soil）在三个深度（0-20 cm，表层土壤；20-40 cm，亚表层土壤；40-60 cm，第三层土壤）中的相关性。实验结果表明，土壤柱淋失实验中，NO??–N浓度与淋失的NO??–N量以及通过级联提取法提取的土壤中NO??–N含量之间存在显著的正线性相关性。在每一层土壤中，这两个参数均随着DOC:N比值的增加而呈指数下降。实地验证进一步确认了土壤DOC:N比值与对应土壤溶液中NO??–N浓度之间存在稳健的负指数相关性。在低DOC:N比值条件下，观察到较高的蛋白酶活性；而在高DOC:N比值条件下，氮酶活性则相对较高。基于地下水质量标准（20 mg NO??–N L?1），分别确定了表层土壤、亚表层土壤和第三层土壤的临界DOC:N比值为0.117、0.145和0.137。通过对2017年从三个深度采集的土壤样本进行分析，评估了NO??–N淋失的潜在风险。结果显示，所有三个土层中NO??–N淋失的潜在风险呈现出一致的空间分布模式：在潮白河东岸的温室用地周边区域，风险较高。这些发现表明，土壤DOC:N比值可以作为评估硝态氮淋失风险的有效指标。

在农业系统中，硝态氮污染对地表和地下水体构成了严重威胁，特别是在农业地区。虽然氮肥的施用可以显著提高作物产量，但当施用量超过作物需求时，就会对环境产生不利影响。这种不平衡导致了大量硝态氮通过淋失进入水体，成为地下水污染的重要来源。根据一项对175个监测井的水质评估，44%的地下水样本中硝态氮浓度超过了世界卫生组织设定的饮用水标准（11.3 mg NO??–N L?1）。因此，评估农田土壤硝态氮淋失的潜在风险，并识别高风险区域，对于实现农业的可持续发展和保护生态环境至关重要。

近年来，评估土壤硝态氮淋失的方法有了显著进步。主要的方法包括实验分析和经验模型。实验方法，如通过吸力杯收集淋溶水、分析田间排水中的渗滤液以及测量地下水中的氮浓度，虽然能够提供直接的证据，但由于成本高且依赖于实际淋失事件的发生，其应用受到一定限制。相比之下，经验模型基于诸如农业管理、特定土壤特性、环境指标或稳定氮同位素等参数，能够提供更简便的评估方式。然而，这些方法通常较为复杂，耗时较长，且需要大量的数据和先进的分析工具，这限制了其在农业管理和政策制定中的应用。因此，需要一种更快速、更简单的方法来评估农业用地中的土壤硝态氮淋失风险。

土壤碳氮比（C:N）是评估碳和氮循环的重要指标。已有研究表明，土壤C:N比值与氮的矿化和固定过程密切相关。一般来说，低C:N比值有利于有机氮的矿化，促进其释放到环境中；而高C:N比值则更可能促进微生物对氮的固定，减少氮的流失。然而，由于土壤总有机碳中存在大量高度稳定的有机碳（如腐殖质），这些碳并不容易被微生物利用，因此总有机碳与氮的比值可能无法准确反映氮的矿化和固定过程。相比之下，DOC:N比值更能够反映可溶性有机碳与总氮之间的关系，DOC作为微生物可以直接快速利用的碳源，使得DOC:N比值成为评估碳氮平衡的敏感指标。低DOC:N比值会导致碳源不足，从而促进有机氮的矿化，增加硝态氮的产生；而高DOC:N比值则有利于异养微生物对无机氮的吸收，减少硝态氮的积累。这些机制得到了先前研究的支持，即土壤中的硝态氮含量与所施用有机改良剂（如消化残渣）的DOC:N比值呈负相关。此外，DOC本身的化学组成也会影响其与氮循环的耦合关系。

潮白河流域位于中国华北平原，面积达19,354 km2，是该地区重要的农业生产区。同时，该流域也是北京重要的生态屏障和饮用水源地。研究表明，长期过量施用氮肥导致该流域地下水和地表水中的硝态氮浓度上升，某些区域的浓度甚至超过了饮用水安全标准。该地区的主要土壤类型为潮土，其具有松散的结构、较差的结构稳定性以及较低的水分保持能力，这些特性可能显著增强硝态氮的移动性和淋失风险，从而增加水体污染的可能性。此外，该地区农业用地存在氮肥施用和灌溉不平衡的问题，这可能会影响硝态氮淋失的空间变化。因此，系统地阐明硝态氮淋失风险的空间分布模式，不仅对保障区域饮用水安全具有重要的现实意义，也为实现可持续的土壤养分管理和推广精准施肥策略提供了关键的科学依据。

本研究的主要目标包括：（1）探讨土壤DOC:N比值与土壤柱淋溶液中硝态氮浓度及淋失量之间的关系；（2）验证土壤DOC:N比值与田间土壤溶液中硝态氮浓度之间的关系；（3）确定潮土剖面中硝态氮淋失风险的空间分布。为了实现这些目标，本研究采用了土壤柱淋失实验和实地调查相结合的方法。在2020年，从7个采样点的三个深度（0-20 cm，20-40 cm，40-60 cm）采集了21个土壤样本，并进行了相应的实验。在2021年和2025年，还进行了两次实地验证实验，分别采集了22个和20个采样点的土壤溶液，以进一步验证土壤DOC:N比值与硝态氮淋失之间的关系。通过这些实验，研究者们发现，土壤DOC:N比值能够有效反映硝态氮的淋失潜力，并且其在不同深度的土壤层中具有显著的负指数相关性。

为了评估土壤DOC:N比值与硝态氮淋失风险之间的关系，本研究采用了一种级联提取方法来提取土壤中的硝态氮含量。该方法能够更准确地反映硝态氮在土壤剖面中的分布情况。通过对比直接提取法，研究发现级联提取法在评估硝态氮淋失潜力方面更具优势。此外，实验中还分析了土壤氮酶活性和蛋白酶活性，这些指标能够进一步说明土壤DOC:N比值对氮循环的影响。在低DOC:N比值条件下，蛋白酶活性较高，表明微生物对有机氮的矿化能力较强；而在高DOC:N比值条件下，氮酶活性较高，表明微生物对无机氮的固定能力较强。这些结果支持了土壤DOC:N比值作为评估硝态氮淋失风险的有效指标。

在研究过程中，还采用了地理统计分析方法（如克里金插值）来绘制土壤DOC:N比值的空间分布图。这些空间分布模式显示，DOC:N比值在不同土地利用类型中存在显著差异。例如，在温室用地中，由于氮肥的大量施用和频繁灌溉，DOC:N比值较低，而开放农田由于秸秆还田和有机肥的使用，DOC:N比值较高。此外，研究还发现，随着土壤深度的增加，DOC:N比值的变异系数呈现先降低后升高的趋势，这可能与不同深度的土壤母质差异有关。总体而言，土壤DOC:N比值能够有效反映硝态氮的淋失风险，并且其在不同土壤层中的表现具有一定的空间特征。

基于上述研究结果，本研究还确定了不同土壤层的临界DOC:N比值，即表层土壤为0.117，亚表层土壤为0.145，第三层土壤为0.137。这些临界值有助于识别高风险区域，并为农业管理提供科学依据。例如，在潮白河东岸的温室用地周边，由于DOC:N比值低于临界值，硝态氮的淋失风险较高，可能对地下水造成威胁。因此，研究建议在温室用地中采取措施，如减少氮肥施用量、增加有机质输入等，以提高土壤DOC:N比值，从而降低硝态氮的淋失风险。

本研究的局限性在于，虽然实地验证确认了DOC:N比值与硝态氮淋失之间的负指数关系，但采样频率较低，仅在7月和9月进行了两次采样，这可能影响对不同季节和作物生长阶段的全面评估。此外，研究结果基于潮土这一特定土壤类型，其在其他土壤类型（如紫色土、黑土、黄土等）中的适用性仍需进一步验证。未来的研究应考虑更长时间尺度的监测，并探索不同土壤类型和耕作制度下的DOC:N比值对硝态氮淋失的影响。

综上所述，本研究通过实验和实地调查相结合的方法，验证了土壤DOC:N比值作为评估硝态氮淋失风险的有效指标。这一发现不仅为农业可持续发展提供了科学支持，也为精准施肥和土壤管理策略的制定提供了依据。在实际应用中，提高土壤DOC:N比值是降低硝态氮淋失风险的重要手段，可以通过增加DOC的输入或减少TN的积累来实现。这为农业管理者和政策制定者提供了新的思路，有助于减少农业活动对地下水的污染，保护生态环境和人类健康。