中国农田氮素管理优化：气候驱动下生态系统氮泄漏风险的缓解策略

本研究针对中国农田生态系统中氮素(NO3 ? /NH4 + )平衡与气候变化的交互作用，通过整合6592组观测数据，揭示了不同生态系统的氮泄漏风险空间分异规律。研究发现，旱地土壤NO3 ? /NH4 + 比高达9.10，显著高于湿地(0.43)，而管理措施(矿物氮输入、有机肥施用)对氮泄漏的影响强于自然因素。预测显示，SSP5-8.5情景下中国东南部农田NO3 ? /NH4 + 比将上升1.4%-14.7%，而优化施肥与灌溉可减少62.3%的气候驱动氮损失。该研究为可持续农业与气候适应提供了科学依据。

　　

在全球气候变化与农业集约化的双重压力下，土壤氮素管理正面临前所未有的挑战。氮素作为植物生长必需元素，其形态转化直接影响着粮食安全与环境健康。然而，当前农田生态系统中硝酸盐(NO₃
^?
)与铵盐(NH₄
⁺
)的平衡机制仍存在显著认知空白，特别是在气候变化背景下，如何通过优化管理实现氮素高效利用与环境保护的协同，成为亟待解决的科学难题。

中国科学院土壤研究所的研究团队在《Agricultural Systems》发表的最新研究，通过整合中国6592组生态系统观测数据，首次系统量化了不同土地利用类型下氮泄漏风险的空间格局及其驱动机制。研究采用随机森林(Random Forest)和线性混合效应模型(linear mixed-effects models)，结合未来气候情景模拟，揭示了矿物氮输入、有机肥施用等管理措施对氮素形态转化的主导作用，并提出了针对性的缓解策略。

关键技术方法
研究团队构建了涵盖中国主要生态系统的土壤氮素数据库，包含NH₄
⁺
、NO₃
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和总氮(TN)等指标。通过Web of Science和中国知网(CNKI)系统检索获取文献数据，运用随机森林模型解析驱动因子贡献度，结合线性混合效应模型量化管理措施与气候变量的交互作用。未来预测采用共享社会经济路径(SSP5-8.5)下的气候情景，评估2030s-2090s期间氮素动态变化。

研究结果

土壤无机氮库及比值特征
数据分析显示，中国生态系统无机氮库存在显著空间异质性。湿地和稻田表现出NH₄
⁺
优势(22.90-24.03 mg kg^?1
)，而旱地土壤NO₃
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含量高达48.41 mg kg^?1
。NO₃
^?
/NH₄
⁺
比值从湿地的0.43(保守型循环)递增至旱地的9.10(泄漏型循环)，溶解无机氮(DIN)与TN比值在华北平原最高，西南地区最低。

氮泄漏驱动机制
随机森林模型表明，管理实践对NO₃
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/NH₄
⁺
比的影响权重超越气候和土壤因子。矿物氮输入直接促进旱地硝化作用，而有机肥施用通过降低碳氮比(C/N)抑制NO₃
^?
积累。灌溉强度与NO₃
^?
淋失呈正相关，这种效应在年降水量>800 mm区域尤为显著。

未来情景预测
SSP5-8.5情景模拟表明，到2090s中国东南部农田NO₃
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/NH₄
⁺
比将上升14.7%，对应N₂
O排放潜力增加6.3 Tg N yr^?1
。敏感性分析显示，减少30%矿物氮配合有机替代(占总量20%)及优化灌溉，可抵消62.3%的气候增渗效应，同时维持作物所需的无机氮供应。

结论与意义
该研究首次在全国尺度上建立了氮素形态转化与管理措施的定量关系，证实了农业实践在调控气候敏感型氮循环中的关键作用。提出的"减量化-有机化-精准化"管理策略，为同时实现《联合国可持续发展目标》(SDG 2零饥饿和SDG 13气候行动)提供了技术路径。特别是针对中国东南部高风险区，通过调整施肥结构(矿物氮减少至150 kg ha^?1
yr^?1
以下)和推广控灌技术，可在保证粮食生产前提下，显著降低水体富营养化和温室气体排放风险。这些发现对全球氮素可持续管理具有示范意义，也为气候智慧型农业提供了理论支撑。