森林土壤硝酸盐去除动力学与水文传输时间的耦合机制研究

针对大气氮沉降增加导致的森林土壤硝酸盐淋失问题，研究人员通过土壤柱示踪实验结合HYDRUS-1D模型，揭示了瑞士Cugy地区落叶林土壤在田间持水量条件下的硝酸盐去除机制。研究发现氧化还原条件与土壤水分的动态解耦现象，首次量化了传输时间分布（TTDs）对硝酸盐转化的控制作用，为气候变化背景下森林氮循环建模提供了关键参数。

　　

随着全球氮沉降量持续增加，森林土壤的氮素循环过程正面临前所未有的压力。瑞士作为欧洲氮沉降热点区域，其森林生态系统尤其容易受到氮饱和和土壤酸化的威胁。在落叶林生态系统中，早春季节是氮动态变化的关键窗口期——此时土壤微生物活性复苏而植被吸收尚未完全启动，硝酸盐(NO₃^-)极易通过水文过程流失。然而，传统研究多关注饱和带中的氮循环，对非饱和带（vadose zone）中水文传输与生物地球化学过程的耦合机制认识不足，特别是土壤水分接近田间持水量（field capacity）这一关键阈值时，氧化还原（redox）条件如何调控硝酸盐命运仍存在知识空白。

瑞士洛桑联邦理工学院（école Polytechnique Fédérale de Lausanne）的研究团队创新性地采用示踪剂耦合数值模拟的方法，在控制实验中重现了Cugy地区山毛榉林土壤的早春水文条件。通过溴化物(Br^-)和硝酸盐双示踪实验，结合HYDRUS-1D模型反演土壤水力参数，首次量化了传输时间分布（TTDs）与氧化还原波动对硝酸盐去除的联合控制作用。研究发现，当土壤饱和度维持在85%左右时，氧化还原条件与水分状态呈现非线性的"磁滞回线"关系——在持续湿润期两者解耦，而在干湿交替期重新耦合。这种动态关系直接影响了硝酸盐的去除效率，其中上层土壤（0-25cm）和下层土壤（25-50cm）分别表现出0.36 d^-1和0.72 d^-1的一级动力学速率差异。研究还发现，微生物代谢产生的溶解性有机碳(DOC)存在双峰释放模式，第二次释放高峰与铵态氮(NH₄⁺)浓度下降同步，暗示着微生物群落的功能演替。

关键技术方法包括：1）多步出流法（MSOM）测定土壤水分特征曲线；2）溴化物-硝酸盐双示踪实验设计；3）HYDRUS-1D模型耦合DREAM_zs算法反演水力参数；4）两室模型解析不同深度区间的传输-反应耦合过程；5）离子色谱法连续监测溶质运移。实验土壤采自160年树龄的欧洲水青冈(Fagus sylvatica L.)林下，通过添加纤维二糖(cellobiose)模拟春季DOC水平。

氧化还原条件与土壤水分的动态耦合

通过高频监测发现，在碳添加初期（周期1-4），8cm深度土壤饱和度与4/12cm深度氧化还原电位呈现明显滞后环，证实微生物代谢驱动了水分-氧化还原耦合。而在后期灌溉间隔延长时（周期5-9），氧化还原状态呈现渐进式而非突变式转变，说明孔隙尺度氧扩散存在时间延迟效应。

传输时间分布调控硝酸盐去除

基于Péclet数分析显示，虽然整体流态保持分散主导（Pe=1.5-2.0），但纵向弥散度随深度增加而增大。两室模型揭示下层土壤更高的硝酸盐去除速率（0.72 d^-1）与增强的溶质-基质接触时间相关，对应达姆科勒数(Da)1-1.5的动力学限制区间。

森林土壤的氮缓冲潜力

情景模拟表明，即使将降雨硝酸盐浓度提高5倍，实验土壤仍能完全截留氮输入，这与瑞士森林监测网络数据一致。研究者提出"过渡阶段"理论——当前氮沉降水平下，Cugy森林土壤仍处于"氮饱和阈值"之下，短期内可能受益于氮输入增加的施肥效应。

这项发表于《CATENA》的研究为湿润地区森林氮循环建模提供了三个关键启示：首先，氧化还原参数不应简单关联于体积平均含水量，而需考虑微生物活动的空间异质性；其次，传输时间分布必须作为独立变量纳入反应动力学方程；最后，土壤碳库动态显著影响氧化还原震荡的响应速度。这些发现对预测气候变化背景下中纬度森林的氮滞留能力具有重要价值，特别是针对RCP8.5情景下降水模式改变对土壤生物地球化学过程的潜在影响。研究建立的实验-模型耦合框架，未来可扩展应用于不同植被类型和土壤质地的系统性比较研究。