土壤侵蚀程度对氮转化过程及气态氮损失的差异化影响：基于15N示踪技术的培养实验研究

本研究针对农业土壤侵蚀导致的表土流失问题，通过15N示踪技术与Ntrace模型，量化了不同侵蚀程度下氮转化路径及N2O/N2排放特征。发现表土稀释显著降低总氮周转率，其中NH4+氧化为主导途径，且90%以上N2O源自NO3-库。研究为侵蚀土壤的氮循环机制提供了新见解，对优化施肥策略和减少氮污染具有重要意义。

　　

土壤侵蚀是威胁全球农业可持续发展的核心问题之一，其通过剥离肥沃表土导致养分流失，并改变土壤剖面结构。在坡肩等易蚀区域，耕作活动会将贫瘠底土混入表土，形成"表土稀释"现象，显著降低土壤有机质含量。这种物理化学性质的改变如何影响氮素循环关键过程，尤其是微生物驱动的氮转化路径及伴随的N₂O和N₂排放，长期以来缺乏系统研究。尽管前人关注了侵蚀对土壤有机碳的影响，但对氮循环的关联研究仍存空白，而这两者通过微生物活动紧密耦合。

中国科学院沈阳应用生态研究所（Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences）的研究团队在《Soil Security》发表论文，通过控制实验结合¹⁵N双标记技术，首次揭示了不同侵蚀程度对氮转化通路的差异化影响。研究人员构建三种人工侵蚀梯度（非侵蚀E0、弱侵蚀E1、强侵蚀E2），采用¹⁵NH₄NO₃和NH₄¹⁵NO₃镜像标记法，结合Ntrace模型量化总氮转化率，并利用¹⁵NGF方法解析气态氮来源。实验同步监测玉米植株的氮吸收动态，以评估植物-土壤互作效应。

关键技术包括：（1）建立人工侵蚀梯度土壤培养体系；（2）¹⁵N双标记同位素示踪技术；（3）Ntrace模型解析氮转化网络；（4）气相色谱-同位素比值质谱联用测定N₂O/N₂排放；（5）SPIN-MIRMS系统分析¹⁵N丰度。实验土壤采自德国Brandenburg地区的Nudiargic Luvisol，通过混合不同比例底土模拟侵蚀效应。

【土壤性质与氮转化特征】
数据显示，表土稀释使有机碳含量从E0的8.46 g/kg降至E2的5.65 g/kg。Ntrace模型揭示NH₄⁺氧化为NO₃^-是主导路径（E0达3897.6 μg N kg^-1 d^-1），且随侵蚀程度加剧显著降低（E2减少45.7%）。矿化作用呈现E0>E0p>E2p的梯度，而NH₄⁺固定仅见于非侵蚀土壤。

【气态氮排放规律】
GC-IRMS联用数据显示，N₂O排放峰值出现在培养14小时后，E0p处理最高（79.49 μg N kg^-1 d^-1）。同位素溯源表明，>90%的N₂O源自NO₃^-库，支持耦合硝化-反硝化（coupled nitrification-denitrification）为主导机制。N₂O/(N₂O+N₂)比值在E0达0.64，反映不完全反硝化特征。

【植物-土壤互作效应】
尽管玉米使部分处理的N₂O+N₂排放翻倍，但表土稀释的抑制效应更显著。Ndff（肥料氮利用率）分析显示，强侵蚀土壤（E2p）的¹⁵NO₃^-吸收显著增加，证实植物对土壤固有氮的依赖度降低。

本研究系统阐明了侵蚀土壤中氮转化的级联反应：表土稀释→有机质减少→微生物活性受限→氮转化速率下降→气态氮排放降低。特别值得注意的是，即使在40%WFPS（water-filled pore space）的偏好氧条件下，NO₃^-库仍是N₂O主要来源，这对传统"硝化主导好氧排放"认知形成重要补充。研究为精准预测侵蚀景观的氮循环提供了过程参数，对制定基于侵蚀程度的差异化施肥方案具有指导价值。未来研究可结合分子生物学手段，进一步解析微生物群落结构变化与功能基因表达的关联机制。