关联氮转化过程与土壤δ15N以评估热带泥炭沼泽森林与油棕种植园氮损失驱动因子

《Journal of Environmental Management》：Linking nitrogen transformations and soil δ15N to assess drivers of nitrogen losses across a tropical peat swamp forest and an oil palm plantation

　　

将热带泥炭沼泽森林转为油棕(Elaeis guineensis)种植园与氧化亚氮(N2O)排放升高及硝酸根(NO3?)淋溶增加有关，但其氮(N)损失的生物地球化学机制仍不清楚。为填补此空白，研究人员在马来西亚沿 intact tropical peat swamp forest（完整热带泥炭沼泽森林）与排水油棕种植园设置样带，定量测定了土壤 N2O 通量、总(粗)氮转化速率(gross N transformation rates)、微生物功能基因丰度、年 NO3?淋溶速率及全土(bulk soil) δ15N 特征。油棕种植园表层土壤氧(O2)浓度高于森林样点，表明排水使土壤由以厌氧为主转为好氧条件。这种氧化还原条件转变伴随化肥输入增加了氨氧化菌功能基因丰度并增强了总硝化速率(gross nitrification rate, GNR)，其可超过总氨化速率(gross ammonification rate, GAR)达186%，促进土壤 NO3?累积。升高的土壤 NO3?浓度刺激 N2O 产生（可能经耦合硝化—反硝化 coupled nitrification-denitrification），并增加 NO3?淋溶。总体而言，油棕种植园的气态与水文氮损失均高于泥炭森林。此外，沿土地利用梯度，硝化速率、水文氮输出及气态氮损失均与更富集(enriched)的全土 δ15N 值呈正相关。结果表明，全土 δ15N 模式有潜力作为热带泥炭地因人为土地利用变化引起的长期氮循环与氮损失指示指标。

论文解读：热带泥炭地森林转油棕种植园氮转化过程与氮损失驱动机制——基于土壤δ¹⁵N与总氮转化速率的整合分析

研究背景与意义

热带泥炭地储存全球约81.7–91.9 Gt碳(C)和5.9–25.9 Gt氮(N)，东南亚大面积热带泥炭沼泽森林被转为集约化油棕种植园后涉及森林清理、排水及施氮(N)肥（常＞100 kg N ha^?1yr^?1），已知完整泥炭森林近零或负N₂O通量，而排水施肥的油棕园成为强N₂O源，且NO₃^?淋溶增加，但此前多数研究仅测地表N₂O通量，缺乏总(粗)氮转化速率（gross N transformation rates，代表土壤内真实N周转速率，含总氨化gross ammonification rate/GAR与总硝化gross nitrification rate/GNR）及与土壤自然丰度δ¹⁵N关联的机理证据。本研究由Wangari EG等团队合作完成，发表于《Journal of Environmental Management》，通过整合田间N₂O通量、离子交换树脂法年溶解无机氮(DIN = NH₄⁺-N + NO₃^?-N)淋溶、¹⁵N池稀释法测GAR与GNR、氦培养体系测反硝化(denitrification)及N₂O:(N₂O+N₂)产物比、qPCR定量功能基因（氨氧化amoA、亚硝酸还原nirS/nirK、氧化亚氮还原nosZ-I/nosZ-II、固氮nifH、DNRA之nrfA）、全土δ¹⁵N同位素质谱分析，阐明排水与施肥如何通过改变O₂有效性调控微生物氮周转从而驱动N损失，并探讨全土δ¹⁵N作为人为干扰指示指标的潜力。

主要关键技术方法

研究人员于马来西亚砂捞越Betong Division在Maludam国家公园内四种泥炭沼泽森林相群落（Mixed peat swamp、Alan Batu、Alan Bunga、Padang Alan）及相邻2017–2018年转植并施尿素与硫酸铵等肥料（≈116 kg N ha^?1yr^?1）之排水油棕种植园设样带，分两航次（2024年10月与2025年7月）采集0–10 cm表土，分别测定：(1) 闭动态箱—LI-7820测原位N₂O通量及TEROS 12测土壤温度体积含水量(SWC)、PreSens探针测原位O₂；(2) 埋设Amberlite离子交换树脂于30 cm深估算年DIN淋溶；(3) ¹⁵N池稀释法（¹⁵NH₄⁺与¹⁵NO₃^?标记）结合膜进样质谱(MIMS)测GAR与GNR；(4) 完整土芯氦培养系统于梯度O₂（20%、15%、10%、5%、0%）下测反硝化产物N₂与N₂O通量及产物比；(5) PowerSoil Pro提取DNA后qPCR定量氮循环功能基因拷贝数；(6) EA-IRMS测植株与全土δ¹⁵N、C/N比；(7) 非参检验(Dunn)、PCA及相关回归做统计推断。

研究结果

3.1. Influence of land use on physico-chemical parameters, N₂O fluxes, and annual N leaching（土地利用对理化参数、N₂O通量与年氮淋溶的影响）

研究人员测得油棕园表土O₂较森林高约两个数量级、SWC低至森林之1/2.6，NH₄⁺-N显著低于森林而NO₃^?-N高出两个数量级，NO₃^?:NH₄⁺比显著升高；森林总体为弱N₂O汇（均值近零或微负），油棕园为强N₂O源（均值252.9 μg N m^?2h^?1，最高2405）；年DIN淋溶油棕园以NO₃^?-N为主（占83%，均值≈89 kg N ha^?1yr^?1），较森林（＜2.6 kg N ha^?1yr^?1）高两个数量级；全土δ¹⁵N油棕园显著较森林富集（up to 3.36‰），森林C:N高于油棕园。

3.2. Influence of land use on N transformation rates（土地利用对氮转化速率的影响）

研究人员发现GAR于森林高于油棕园（最高达3.8倍）且在林内有空间变异，GNR油棕园较森林高至14.8倍，GNR:GAR比油棕园为1.82–2.86（硝化超过氨化82–186%），森林多＜1；总反硝化（N₂+N₂O）较低（0.01–0.11 mg N kg^?1d^?1）且空间差异小，产物以N₂为主（N₂O占比1–39%），N₂通量各用地无显著差异，N₂O产物比油棕园与Mixed peat swamp较高。

3.3. Effects of oxygen availability on denitrification rates across land uses（O₂有效性对不同用地反硝化速率的影响）

研究人员于培养中降低O₂发现：环境O₂下总反硝化无用地差异；降至10% O₂时油棕园N₂O通量与N₂O:(N₂O+N₂)比升高（最高占反硝化产物59%），森林不变；降至0% O₂时油棕园N₂与N₂O急剧升，森林趋近零或负N₂O通量；按原位O₂（油棕≈17%，森林≈0%）对照，培养N₂O方向吻合田间观测——油棕源、森林汇/近零。

3.4. Influence of land use on microbial functional gene abundance（土地利用对微生物功能基因丰度的影响）

研究人员检出油棕园amoA（氨氧化古/细菌）丰度高于Alan Batu森林（Alan Bunga与Padang Alan低于检测限），nirS、nirK、真菌nirK、nosZ-I、nosZ-II及nifH于森林显著高于油棕园；amoA/(nosZ-I+nosZ-II)比油棕园高于Alan Batu，反映更高N₂O累积潜力。

3.5. Biogeochemical drivers of N cycling and loss pathways across land uses（不同用地氮循环与损失途径的生物地球化学驱动因子）

研究人员通过PCA（解释方差80.3%）显示PC1为正向O₂、NO₃^?-N、GNR、N₂O通量、DIN淋溶、富集全土δ¹⁵N（油棕在右端）vs. 反向NH₄⁺-N、SWC、GAR、反硝化/固氮基因（森林在左端）；回归证实SWC降→GNR:GAR升→反硝化与nifH基因降；GNR:GAR与田间NO₃^?:NH₄⁺比及N₂O通量正相关；全土δ¹⁵N与NO₃^?:NH₄⁺比、年DIN淋溶、N₂O通量沿森林→油棕梯度正相关。

讨论与结论翻译（Conclusion部分）

本研究表明，完整泥炭沼泽森林与油棕种植园间N₂O通量及N淋溶差异主要由土壤O₂有效性增加与合成氮肥输入共同驱动，二者改变关键N循环过程。种植园中土壤通气性改善及化肥源N促进以硝化为主导的周转（表现为总硝化速率超过总氨化速率及氨氧化基因丰度升高），导致土壤NO₃^?-N积累并伴有显著升高的NO₃^?-N淋失。这些发现凸显热带泥炭地转化的环境后果，包括强效温室气体排放增加及活性氮输出的地表水污染。种植园土壤全土δ¹⁵N富集进一步表明该站点维持更高N输入、N循环与N损失，反映更"开放(open)"的N循环；反之完整泥炭森林维持保守(conservative)N循环，具低N₂O通量与DIN淋失。综上，结果指示通过优先保护完整泥炭沼泽森林、恢复或再湿润退化泥炭地及改进施肥管理以减少N损失，具减缓气候变化与改善水质的实质潜力。