快速盐渍化改变氮循环并揭示多年生草本植物在沿海农田养分截留中的潜力

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Rapid salinization alters nitrogen cycling and reveals the potential of perennial grasses for nutrient retention in coastal agricultural fields

　　

盐水入侵（Saltwater Intrusion, SWI）正在通过土壤盐度上升、养分循环改变和作物生产力下降，快速改变沿海农业景观。在美国马里兰州下东海岸，研究人员研究了在代表农民对SWI常见应对策略的土地管理措施下（多年生草本植物建立、恢复和弃耕），盐渍化如何影响土壤、孔隙水和植物中的氮（N）。在三个受盐水入侵的农场和超过三年的时间内，土壤电导率（EC_1:5）增加了2至4倍，土壤钠（Na）增加了4至6倍，孔隙水电导率（EC）增加了2倍，表明这些地块正在快速盐渍化。表土（0–10 cm）Na和EC_1:5高度相关（R² = 0.88），而表土Na与N之间的关系显著但不强（R² = 0.33），表明Na仅解释了土壤N库变异的一部分。土壤无机氮（硝酸盐和铵）下降，表明在持续盐渍化下有效N库被消耗。然而，在柳枝稷（Panicum virgatum，多年生草本植物建立）和绒毛盐草（Spartina patens，恢复）处理下，地上生物量N大幅增加，积累的N比弃耕地块多4倍。这些结果表明，即使地块盐渍化，多年生草本植物系统仍能维持生产力并积累更多地上生物量N。相比之下，弃耕地块表现出较低的生物量和减少的现存生物量N库。因此，建立耐盐多年生草本植物是沿海农场因海平面上升和SWI而发生转型的有效策略。这些发现为寻求支持盐渍化农业用地适应性管理的保护地役权计划和保护项目提供了可操作指导。

**论文解读文章：快速盐渍化下多年生草本植物对沿海农田氮循环与养分截留的影响**

**研究背景与问题**

盐水入侵（Saltwater Intrusion, SWI）正威胁全球沿海农业系统，尤其在北美大西洋沿岸中段，海平面上升（Sea-Level Rise, SLR）速率达全球平均的3–4倍。SWI导致土壤盐度升高、养分循环改变和作物减产，并推动农田向沼泽的转化。例如，2011–2017年间，德尔马瓦半岛有超过2万英亩农田转化为沼泽，造成3940万至1.075亿美元的经济损失。然而，SWI对氮（Nitrogen, N）循环的具体影响尚不明确，尤其是不同土地管理策略如何调控土壤、孔隙水和植物中的N动态。现有研究表明，盐渍化会降低土壤阳离子保持能力，使施用的氮肥（如铵态氮，NH₄⁺-N）更易淋溶，从而增加邻近水体富营养化风险。农民面对SWI可能采取不同应对措施：建立耐盐多年生草本植物、恢复原生盐沼物种或弃耕。这些管理策略对N循环的影响尚未被系统评估，因此开展本研究以填补这一知识空白。

**研究内容与结论**

研究人员在美国马里兰州下东海岸的切萨皮克湾流域，选取三个受SWI影响的农场和一个无盐对照点，设置随机完全区组设计，比较三种管理策略：多年生草本植物建立（柳枝稷，Panicum virgatum）、恢复（绒毛盐草，Spartina patens）和弃耕（自然杂草群落）。自2018年至2020年，连续监测土壤（0–10 cm深）电导率（EC_1:5）、钠（Na）浓度、无机氮（NH₄⁺-N和NO₃^--N）、全氮（Total N），以及孔隙水（60 cm深）EC和无机氮，并测定地上生物量及其N含量。研究发现：表土EC_1:5在三年内增加2–4倍，Na增加4–6倍，孔隙水EC约翻倍，表明这些地块正快速盐渍化。土壤无机氮（NH₄⁺-N和NO₃^--N）浓度显著下降，弃耕地块尤为明显；而多年生草本植物处理（P. virgatum和S. patens）的地上生物量N积累量是弃耕的4倍以上。结论：在快速盐渍化背景下，建立耐盐多年生草本植物可维持高生产力并有效截留地上部N，是一种优于弃耕的适应性管理策略。该研究发表在《Agriculture, Ecosystems》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用随机完全区组设计，在三个受SWI的农场（位于马里兰州多切斯特县、萨默塞特县和克里斯菲尔德附近）及一个无盐对照点（马里兰大学下东海岸研究与教育中心，LESREC）设立实验。土壤样品使用22 mm直径推土钻采集，分0–10、10–20、20–30、30–60 cm深度，测定全N（干燃烧法，LECO CN-2000）、无机氮（2 M KCl提取，LACHAT QuikChem比色分析）及有效Na（Mehlich-3提取，ICP-OES）。孔隙水通过多孔杯张力计（60 cm深）采集，测定EC和无机氮。地上生物量在0.25 m2样方内采集，分物种烘干称重，并用干燃烧法（LECO TruMac N）测定组织%C和%N。统计分析采用线性混合效应模型（LME），以处理为固定效应、区组为随机效应，Tukey HSD进行事后比较。

**研究结果**

3.1 土壤无机氮浓度与库：各处理间表土（0–10 cm）NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度无显著差异，但随时间变化明显。无盐对照点表土NH₄⁺-N浓度在最终年高于基线；而受SWI的农场3和农场6的NH₄⁺-N浓度显著下降（约85%）。NO₃^--N浓度在农场3和6也显著降低（66–80%），总无机N下降75–88%。

3.2 土壤全氮浓度与库：所有站点表土全氮浓度（%）和库（kg ha^-1）均随时间下降，且处理间无显著差异。全氮随深度递减，但农场6的P. virgatum处理在20–30 cm深度出现最高全氮浓度（1%）。

3.3 土壤电导率与钠浓度：所有受SWI站点表土EC_1:5和Mehlich-3提取Na均随时间显著增加。EC_1:5与Na呈强正相关（R2 = 0.88，p < 0.05），但Na与全氮关系较弱（R2 = 0.33，p < 0.05），与无机氮、NH₄⁺-N和NO₃^--N的相关性更弱或未达到显著水平。

3.4 孔隙水无机氮浓度与电导率：处理间孔隙水NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度无显著差异。孔隙水EC在所有站点均升高，农场3和6最终年达7–12 dS m^-1。NH₄⁺-N浓度在农场3和6随时间增加，NO₃^--N浓度在农场3下降。

3.5 地上生物量氮浓度与库：初始年，P. virgatum组织N浓度最高；最终年，弃耕处理组织N浓度最高。地上生物量随时间增加，P. virgatum和S. patens生物量积累显著高于弃耕。地上生物量N库：P. virgatum在农场3和6表现出最高的N积累，最终年分别达4倍和2倍于弃耕；S. patens在农场3虽生物量最高，但N库仍低于P. virgatum。

**讨论与结论**

讨论部分指出，研究区域农田正在快速盐渍化，但多年生草本植物（P. virgatum和S. patens）能维持高生产力并积累更多地上生物量N，而弃耕导致N库减少。这与磷（P）动态不同（Schulenburg et al., 2024），表明N和P对盐渍化的响应可能不同。研究强调，仅测量地上部分可能低估了多年生草本植物的总N截留潜力，因其根系庞大。结论部分翻译如下：盐水入侵正在改变马里兰州下东海岸的沿海农业土壤，对养分循环和土地管理产生影响。在三个受盐影响的农场，土壤EC_1:5和Na浓度在短短几年内急剧增加，表明切萨皮克湾流域土地快速盐渍化。尽管盐度水平上升，柳枝稷（P. virgatum，多年生草本植物建立）和绒毛盐草（S. patens，恢复）保持了高生产力，并积累了比弃耕策略更多的地上生物量氮。这些发现表明，多年生草本植物建立和恢复策略对于SWI下的沿海农田转型是有用的。类似的农业向沼泽转变正在全球沿海地区发生，突出了这些发现对受海平面上升、洪水和盐渍化影响的景观的适应性管理和保护规划的更广泛相关性。