通过同位素方法阐明不同土地利用类型和水盐梯度下沿海土壤的氮素转化

《CATENA》：Unravelling nitrogen transformation in coastal soils among various land uses and the water-salinity gradients through the isotopic approach

　　

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  土地利用影响了沿海地区剖面中氮（N）的分布模式。
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  果园的NO₃^?积累量超出玉米-小麦田和水稻田5至6倍。
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  同位素证据表明，沿海农业土壤中发生了反硝化作用。
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  水-盐耦合界面影响了沿海农业土壤的氮动态。
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  土壤含水量和盐度分别驱动非饱和区和饱和区的氮归宿。

引言

沿海地区由陆地、海洋和大气系统之间的相互作用塑造，是生物地球化学循环耦合的重要场所（Marret等，2013；Comte等，2019）。这些地区经历频繁的能量交换和显著的环境变化，构成了地球表面系统的特征组成部分（Liu等，2021）。氮（N）是限制生态系统生产力的关键养分，其循环连接了地球系统的多个组成部分（Chen等，2025）。沿海地区连接陆地生态系统和海洋生态系统，因此在氮循环中处于核心地位。沿海关键带的特征是沉积结构、土壤质地、盐度和地下水条件存在强烈的海陆梯度，导致水文和生物地球化学环境具有显著的空间异质性（Gruber和Galloway，2008；Comte等，2019；Liu等，2025a）。这些特征使局部氮转化过程复杂化，但也使沿海平原能够去除氮并发挥有效的氮汇功能（Gong等，2025）。土壤是控制氮源-汇效应的关键介质。其生物地球化学过程显著调节关键带功能，并促进大气、岩石圈和水圈之间的物质与能量频繁交换（Chorover等，2007；Wang等，2023b）。

土壤盐渍化是影响沿海地区氮循环的关键因素。它受海水入侵、海平面上升和浅层地下水蒸发加剧（Zhou等，2017；Jia等，2020）。沿海生态系统中的土壤盐渍化可能改变微生物活性（Pulikova等，2024），降低氮转化速率，并限制土壤氮的有效性（Jia等，2020；Sharma和Kumar，2020）。盐碱土物理结构和化学性质（如阳离子交换量和交换性钠百分比）的变化使沿海土壤的氮汇功能更加复杂且脆弱（Zhou等，2017；Che等，2023；Roumelis等，2025）。此外，沿海地下水水位波动引起的干湿交替条件随之调节土壤状况（如有机碳水平和氧气浓度），进而控制氮的运输和转化途径（Pal等，2010；Wang等，2019a；Roumelis等，2025）。

多种氮转化过程在非饱和土壤（包气带）和饱和土壤之间的界面相互作用（Chorover等，2007；Lyu等，2023；Du等，2025）。在非饱和土壤中，硝化作用、矿化作用和吸附作用是氮转化的关键阶段（Akiyama等，2010；Kuypers等，2018；Huddell等，2023；Yang等，2026）。与非饱和土壤相比，饱和土壤中相对较低的氧气浓度形成了厌氧环境（Du等，2025）。这使得其成为反硝化作用、厌氧氨氧化和异化硝酸盐还原为铵（DNRA）等过程共存和竞争的热区（Wang等，2019a）。

人类活动显著改变了氮循环，特别是人口密集的沿海地区，这些地区易受氮污染影响（Harley等，2006；Liu等，2025b；Roumelis等，2025）。人为氮输入，特别是来自农业的氮输入，增加了氮负荷并导致土壤和水生系统的广泛问题（Canfield等，2010；Xiong等，2023a；Geng等，2025）。在这些活动中，土地利用是沿海生态系统中氮循环的主要控制因素之一（Padilla等，2018；Yang等，2020；Tian等，2024）。非农业用地的硝酸盐积累通常低于农业用地（Gao等，2021；Chen等，2025）。将非农业用地转化为耕地会降低土壤有机氮含量（Murty等，2002）。同时，集约化施肥在农业土壤中留下了大量残余氮（Canfield等，2010；Zhu等，2022；Huddell等，2023）。多种因素调节沿海农业系统中的氮循环，导致旱地、稻田和其他土地利用类型之间氮的形态和转化途径存在差异（Singh等，2007；Zhou等，2017；Pandey等，2019）。土地利用变化还改变了土壤物理化学性质，从而改变了硝化作用和反硝化作用等氮循环过程的强度（Yu等，2022）。因此，了解不同沿海土地利用条件下土壤氮的分布、积累和转化过程对于土地管理和环境风险评估至关重要。

硝酸盐同位素（δ¹⁵N-NO₃^?和δ¹⁸O-NO₃^?）已被广泛用于区分硝酸盐来源和识别氮转化过程（Kendall等，2007；Jensen和Gazis，2018；Zhang等，2022）。此前关于氮动态的研究主要关注1米以内的表土（Rock等，2011；Wang等，2023b；Liu等，2026）。最近的研究探索了更深层土壤剖面中的氮分布、迁移和转化，但主要涉及内陆地区的深层包气带（Wang等，2019b；Zhu等，2022；Huddell等，2023；Yang等，2026）。土壤氮动态受气候条件、植被、土壤物理化学性质、水文过程和人为活动的共同调节（Addiscott和Brookes，2002；Christodoulou等，2019；Dieser等，2023；Liu等，2026）。在沿海农业系统中，这些因素与浅层地下水和水-盐相互作用进一步交互，影响氮的迁移和转化。然而，跨非饱和区和饱和区的完整剖面中控制这些过程的机制仍不清楚。

为弥补这些知识空白，我们假设土地利用将显著影响沿海土壤中的氮积累和转化。我们进一步预期非饱和区和饱和区的不同水-盐条件将产生不同的氮动态。本研究利用土壤物理化学性质、氮含量和同位素技术来了解土地利用和沿海水-盐耦合界面对土壤氮循环的影响。本研究的目的是：（1）表征不同沿海土地利用下土壤氮的分布和积累特征；（2）识别不同沿海土地利用土壤中硝酸盐的来源和转化过程；（3）确定不同土地利用条件下土壤氮转化的主要环境控制因素，揭示沿海土壤氮转化对土地利用和水-盐耦合界面的响应机制。研究结果将推进对人干扰下沿海土壤氮循环响应机制的理解，并为区域精准管理提供科学依据。

节选片段

研究区域

研究区域位于中国天津渤海湾西岸（图1）。该地区属于温带季风气候，四季分明。年降水量为550–600毫米，其中60%–80%集中在6月至9月之间，年平均气温为11–20°C。该区域地形以平原为主，北部有低山和丘陵，平均海拔500–600米。研究区域以浅层地下水埋深（2–6米）为特征，

不同土地利用类型的土壤物理化学性质

不同土地利用类型的土壤物理化学性质存在差异（表1），其垂直分布见图S1和S2。玉米-小麦田的平均土壤含水量为28.8 ± 5.7%，果园为32.5 ± 8.5%，稻田为34.7 ± 6.3%。林地土壤的平均土壤含水量（20.1 ± 4.5%）显著低于三种农业土壤（p < 0.05）。稻田表0–20厘米土层的土壤含水量最高（表1，27.6%）。果园土壤的土壤含水量变异性最大（表1，

土地利用对沿海土壤剖面中氮分布和积累模式的影响

由于土壤颗粒通常带有负电荷，NH₄⁺易被黏土矿物吸附或同化进入有机质（Veres等，2026）。相比之下，NO₃^?的移动性更强，是参与土壤氮迁移和转化的主要形态（Zhu等，2022；Veres等，2026）。本研究揭示了四种土地利用类型中土壤氮分布和积累的不同模式（图2、图3和图S3）。总氮（DTN）的垂直分布模式与NO₃^?-N的相似，在

结论

本研究调查了渤海湾西岸土地利用和水-盐界面对土壤剖面中氮的分布、积累和转化的影响。土地利用显著改变了土壤氮的垂直分布和积累。果园土壤积累了最多的NO₃^?，而稻田保留了相对较多的NH₄⁺。稳定同位素证据进一步表明，在沿海农业剖面的非饱和区内发生了反硝化作用。

CRediT作者贡献声明

范亚新：写作—审阅与编辑、写作—初稿、软件、方法学、调查、形式分析、数据管理。岳富军：写作—审阅与编辑、指导、调查、资金获取、数据管理、概念构思。吴佳妮：写作—审阅与编辑、方法学、调查。张一波：写作—审阅与编辑、方法学、调查。王浩阳：写作—审阅与编辑、调查。寿臣阳：写作—审阅与编辑，

资金支持

本研究由国家自然科学基金资助（批准号：42293262、42221001和W2412151）。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

范亚新|岳富军|吴佳妮|张一波|王浩阳|寿臣阳|宫耀祺|李思良