秸秆还田通过驱动地下碳氮耦合增强地下水硝酸盐衰减：基于野外监测与宏基因组学的证据

《Journal of Hydrology》：Straw return enhances groundwater nitrate attenuation by fueling subsurface carbon–nitrogen coupling: Evidence from field monitoring and metagenomics

　　

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  田间条件下秸秆还田增强了地下水硝酸盐的自然衰减。
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  双重同位素分析证实反硝化作用主导了硝酸盐衰减。
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  活性溶解性有机碳（DOC）的输入重塑了微生物群落及功能网络。
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  微生物网络显示碳降解与氮循环之间的偶联作用显著增强。
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  秸秆还田是减少非点源硝酸盐污染的有效策略。

引言

农业中过量施用氮肥以及废水排放持续输入氮素，已导致地下水硝酸盐污染问题广泛存在，成为全球性环境关注焦点（Xin et al., 2019, Yue et al., 2020）。已有大量研究报道了全球各地地下水的硝酸盐污染状况（Burow et al., 2010, Heaton et al., 2012, Muhib et al., 2023）。中国地下水的硝酸盐中位浓度已从1990年的3.84 mg/L上升至2020年的6.94 mg/L。地下水中高浓度硝酸盐会增加疾病和健康风险，包括高铁血红蛋白症、糖尿病、甲状腺疾病和胃癌等（Liu et al., 2024, Li et al., 2019, Zhu et al., 2024）。此外，地下水中过量硝酸盐可能通过地下水与地表水的交换引起藻华和富营养化（Li et al., 2018）。因此，开发环境可持续的地下水硝酸盐污染缓解策略已成为环境工程领域的迫切任务。

增强生物反硝化是水体系统中去除硝酸盐最广泛应用的方法，该方法通过额外添加碳源来刺激异养反硝化微生物的代谢活性，最终将硝酸盐转化为无害的N2（Rezvani et al., 2019, Rocca et al., 2007）。然而，非点源硝酸盐污染在地下水中呈广泛且异质性分布，极难通过技术手段加以控制（Jia et al., 2023）。监测自然衰减通常被视为缓解非点源硝酸盐污染的最合适方法，但其效果往往受限于地下水中有机碳含量偏低。近年来，研究发现通过表面农业管理实践（SAPs）如施厩肥、种植覆盖作物和秸秆还田等方式引入额外碳源，不仅可以提高土壤有机碳含量、减少土壤氮素流失和排放，还可能将DOC可持续地输送至地下水（Cui et al., 2026, Gu et al., 2023, Xu et al., 2025）。Jia等（2023）通过土壤柱和地下水培养实验研究了碳和氮对不同SAPs的响应。土壤柱实验表明，SAPs促进了DOC的淋溶并减少了硝酸盐向地下水的淋失；地下水培养实验显示，秸秆浸提液可有效增强地下水硝酸盐衰减，在20天内将NO₃^?-N的削减效率和速率分别提高至13.66%–95.93%和0.007–1.634 mg/d。中国作为主要粮食生产国，秸秆年产量已从1994年的5.59×10⁸吨增至2014年的7.03×10⁸吨（Yin et al., 2018）。为实现碳达峰和碳中和目标，秸秆还田已在全国范围内逐步推广。已有若干研究利用柱状或培养实验探讨了秸秆类型和还田量变化对非饱和带碳氮淋溶动态的影响（Zhang et al., 2021, Dong et al., 2026），也有研究调查了秸秆浸提液用量和C/N比对硝酸盐削减效率的影响（Wu et al., 2025, Qin et al., 2017）。然而，尚无系统性研究评估秸秆还田对土壤-地下水系统中碳和氮的分布、转化及淋溶过程的影响。同时，关于秸秆还田增强地下水硝酸盐衰减有效性的原位证据也较为有限。

秸秆还田后，硝酸盐还原被广泛认为受一系列涉及碳（C）和氮（N）循环的耦合生物地球化学反应调控。包括反硝化和异化硝酸盐还原为铵（DNRA）在内的氮素转化过程调节着硝酸盐的还原，而碳的降解则为这些反应提供电子供体（Fan et al., 2014）。因此，理解这些耦合C-N相互作用对阐明地下水硝酸盐衰减机制至关重要。具体而言，秸秆还田增加了非饱和带的DOC含量，进而提高了地下水系统的C/N比，最终增强了硝酸盐的自然衰减。微生物代谢在介导这些过程中起着核心作用：补充碳源能有效刺激除氮微生物的活性，从而触发硝酸盐还原途径并进一步增强地下水硝酸盐的自然衰减（Zhu et al., 2025）。最近，宏基因组测序的出现显著提升了微生物分析水平，通过基因注释和功能分析可实现物种的准确鉴定和微生物代谢途径的合理预测。然而，尚未有研究揭示除氮微生物群落和功能基因如何响应秸秆来源的碳输入，并由此改变地下水中的氮素转化过程。秸秆还田促进地下水硝酸盐自然衰减背后的碳-氮偶联机制仍有待进一步阐明。

本研究开展了一项田间实验，以调查秸秆还田对地下水硝酸盐自然衰减的增强效果。研究目标为：(1) 阐明秸秆还田后非饱和带-饱和带系统中碳和氮的运移与转化过程；(2) 明确增强地下水硝酸盐自然衰减背后的碳-氮偶联机制；(3) 量化秸秆还田对地下水硝酸盐自然衰减的增强效果，并从环境和经济两方面综合评估秸秆还田的实际适用性。本研究可为制定针对地下水非点源硝酸盐污染的原位修复策略提供机理认识和技术支持。

各章节摘要

研究地点

该田间实验于2024年6月至10月间在山东省青岛市平度市（36.07°N, 120.21°E）的一个集约化农业区进行（图1）。该区域年平均气温为12.2°C，年平均降水量为640 mm。该地实行夏玉米与冬小麦轮作制度，年氮肥施用量为600 kg/hm²。浅层含水层由第四纪冲积沉积物和冲积砾石层组成，

关键水文过程的协同演变

在研究期间，7月总降水量为266 mm，8月为180.4 mm，9月为9 mm，10月为106.4 mm，大部分降雨发生在前70天内（图S1a）。两组土壤含水率（图S1b-c）呈现相似的变化模式：先升高，随后逐渐下降，之后再次升高。

由于7月强降水（266 mm），地下水位迅速上升，并在第35天后稳定在100 cm深度以内（

结论

在非饱和带-饱和带耦合系统中进行的田间实验表明，秸秆还田结合减少氮肥施用显著改变了碳-氮的迁移和转化过程。秸秆还田增强了溶解性有机碳（DOC）向地下水的淋溶，进而抑制了硝酸盐淋失并促进了自然衰减。这些结果证实，秸秆来源的碳输入是高效去除地下水中硝酸盐的关键驱动力。

CRediT作者贡献声明

Shuo Gong：撰写-原稿、可视化、调查研究、正式分析、数据整理。Jia Xin：撰写-审阅与编辑、资源获取、项目管理、方法学、资金获取、概念化。Kang Yue：可视化、调查研究、正式分析、数据整理。Linna Jia：方法学、调查研究、数据整理。Yueqi Wang：调查研究、数据整理。Xiaoxi Yu：调查研究。Wenlin Ren：调查研究。Hang Fu：调查研究。Jie Dong：资源获取，

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究获得国家自然科学基金（42177053）、山东省自然科学基金、青年科学家基金（B类）（ZR2025QB08）以及青岛市科技惠民示范项目（24-1-8-cspz-14-nsh）的经费支持。

Shuo Gong|Jia Xin|Kang Yue|Linna Jia|Yueqi Wang|Xiaoxi Yu|Wenlin Ren|Hang Fu|Jie Dong