近日，厦门大学环境与生态学院、福建省海陆界面生态环境重点实验室陈能汪教授团队，与香港大学罗新研究员团队合作，在流域氮循环研究方面取得新进展。相关成果以“Preventingsubsoilenhancednitrification tosafeguardagroecosystemsustainability”为题，发表于Nature Communications。
该研究聚焦地球系统氮失衡这一重大科学问题，通过整合全球数据与九龙江流域定位站长期观测数据，首次揭示了全球农田土壤约0.6米深处普遍存在一个“增强硝化层”（Enhanced Nitrification Layer, ENL），该层位是土壤酸化和地下水硝酸盐污染的“地下隐形引擎”。
全球农田每年施用氮肥超过1亿吨（联合国粮农组织，2025），但作物平均利用率仅为55%左右，意味着近半数施用的氮素以各种形式流失于环境之中。这些“丢失”的氮素不仅造成资源浪费，更引发一系列环境问题：硝态氮淋失导致地下水污染，过量氮输入引发水体富营养化，硝化与反硝化过程产生的氧化亚氮加剧温室效应等。长期以来，氮素管理策略主要聚焦于表层（0–0.3m）施肥调控，通过控制施肥量、调整施肥方式和施肥时间等措施提高作物氮素吸收效率。然而，深层土壤（亚表层）作为氮素向地下水迁移的必经路径，其内部的生物地球化学过程长期未得到充分关注。事实上，未被作物利用的氮素向下迁移至深层土壤，在适宜的水热和氧化还原条件下可发生强烈的微生物转化过程，形成地下氮循环的“活性区”。然而，这些深层过程是否具有普遍性，它们如何影响区域乃至全球氮收支等关键问题尚未厘清。回答这些问题对于完善流域氮循环理论、指导农业可持续发展具有重要意义。
通过对全球农田土壤剖面数据的整合分析，研究团队发现了一个反常现象：在深度约0.6米的农田土壤，存在一个总氮（TN）含量的“凸起”层，这与自然生态系统中土壤总氮含量随深度呈指数衰减趋势完全不同（图1）。这个TN“凸起”程度与氮肥输入量呈正相关，提示该层位可能存在特殊的氮转化过程。进一步分析土壤无机氮的垂直分布特征，研究团队发现硝化过程的底物（铵态氮）与产物（硝态氮）在剖面上呈现明显差异，铵态氮峰值主要位于0.30–0.75米深度，而硝态氮峰值则出现在更深的0.45–0.90米深度，且硝态氮含量呈现向下累积的趋势（图2）。这种“底物在上，产物在下”的错峰分布现象，无法仅用硝态氮淋溶作用解释，从而引出一个关键科学假说：在0.3–0.9米深度可能存在一个硝化作用显著增强的层位，研究团队将其命名为“增强硝化层”（ENL），其中0.6米可作为全球农田土壤ENL的参考特征深度。
图1全球非农田与农田土壤总氮（TN）剖面分布对比
图2全球农田土壤氨态氮（NH4+-N）与硝态氮（NO3--N）含量垂直分布（数据点边上数值表示观测样本数）
深入研究发现，全球农田土壤ENL的形成并非偶然，而是根系通道、土壤结构、微生物群落、水文条件四个关键因子协同作用的结果（图3）。首先，植物根系形成的优先通道为表层肥料向深层输送提供了物理路径（传送带）；其次，该深度恰好存在一个相对高砂含量的土层，具有良好的透气性，为硝化反应创造了富氧的微环境（反应室）；第三，氨氧化微生物（AOA）在这一层位显著富集，构成了驱动氮素转化的生物地球化学“引擎”（发动机）；最后，降雨与灌溉等水分入渗过程激活这一系统，将可溶性氮素输送至ENL并触发硝化反应（开关）。这个ENL形成机制，在福建省漳州市平和县九龙江枫埔溪小流域实验站为期三年的田间原位观测中得到了进一步验证（图4）。
图3全球农田增强硝化层（ENL）形成机制概念图：ENL由根系通道（传送带）、高砂土层（反应室）、氨氧化微生物（发动机）、水分入渗（开关）协同形成。
图4福建省九龙江枫埔溪小流域实验站综合观测结果
ENL的发现从机制上阐明了农业系统氮素流失的两大环境效应。其一，ENL层位硝化作用增强，释放大量氢离子，发现对应深度土壤pH值存在普遍下降（图5）。土壤酸化会严重影响作物根系生长，最终导致减产。其二，在降水或灌溉水入渗作用下，ENL将相对稳定的铵态氮转化为容易向下淋洗的硝态氮，成为地下水硝酸盐污染的重要来源。显然，ENL成为流域氮循环失衡的重要“引擎”。
该研究为农田氮素精细化管理提供了新的理论指导。未来需要将氮素管理的视野从地表扩展到地下，实施“地表+深层”双重管理策略，例如，可在ENL层位靶向施用硝化抑制剂，配合严格的水肥管理制度以减少水分入渗对硝化过程的激活作用，最终实现农业高产稳产与环境安全保障的双重目标，推动农业可持续发展。
图5全球农田土壤pH垂直分布与动态变化
厦门大学环境与生态学院2019级博士生王曜（现为香港大学博士后）为论文第一作者，厦门大学陈能汪教授与香港大学罗新研究员为共同通讯作者。合作者包括阿根廷国家科学技术研究委员会EstebanG.Jobbágy资深研究员、滑铁卢大学NanditaB.Basu教授、中国科学院张甘霖研究员、南方科技大学郑一教授、浙江大学谷保静教授、东北农业大学张少良教授、阿尔伯塔大学Scott X. Chang教授、厦门大学吕永龙教授，以及厦门大学研究生余镒琦、王芬芳、路则洋和闫瑞峰。该研究获得国家基金委重点项目、青年科学基金项目（B类）、国际（地区）合作与交流项目、香港研究资助局研究基金和福建省水利科技项目的联合资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70277-7.
（环境与生态学院 王曜、罗新、陈能汪）
