好文速递：预测硝化与固定化的比率以反映全球氮流失的潜在风险

Predicting the Ratio of Nitrification to Immobilization to Reflect the Potential Risk of Nitrogen Loss Worldwide

预测硝化与固定化的比率以反映全球氮流失的潜在风险

摘要：

硝化和固定化争夺土壤铵（NH4+）；这两个过程的相对优势被认为反映了土壤中氮流失的潜在风险。在这里，我们编译了一个数据库并开发了一个随机梯度提升模型，以根据硝化与固定化的比率 (N/I) 来预测氮损失的全球潜在风险。然后我们进行了荟萃分析来评估常见管理实践对 N/I 比的影响。结果表明，土壤N/I比随气候带和土地利用而变化。土壤全碳、全氮、pH、化肥施氮量、年平均气温、年平均降水量是影响土壤氮肥比的重要因素。荟萃分析表明，生物炭、秸秆和硝化抑制剂的施用分别使土壤 N/I 比降低了 67%、64% 和 78%。退耕还林和退耕还草使土壤氮肥比分别降低了 88% 和 45%。然而，施氮肥使土壤 N/I 比增加了 92%。我们的研究表明，土壤 N/I 比及其相关的氮流失风险水平与具有高度空间异质性的长期土壤和环境特性高度相关。

数据来源：

从 Web of Science (ISI)、SCOPUS、CAB Abstracts (ISI)、Academic Search Complete (EBSCO) 和 Google Scholar 中进行了广泛的关键字搜索，并进行了引用参考文献的参考列表。搜索中使用的关键词是：铵/NH4+固定化；铵/NH4+硝化；N/氮固定；和硝化作用及其组合。如果研究满足以下标准，则包括在内：(a) 同时报告总硝化和固定化率；(b) 提供了实验设计和条件的详细信息，以便对重复发表进行交叉检查。我们编制了一个数据库，其中包含 2019 年之前发表的 191 篇满足这些选择标准的论文的 1105 个观察结果。表格和文本中的数据是直接提取的，而图形中的数据是通过 WebPlotDigitizer 4.4 版 (https://automeris.io/WebPlotDigitizer) 提取的。(30) 我们提取了土壤所在位置的地理坐标（纬度和经度）。收集样品、环境条件（年平均温度 [MAT] 和年平均降水量 [MAP]）、土壤理化性质 [土壤质地、粘土含量、土壤 pH 值、土壤总氮和碳 (TC) 含量、土壤碳/氮比等]，以及管理实践，例如氮肥施用率和土地利用类型（表 1）。为了提高正态性，必要时对数据进行对数转换以进行进一步分析。该数据库用于训练基于机器学习的 SGB 模型和执行元分析。

部分结果：

硝化总速率 (a)、固定化 (b) 和 N/I 比 (c) 的全球分布。

N/I 比率的高空间异质性可归因于不同的土壤和环境条件及其相互作用。不同土地利用类型的平均氮肥比表明，氮流失的潜在风险依次为农田>人工林>草地>沼泽>森林。与草地和森林相比，农业用地的土壤氮径流损失和 N2O 排放量更高，这表明农田容易发生氮损失。 农田和人工林中氮肥的施用增加了硝化作用和潜在的氮损失因为氨氧化细菌和古细菌的活性受到氮输入的刺激。comammox Nitrospira 的 amoA 基因的丰度也可以通过施氮增加。 此外，固定化的总速率可能是氮输入减少。

硝化和固定化率与土壤和环境特性以及长期施氮肥密切相关。这些输入变量可从全球土壤和气候数据库中获得，这有助于将 N/I 比外推到全球范围。我们发现预测 N/I 比的纵向模式与农田氮流失的纵向模式显着相关。这表明土壤 N/I 比可用于指示潜在风险全球范围内的氮损失。

氮流失的潜在风险因气候带而异。硝化作用随 MAT 增加（p < 0.001）并且可能超过土壤 NH4+ 的固定化。Dan 等人 和 Lan 等人报道，升高温度（5-35 °C）对硝化作用的影响大于对固定化作用的影响。因此，热带和亚热带地区（MAT高）的氮肥比和潜在的氮流失风险高于其他气候区。南亚热带地区氮流失的潜在风险高于热带地区，这可能归因于这些地区之间 MAP 的差异。南亚热带地区 500-1500 毫米的 MAP 为硝化菌和硝化作用的发生提供了最佳的氧气和水分条件。

土壤 TC、总氮和 pH 值是影响 N/I 比的重要因素。土壤TC 刺激了固定化和硝化作用(36,61)，但固定化的刺激程度大于硝化作用。结果，N/I 比随着TC 的增加而降低。土壤总氮通过碳/氮比影响 N/I 比，这与固定化呈正相关，但与硝化作用呈负相关。当土壤 pH 值为 6.0-7.5 时，观察到高 N/I 比因为微酸性至中性 pH 值对于硝化细菌是理想的。

引用格式：

Zhang, Y., et al. (2021). "Predicting the Ratio of Nitrification to Immobilization to Reflect the Potential Risk of Nitrogen Loss Worldwide." Environmental Science & Technology 55(11): 7721-7730.