中科院沈阳应用生态所联合研究Nature Communications｜深层土壤对全球氮收支的贡献

生态环境科学 · 公众号 · · 2025-01-29 09:53

正文

研究发现深层土壤无机氮库广泛存在于不同生态系统中，对全球氮预算有重要影响。研究通过系统回顾和机器学习方法，估计全球深层土壤硝酸盐库总量，并分析其地理分布和生态意义。这有助于更准确理解全球氮循环，为资源管理和应对气候变化提供依据。

1 研究背景

生物可利用的土壤氮限制地球表面大部分地区的初级生产力，全球土壤氮储量估算存在较大不确定性，当前全球氮预算大多未包含深层土壤氮，全球土壤硝酸盐预算也未进行空间量化，深层土壤硝酸盐在全球的分布及对全球氮预算的贡献有待研究。

2 研究方法

观测综合分析 ：在 Web of Science 检索相关文献，提取 2 米以下土壤剖面的氮储量数据，选择硝酸盐数据进行分析，并收集其他相关土壤和环境数据。

全球深层土壤硝酸盐建模 ：确定多个预测变量，运用递归特征消除法筛选重要变量，采用集成机器学习方法构建模型，比较不同机器学习方法的准确性，最终选择随机森林回归构建全球深层土壤硝酸盐模型。

全球深层土壤硝酸盐空间预测 ：用随机森林模型进行全球土壤硝酸盐预测，结合土地覆盖图划分不同生态系统类型，计算标准偏差表示空间不确定性。

3 研究结果

全球实地测量深层土壤硝酸盐库综合分析 ：观测合成数据涵盖多种生态系统，深层土壤硝酸盐库范围为 0-13,600 kg N/ha，中位数为 218 kg N/ha，不同生态系统深层土壤硝酸盐库存在差异，森林较小，沙漠较大。

全球深层土壤硝酸盐库的模型估计 ：全球深层土壤硝酸盐库总量为 15.2 (±1.1 SD) Pg N，加入该估计后全球土壤氮预算增加 16%，但增加幅度取决于全球土壤氮估计值。研究还发现土壤深度、岩石氮风化率等是土壤硝酸盐的重要预测因子，且不同生态系统深层土壤氮储量受多种因素影响。

4 深层土壤硝酸盐库的潜在影响

深层土壤硝酸盐库对全球氮预算有重要意义，可能影响下游生态系统和植物生长。它可能是较稳定的硝酸盐储存库，减少淋溶和反硝化损失，部分数据表明其可减弱农田氮淋溶。深层根系植被可能吸收深层土壤氮，但相关关系及对植物生产力的影响需进一步研究。深层土壤可能是 “缺失氮汇” 的一部分，对全球氮循环研究意义重大。

5 研究结论

陆地氮库可能比之前估计的更大，纳入深层土壤氮库后全球土壤氮预算增加 5-281%。研究深层土壤对理解土壤氮储存、减少氮污染及其他关键过程至关重要，未来需进一步研究其他深层土壤氮库及深层土壤氮对人为活动的响应动态。

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