优化农田管理以缓解气候变化驱动的中国生态系统氮泄露风险

作者：常熟站  更新时间：2026-01-19

   氮是农业生态系统中最关键的限制性养分之一，其形态转化和流失不仅影响作物生产力，也关系到水体富营养化和温室气体排放等环境问题。在土壤中，硝酸盐（NO₃⁻）相较于铵态氮（NH₄⁺）更易随水迁移，若NO₃⁻占比过高，常导致“泄漏型”氮循环（leaky N cycle），通过反硝化或淋溶造成较大氮损失；反之，以NH₄⁺为主则反映出“保守型”氮循环，更有利于氮素保留。因此，NO₃⁻/NH₄⁺比值是衡量土壤氮泄漏风险的关键指标。同时，无机氮（NO₃⁻ + NH₄⁺）在总氮中的比例则反映了土壤中可被植物直接吸收利用的氮素供给能力，是评估农田肥力的重要依据。

   基于此，本研究整合了全国6592组土壤观测数据，涵盖农田、草地、森林、湿地等主要生态系统，结合气候、土壤、水文、地形和农业管理五类驱动因子，构建随机森林与线性混合效应模型，系统评估氮泄漏风险和无机氮有效性的空间分布格局，识别主控因子并量化其贡献。

此外，研究还模拟了未来两种典型气候情景（SSP1-2.6与SSP5-8.5）下2030至2090年代的氮循环变化趋势，并设置多种农田管理策略情景，系统评估其在缓解气候变化驱动的氮泄漏风险方面的潜力。

氮泄漏风险在不同生态系统和地区间差异显著

   土壤中NO₃⁻/NH₄⁺比值在不同生态系统之间差异明显：旱地（9.10）和稻田（3.50）氮泄漏风险最高，草地（1.89）、森林（1.81）和湿地（0.43）相对较低，表现出更保守的氮循环特征。区域上，华北平原的NO₃⁻/NH₄⁺比值最高（8.95），西南地区最低（1.55）。

农业管理措施为最主要调控因子

   农业管理措施（如氮肥施用、有机肥替代和灌溉）对NO₃⁻/NH₄⁺变异的解释力达30.1%，高于气候（26.2%）、土壤属性（23.6%）和地形因素（20.2%），表明人为干预在控制氮泄漏方面具有最大潜力。

未来气候变化将加剧氮泄漏的不均衡性

   在高排放情景（SSP5-8.5）下，到2090年代，中国农田的NO₃⁻/NH₄⁺比值相较于2030年代将上升1.4%–14.7%。其中，东南地区的稻田和旱地受影响最显著，氮素流失风险明显上升。

综合管理措施可显著缓解气候驱动风险

   通过实施“减施化肥 + 有机肥替代 + 节水灌溉”的综合管理方案，可在保障作物氮供应的前提下，将由气候变化引起的氮泄漏风险削减62.3%。

   本研究建议优先在中国东南部农田地区推广综合管理措施，通过优化施肥、提高有机肥替代比例以及改善灌溉效率，有望在保障作物氮供应的前提下，显著降低气候变化所引发的氮泄漏风险。