研究背景

氮是控制生态系统结构和功能的关键元素。微生物驱动的反硝化和厌氧氨氧化过程可将硝态氮、亚硝态氮、铵态氮等无机氮转化为气态氮并释放到大气中，导致生态系统大量的氮损失。然而，全球尺度上反硝化和厌氧氨氧化过程对生态系统氮损失的相对贡献尚不清楚，限制了我们对全球氮循环的深入理解以及氮素可持续目标的实现。

文章概述

中国科学院武汉植物园流域生态安全团队刘文治、张全发与西班牙塞维利亚自然资源与农业生物研究所Manuel Delgado-Baquerizo开展合作，构建了反硝化和厌氧氨氧化过程对氮损失相对贡献的数据集，首次在全球尺度上评估了反硝化和厌氧氨氧化过程在土壤、沉积物和水体氮损失中的相对重要性，探究了影响两者相对贡献的地理、气候和环境因素。同时，利用机器学习模型预测并绘制了全球陆地表层土壤中反硝化和厌氧氨氧化过程对氮损失的相对贡献图，估算了全球生态系统中由反硝化和厌氧氨氧化过程导致的氮损失量。该研究填补了关于生态系统氮损失全球格局的认知空白，强调了反硝化和厌氧氨氧化过程在不同生态系统氮损失中的重要性。相关研究成果发表在Advanced Science上。

研究结论

研究揭示了反硝化过程在全球微生物驱动的氮损失中的关键作用，其总体贡献高达79.8%，在土壤、沉积物和水体氮损失中的相对贡献分别为86.5%、80.4%和59.9%（图1）。厌氧氨氧化过程在水域生态系统中比在陆地生态系统中更重要，其在全球海水中氮损失的贡献达到43.2%。

在全球土壤中，气温、铵态氮和有机碳含量是决定反硝化和厌氧氨氧化过程对氮损失贡献的关键因素（图2a）。在全球沉积物中，反硝化和厌氧氨氧化过程的相对贡献主要受温度、pH、有机碳和二价铁含量等沉积物理化性质以及水深的影响（图2b）。在全球水体中，水体铵态氮含量和水深是调节反硝化和厌氧氨氧化过程对氮损失贡献的重要因素（图2c）。

研究还估算了全球不同生态系统中由反硝化和厌氧氨氧化过程导致的氮损失量，发现农田、内陆湿地、河口海岸生态系统年均氮损失量分别为205 kg/ha、184 kg/ha、175 kg/ha（图3）。研究结果对减少农田氮损失和加强湿地水体氮削减有重要指导意义。