天津市水资源与水环境重点实验室薛冬梅团队联合中国科学院沈阳应用生态研究所、中国科学院南京土壤研究所以及福建农林大学以及俄罗斯喀山联邦大学在《Catena》共同发表论文“¹⁵N-tracer approach to assess nitrogen cycling processes: Nitratereduction, anammox and denitrification in different pH cropland soils”,该文章揭示了农田土壤酸碱环境影响反硝化与厌氧氨氧化去除硝酸盐的机制。

自然地理环境中，反硝化作用和厌氧氨氧化是氮素(N)生物地球化学循环的两个关键过程，二者是硝酸盐(NO₃^?)以N₂和N₂O形式从土壤中去除的主要途径。当前，土壤酸碱条件如何影响反硝化与厌氧氨氧化对土壤NO₃^?的去除机制尚不清晰完整。为此，水资源与水环境重点实验室薛冬梅团队选了三种典型农田土壤酸碱环境：酸性、中性和碱性，并基于¹⁵N示踪技术的泥浆实验研究了反硝化和厌氧氨氧化反应的脱氮速率及其对NO₃^?去除的调控。结果表明：反硝化反应产生N₂的潜在速率为3.78~5.52nmol N g^?1h^?1，比厌氧氨氧化反应N₂产生的潜在速率快10~30倍。此外反硝化与厌氧氨氧化耦合反应对NO₃^?的还原在pH接近中性的土壤中具有最快的还原速率，而在酸性土壤中，这两个反应的脱氮速率都表现为最慢。反硝化和厌氧氨氧化反应与土壤NO₃^?的降低具有密切的相关关系，可以粗略估算出土壤中降低的NO₃^?约有81%为反硝化和厌氧氨氧化反应消耗，而余下的19%则大多为反硝化反应额外产生N₂O或NO和其他消耗NO₃^?的途径消耗。研究结果表明在农田土壤pH变化较大的范围内（5.2~8.0），反硝化及厌氧氨氧化和其他NO₃^?消耗过程的NO₃^?消耗比接近为4.3，这大大简化了NO₃^-转化为气态N损失的评估,对土壤硝酸盐的源汇以及去留机制具有一定的指导意义，为调控硝酸盐在生态系统中的存留提供了基础参考数据。

Fig2.Changes of N₂ productionfrom denitrification and anammox (Den+Ana-N₂) and NO₃^-reduction during 72h in the three cropland soils depending on their pHdetermined by ¹⁵N tracer technique. All regressions are significantat least at p < 0.05.

Fig 4.Relationship between NO₃^- reduction rates and rates of denitrificationand anammox (Den+Ana-N₂). The double arrowshows (difference between the regression line and the x=y dashed red line) thecontribution of other processes than denitrification and anammox to the NO₃^-reduction.

该项研究成果近期被地球科学领域主流期刊《Catena》接收发表（https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.104611）。该研究工作由国家重点研发计划（2018YFD0800400）、国家自然科学基金面上项目（41973017）以及天津市自然科学基金重点项目（19JCZDJC40700）资助。