研究人员在黑龙江省齐齐哈尔市依安县做地球关键带调查。受访者供图

■本报记者 张双虎

我们的脚下可能有颗“氮时间炸弹”。近日，中国科学院南京土壤研究所研究员张甘霖团队在《地球科学评论》发表论文指出，地表两米以下，几十米甚至上百米范围内，有个被长期忽略的研究“盲区”——深层关键带，那里可能储存着100亿吨不断反应的硝态氮。

“过去我们以为，深层土壤就是个‘沉默的仓库’。”论文第一作者、中国科学院南京土壤研究所副研究员杨顺华告诉《中国科学报》，“最新的研究告诉我们，从作物主根区底部直到基岩，这个被长期忽视的‘深层关键带’其实是个动态运转的氮反应器。它储存、搬运、转化氮素，过程之复杂、时间跨度之长，超乎想象。”

脚下的“盲区”

现代土壤学奠基以来，科学家的目光基本都集中在地表以下一米。这是作物根系活动的重点区域，也是传统土壤调查的深度。

“一米以下的那片世界是土壤学家的研究‘盲区’。”杨顺华说。

从作物根区底部一直到基岩，中间有几十米甚至上百米厚的风化层、裂隙带和浅层地下水，科学家将其称作深层关键带。这里作物根系逐渐消失，没有阳光，微生物群落也与地表土壤迥异。农业生产每年施到田里的氮肥，除被作物吸收、被水冲走、扩散到空气里外，有相当大一部分以硝态氮的形式沿着土壤孔隙、裂隙等一路向下“逃亡”，最终在深层关键带中“安营扎寨”。

20世纪以来，合成氨技术实现了氮肥大规模生产。全球化学氮肥用量从工业化前的极低水平飙升到如今每年1亿多吨。最新的全球估算显示，地表两米以下的深层关键带中可能储存约100亿吨的硝态氮。

“这是一个巨大的‘氮库’。这个估算只是基于有限的观测点，全球真正打过深层钻孔、取样分析过深层氮的地方不到三位数。”杨顺华说，“换句话说，100亿吨这个数字只是初步估算结果。”

“氮时间炸弹”影响未来几代人

长期以来，人们认为深层关键带是一个与世隔绝的“地下冷宫”。但越来越多的证据显示，这个“冷宫”一点也不冷，它是一台正在高速运转的活性氮动态反应器。“而且，在不同地方，这台氮反应器的‘脾气’完全不一样。”杨顺华说。

研究人员综合全球数据，将氮反应器归纳为3种类型。

一是水文受限型——沙漠里的“远古遗产”。在干旱半干旱地区，比如我国塔里木盆地、美国西南部的莫哈维沙漠，年降水量远小于蒸发量。雨水落到地面，还没来得及往下渗就被太阳蒸干了。这种环境下，氮素来源主要是大气沉降——风把含氮的尘埃和气体吹过来，逐年积累。因为没有水向下淋洗，这些氮就被“封印”在深层土壤里，有的已经存了上万年。这像一个被封死的仓库，里面东西很多，但基本不怎么动，只有偶尔下一场大雨，才会“开仓放货”。

二是地球化学缓冲型——红壤里的“吸附陷阱”。在深度风化的红壤和砖红壤区，土壤富含铁铝氧化物。这些氧化物表面带正电荷，像磁铁一样把带负电的硝态氮“吸”在矿物表面，起到一定的截留作用。同时，红壤剖面中往往有一层致密的网纹红土，这里黏粒含量高、孔隙少，把硝态氮往下走的通道给堵住了。“化学吸附”+“物理封堵”导致硝态氮被“按”在网纹红土层里。这种类型的氮反应器“存得住，但放出来的时候很猛”。一旦pH值升高、根系深入或者长期干旱后突然降下大雨，吸附在矿物上的氮就可能被一次性释放出来。

三是水力驱动型——平原灌区的“长途迁徙”。在我国华北平原、美国玉米带、欧洲北部平原等农业区，农民年复一年大量施氮肥，这些地方的深层土壤厚、地下水位深，多余的硝态氮就在灌溉和降雨的驱动下一层层地往下迁移。

“在华北山前平原部分长期高施肥农田中，已观测到硝态氮下渗至地下20米至30米的包气带，按现有运移速率估算，今天浅层地下水里的部分硝酸盐可能对应二三十年甚至更早的施肥历史。但是否已到含水层，因地点不同，差异很大。”杨顺华说，“也就是说，今天华北平原地下水中的硝酸盐污染可能是二三十年甚至半个世纪前施的肥导致的。这就是‘氮时间炸弹’——我们现在做的决策，影响的是未来几代人的水质。”

土壤研究应向深处看

杨顺华告诉《中国科学报》，把深层关键带叫作“反应器”不是一个比喻，它里面真的同时发生着水文输送、地球化学作用和微生物转化3类过程。这3类过程互相纠缠、反馈。水的流动改变了氧气分布，氧气分布又控制了微生物活性，微生物反硝化产生的气体又会改变土壤孔隙结构，反过来影响水流。

“这就是为什么我们说它是一个‘反应器’，而不是一个‘仓库’。”杨顺华说。

深层土壤里的氮决定了地下水什么时候被“引爆”。现在地下水硝酸盐超标是“遗留氮”缓慢释放导致的。这意味着，即便现在开始完全不施氮肥，地下水的硝酸盐污染也会持续几十年。

深层土壤里的硝态氮在缺氧条件下会被微生物反硝化，产生一氧化二氮。这种强效温室气体百年增温潜势是二氧化碳的近300倍。此外，硝态氮在深层土壤的积累伴随盐基离子的淋失，钙、镁、钾这些植物必需的养分跟着硝酸根一起往下跑。长此以往，土壤酸化、养分贫瘠、微生物群落改变等发生在深层土壤的变化，最终会反过来影响表层土壤的生产力。

杨顺华认为，研究氮循环、管理氮污染不能只盯着地表往下那一米。未来的氮素管理，必须建立在“从地表到基岩”的全剖面系统视角上。

“过去我们谈氮肥利用率、面源污染，目光都在农田表层。但深层关键带这个氮反应器告诉我们，氮素的记忆是长尺度的，今天的‘污染账’，未来要还几十年。”杨顺华说。

研究人员认为，未来的氮素管理在观测上要打更深的钻、采更深的样，把深层关键带的“家底”摸清楚；要把深层的水文、地球化学和微生物过程整合进模型；在管理上，要认识到地下水污染治理的“时间滞后效应”——今天的减排措施，可能要到下一代才能见效。

“土壤是地球的皮肤，但皮肤下面的‘肌肉’和‘骨骼’——深层关键带，才是真正决定‘身体’能否健康运转的关键。我们花费上百年学会了善待地表土壤，现在是时候往深处看看了。”张甘霖说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2026.105723