APPS | 利用同位素方法评估常规种植和有机种植蔬菜中的硝酸盐积累情况

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Abstract

蔬菜中过量硝酸盐积累对食品安全和环境可持续性构成双重挑战。以有机肥替代化学肥料被认为是降低可食植物组织中硝酸盐含量的有效策略，但部分蔬菜中有机氮转移机制及有机农产品可靠鉴别体系仍不完善。稳定同位素技术（15N示踪、整体同位素δ15N、δ13C、δ2H、δ18O以及硝酸盐同位素δ15N-NO3−、δ18O-NO3−）在追踪氮源、解析微生物与酶过程以及揭示氮转化过程中的同位素分馏方面具有独特优势。本综述总结了同位素方法在阐明有机肥与化学肥条件下植物硝酸盐含量方面的研究进展，重点关注氮供应动态变化、微生物调控以及碳–氮耦合机制。同时强调作物特异性同位素指纹在区分不同蔬菜类型（叶菜类、果菜类、根/块茎类和豆科作物）有机与常规种植方式中的应用，为有机生产认证、食品真实性验证和安全评估提供新工具。未来研究应整合多同位素数据与分子微生物生态学及同位素组学，建立将农业管理措施与蔬菜质量和安全性相联系的稳健、机制导向的溯源框架。

Introduction

蔬菜是人类膳食的重要组成部分，也是膳食硝酸盐（NO3−）的主要来源。其中，叶菜类尤为突出，其NO3−含量常超过700 mg/kg，约占膳食硝酸盐总暴露量的80%。适量摄入NO3−可通过“NO3−-NO2−-NO”途径促进血管健康、改善运动表现，并具有抗炎、抗氧化及胃部防御作用；但蔬菜中NO3−过量或长期累积可能增加健康风险，如婴儿高铁血红蛋白血症及多种癌症风险。NO3−在体内可被细菌还原为NO2−，在酸性条件下进一步生成致癌的N-亚硝胺，因此多国对蔬菜中NO3−/NO2−含量制定了限量标准。相比之下，中国尚未对新鲜蔬菜中NO3−设定明确上限，但对腌制蔬菜中的NO2−有明确限制。

蔬菜中NO3−含量主要受栽培因素影响，包括施氮量与类型、土壤性质、光照和品种差异等，这些因素贡献约80%～95%；而采后储藏和加工仅影响5%～20%。因此，在栽培阶段调控硝酸盐积累是当前研究的核心方向。

现有策略包括：降低施氮水平、以有机肥或铵态氮、尿素替代硝态化肥、采收前短期停施硝态氮，以及通过光环境调控和低硝酸盐品种选育等。其中，有机肥不仅可降低蔬菜NO3−含量，还能改善土壤肥力、减少硝酸盐淋失与径流，符合可持续农业目标。然而，其作用机制仍不清晰，尤其是有机肥如何重塑土壤氮转化过程（如有机氮矿化、硝化作用和微生物固持，图1）及其潜在生态协同效应，仍有待深入阐明。

稳定同位素技术为解决上述问题提供了关键工具。δ15N天然丰度法可在不扰动土壤氮库的条件下识别氮源与转化过程，而15N示踪实验可在受控体系中定量氮通量和过程强度。结合植物和土壤中的肥料同位素指纹（如有机肥δ15N通常>+5‰，化学肥接近0‰）及15N回收分析，可揭示有机肥延缓硝酸盐形成、增强微生物固氮并减少氮损失的机制。

因此，本综述对比有机肥与化学肥条件下蔬菜硝酸盐积累的研究进展，重点总结稳定同位素在量化氮循环过程和验证栽培方式中的应用，为实现安全、可持续的低硝酸盐蔬菜生产提供理论依据和方法支持。

图1 土壤中氮转化的一般途径

有机肥施用对降低土壤硝酸盐含量的影响

降低硝酸盐含量的一般机制

有机肥日益被认可为减少蔬菜和土壤中硝酸盐积累的有效替代或辅助策略。然而，不同类型有机肥在C/N比、矿化速率及相关微生物群落组成上差异显著，导致氮释放动力学和硝酸盐积累效果不同。高C/N土壤改良物，如秸秆堆肥或生物炭，通常促进微生物氮固化，延缓氮可利用性但提高土壤长期氮保持；而低C/N肥料，如动物粪便或蚯蚓堆肥，则矿化快速，释放铵态氮并促进反硝化。不同有机底物富集的微生物群落——从粪肥中的嗜营养菌到堆肥中的木质纤维降解真菌——进一步调控硝化与反硝化平衡。这些理化和生物差异决定了氮供应与植物需求的同步性，从而影响硝酸盐降低效率（图2）。

有机肥的主要调控机制在于其缓慢释放可利用氮。与以可溶性硝酸盐为主的化肥不同，有机氮主要以蛋白质、氨基酸等复杂形式存在，需经土壤微生物矿化为NH4+后再硝化为NO3−。这一缓释过程使氮供应与植物在不同生长阶段的需求同步，减少土壤硝酸盐峰值，并缓解植物中过快积累。山西忻州黄土高原长期施肥试验表明，有机改良增加了氮循环微生物丰度，并改变功能基因组，使同化性硝酸盐去除与反硝化增强，同时抑制硝化相关途径。这表明有机肥促进氮缓慢转化，减缓土壤NO3−累积，更好匹配植物需求。

另一机制是改善土壤理化性质，如土壤结构、缓冲能力及水分养分保持能力，提高氮利用效率，同时减少硝酸盐淋失和根区局部积累。例如，堆肥或生物炭基肥料可调节土壤pH并稳定微生物群落，从而间接抑制过度硝化，减缓硝酸盐形成。实证研究显示，施用羊牛粪堆肥可显著提高土壤有机碳、全氮及C/N比，同时提升反硝化基因（narG、nirK、nosZ）丰度及反硝化酶活性，但硝化活性无明显增加，说明有机改良促进反硝化并抑制过度硝化。

微生物调控也是关键途径。添加有机质刺激异养微生物，与植物竞争无机氮，暂时固定NH4+和NO3−，减少硝化底物，并在碳丰富条件下促进兼性厌氧微生物反硝化，将部分硝酸盐转化为气态N2O和N2。研究表明，增加有机鸡粪比例改变反硝化基因丰度及平衡，增强N2O排放；化肥与生物有机肥结合施用可重塑土壤微生物群落，提高微生物生物量氮（MBN），显著降低土壤及植物NO3−浓度。

在植物生理层面，有机肥通过提供钼、铁等NR必需辅因子，增强硝酸还原酶活性，将吸收的NO3−转化为NH4+并同化为氨基酸和蛋白质，降低组织硝酸盐积累。同时改善根际条件和土壤养分平衡（如较高C/N比），增强光合效率、叶绿素合成及碳同化，为氮利用提供能量与碳骨架。实验证实，如施用牛粪结合NPK可显著提高花生NR活性和总叶绿素含量。

从营养管理角度，适当施用有机肥可实现全氮输入的源头控制。部分替代化学氮肥可降低初始根际硝酸盐浓度，同时满足作物需求，有效缓解蔬菜中过量硝酸盐积累。例如，研究显示有机肥可使白菜硝酸盐和亚硝酸盐含量分别下降19.0%和20.9%，同时提高土壤有机质和微生物活性；生物有机肥施用可降低土壤TN输入20%，蔬菜硝酸盐降低47.9%，并改善可溶蛋白及维生素C水平。

综上，有机肥通过调控土壤过程、微生物活性、植物代谢及田间管理，多层面协同减少蔬菜硝酸盐积累，为生产低硝蔬菜提供科学依据。

图2 有机肥施用降低蔬菜硝酸盐含量的作用机制

有机肥对不同类型蔬菜硝酸盐含量的影响

尽管有机肥降低硝酸盐机制总体一致，不同蔬菜类型硝酸盐含量差异明显，取决于生长特性、氮吸收策略及可食部生理特征。

叶菜类（如生菜、菠菜、小白菜）生长快、需氮量高，易在叶组织中积累过量硝酸盐，尤其在低光或高氮条件下。用有机肥替代化肥可降低15%～60%硝酸盐含量，并伴随抗坏血酸含量增加，符合碳-养分平衡理论。茄果类（如番茄、辣椒、茄子）氮需求中等、生长周期长，施用有机肥可减少10%～30%硝酸盐，同时提高果实质量。根茎类（如土豆、胡萝卜、萝卜）在地下器官积累硝酸盐，但有机肥显著缓解，施用堆肥可降低50%土豆块茎硝酸盐含量，减量效果受施肥剂量影响。瓜类（如黄瓜、苦瓜）果实硝酸盐本低，施用≥50%有机堆肥可降低果实硝酸盐＞5%，纯有机施肥甚至低于检测限，同时改善蛋白、纤维、矿物质等营养特性。豆类（如普通豆、毛豆、蚕豆）天然硝酸盐低，部分替代化肥可进一步降低5%～25%。总体上，叶菜及根茎类蔬菜下降幅度最大，果菜及豆类次之。

植物中硝酸盐降低的同位素研究

研究有机肥作用的技术挑战

有机肥降低蔬菜硝酸盐的潜力已被验证，但传统研究方法多依赖终端效应评估、土壤理化分析、微生物生物量测定、土壤酶活及表观氮平衡计算（图3）。这些方法虽提供经验支持，但静态、片段化，难以解析氮转化动力学、微生物功能及氮损失途径。稳定同位素示踪（如15N标记、15N-18O双硝酸盐）提供高分辨率手段，可量化矿化、硝化、反硝化、微生物同化及氮损失途径。

图3 常用的评估有机肥供氮下蔬菜硝酸盐减量的一般方法框架

有机肥降低硝酸盐的同位素机制

15N示踪可直接量化矿化、硝化、反硝化及微生物同化，结合15N-DNA-SIP可识别活跃微生物群落，揭示氮流与微生物功能间的联系。有机肥通过提高土壤有机碳、全氮、微生物生物量及关键酶活，增强氮保持与缓释，使作物15N利用率提高、15N损失减少，从而降低可食组织中硝酸盐积累。天然丰度δ15N方法适合长期大田研究，作物残余15N偏重，为追踪有机氮来源提供信号。

不同蔬菜类型的同位素应用

叶菜对氮管理敏感，δ15N可区分有机与化肥；果菜受灌溉影响，δ13C、δ18O和δ2H可反映水分利用和光合效率；根茎作物整合长期土壤水氮信息；豆类体现生物固氮贡献。结合多同位素（δ13C、δ15N、δ2H、δ18O）与微生物功能DNA，可建立蔬菜类型间栽培实践的追踪模型。

15N示踪和15N-DNA-SIP表明，有机改良通过增强微生物氮固化、促进碳丰富条件下反硝化、抑制过度硝化，使氮供应更稳定、作物硝酸盐降低。双硝酸盐同位素进一步验证这些机制，并可区分微生物途径和肥料来源。

尽管方法先进，但仍存在同位素值重叠、植物氮分馏及高分辨率采样需求等挑战。未来需结合现场实验、标准化数据库及微生物/代谢组分析，将机制研究与溯源应用结合，实现蔬菜品质提升、氮利用效率改善及可持续农业管理。

Conclusion

本综述强调，用有机肥替代化学肥是降低蔬菜硝酸盐积累的有效源头策略，其主要机制包括增强土壤养分保持、抑制过量硝化以及促进微生物活性平衡。然而，传统的末端效应评估方法仍不足以揭示这些过程的复杂性和动态特征。稳定同位素技术，尤其是15N示踪以及硝酸盐双同位素（δ15N-NO3−和δ18O-NO3−）分析，为研究提供了革命性方法学突破，可直接量化氮通量、识别活跃的微生物驱动因素，并区分氮损失途径。

但同位素方法也存在局限，如分析成本高、时间分辨率有限、依赖模型假设，这限制了其在田间规模的应用。因此，未来研究应将同位素工具与常规化学、农艺及分子方法结合，以提高对氮过程的解析准确性和可靠性。此外，将多同位素指纹（δ13C、δ15N、δ2H、δ18O）与微生物功能DNA分析及过程模型结合，可解析矿化、硝化、反硝化及生物固氮的相对贡献。这种整合方法不仅深化了机理理解，还将同位素应用拓展至蔬菜栽培管理实践的识别与追溯。最终，将同位素方法与传统方法结合，可将基础氮循环研究与应用营养管理桥接，为提升蔬菜品质、增强氮利用效率及推进可持续农业提供坚实的科学依据。

Isotopic approaches to assess nitrate accumulation in conventional and organically grown vegetables

Xing Liu1,2†, Kai Fan1,2†, Haifeng Yang1,2, Xiuping Zhan3, Karyne M. Rogers4*, Weiguo Song1,2*

1 Institute for Agro-Food Standards and Testing Technology, Shanghai Academy of Agricultural Sciences, Shanghai, 201403, China

2 Shanghai Service Platform of Agro-Products Quality and Safety Evaluation Technology, Shanghai, 201403, China

3 Shanghai Agricultural Technology Extension Service Center, Shanghai, 201103, China

4 National Isotope Centre, GNS Science, Lower Hutt, 5010, New Zealand

† Both authors contributed equally.

*Corresponding author.

Abstract

Excessive nitrate accumulation in vegetables poses a dual challenge to food safety and environmental sustainability. Substituting organic fertilizers for chemical fertilizers has emerged as an effective strategy to mitigate excessive nitrate levels in edible plant tissues, but the mechanistic understanding of organic nitrogenous transfer, and reliable authentication frameworks to assure organic produce still remains incomplete for some vegetables. Stable isotope techniques (15N tracing, bulk isotopes δ15N, δ13C, δ2H, δ18O, and nitrate isotopes δ15N-NO3−, δ18O-NO3−) offer unique advantages for tracing nitrogen sources, unraveling microbial and enzymatic processes, and capturing isotopic fractionation during nitrogen transformations. This review synthesizes current advances in applying isotopic approaches to clarify plant nitrate content under organic and chemical fertilizer usage, emphasizing altered nitrogen supply dynamics, microbial regulation, and carbon–nitrogen coupling. We also highlight how crop-specific isotopic fingerprints support the identification of organic and conventional cultivation practices across vegetable types (leafy, fruit, root/tuber, and leguminous plants), thus providing novel tools for organic production certification, food authenticity verification, and safety assessment. Future research priorities include integrating multi-isotope datasets with molecular microbial ecology and isotopomics to establish robust, mechanism-based traceability frameworks that link agricultural management practices with vegetable quality and safety.

Reference:

Liu, X., Fan, K., Yang, H. et al. Isotopic approaches to assess nitrate accumulation in conventional and organically grown vegetables. Agric. Prod. Process. Sto. 2, 12 (2026). https://doi.org/10.1007/s44462-025-00048-y

翻译：王小云（实习）

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片来源：摄图网

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