APPS | 利用同位素方法評估常規種植和有機種植蔬菜中的硝酸鹽積累情況

本文系Agricultural Products Processing and Storage原創編譯，歡迎分享，轉載請授權。

Abstract

蔬菜中過量硝酸鹽積累對食品安全和環境可持續性構成雙重挑戰。以有機肥替代化學肥料被認為是降低可食植物組織中硝酸鹽含量的有效策略，但部分蔬菜中有機氮轉移機制及有機農產品可靠鑒別體系仍不完善。穩定同位素技術（15N示蹤、整體同位素δ15N、δ13C、δ2H、δ18O以及硝酸鹽同位素δ15N-NO3?、δ18O-NO3?）在追蹤氮源、解析微生物與酶過程以及揭示氮轉化過程中的同位素分餾方面具有獨特優勢。本綜述總結了同位素方法在闡明有機肥與化學肥條件下植物硝酸鹽含量方面的研究進展，重點關注氮供應動態變化、微生物調控以及碳–氮耦合機制。同時強調作物特異性同位素指紋在區分不同蔬菜類型（葉菜類、果菜類、根/塊莖類和豆科作物）有機與常規種植方式中的應用，為有機生產認證、食品真實性驗證和安全評估提供新工具。未來研究應整合多同位素數據與分子微生物生態學及同位素組學，建立將農業管理措施與蔬菜質量和安全性相聯系的穩健、機制導向的溯源框架。

Introduction

蔬菜是人類膳食的重要組成部分，也是膳食硝酸鹽（NO3?）的主要來源。其中，葉菜類尤為突出，其NO3?含量常超過700 mg/kg，約占膳食硝酸鹽總暴露量的80%。適量攝入NO3?可通過“NO3?-NO2?-NO”途徑促進血管健康、改善運動表現，并具有抗炎、抗氧化及胃部防御作用；但蔬菜中NO3?過量或長期累積可能增加健康風險，如嬰兒高鐵血紅蛋白血癥及多種癌癥風險。NO3?在體內可被細菌還原為NO2?，在酸性條件下進一步生成致癌的N-亞硝胺，因此多國對蔬菜中NO3?/NO2?含量制定了限量標準。相比之下，中國尚未對新鮮蔬菜中NO3?設定明確上限，但對腌制蔬菜中的NO2?有明確限制。

蔬菜中NO3?含量主要受栽培因素影響，包括施氮量與類型、土壤性質、光照和品種差異等，這些因素貢獻約80%～95%；而采后儲藏和加工僅影響5%～20%。因此，在栽培階段調控硝酸鹽積累是當前研究的核心方向。

現有策略包括：降低施氮水平、以有機肥或銨態氮、尿素替代硝態化肥、采收前短期停施硝態氮，以及通過光環境調控和低硝酸鹽品種選育等。其中，有機肥不僅可降低蔬菜NO3?含量，還能改善土壤肥力、減少硝酸鹽淋失與徑流，符合可持續農業目標。然而，其作用機制仍不清晰，尤其是有機肥如何重塑土壤氮轉化過程（如有機氮礦化、硝化作用和微生物固持，圖1）及其潛在生態協同效應，仍有待深入闡明。

穩定同位素技術為解決上述問題提供了關鍵工具。δ15N天然豐度法可在不擾動土壤氮庫的條件下識別氮源與轉化過程，而15N示蹤實驗可在受控體系中定量氮通量和過程強度。結合植物和土壤中的肥料同位素指紋（如有機肥δ15N通常>+5‰，化學肥接近0‰）及15N回收分析，可揭示有機肥延緩硝酸鹽形成、增強微生物固氮并減少氮損失的機制。

因此，本綜述對比有機肥與化學肥條件下蔬菜硝酸鹽積累的研究進展，重點總結穩定同位素在量化氮循環過程和驗證栽培方式中的應用，為實現安全、可持續的低硝酸鹽蔬菜生產提供理論依據和方法支持。

圖1 土壤中氮轉化的一般途徑

有機肥施用對降低土壤硝酸鹽含量的影響

降低硝酸鹽含量的一般機制

有機肥日益被認可為減少蔬菜和土壤中硝酸鹽積累的有效替代或輔助策略。然而，不同類型有機肥在C/N比、礦化速率及相關微生物群落組成上差異顯著，導致氮釋放動力學和硝酸鹽積累效果不同。高C/N土壤改良物，如秸稈堆肥或生物炭，通常促進微生物氮固化，延緩氮可利用性但提高土壤長期氮保持；而低C/N肥料，如動物糞便或蚯蚓堆肥，則礦化快速，釋放銨態氮并促進反硝化。不同有機底物富集的微生物群落——從糞肥中的嗜營養菌到堆肥中的木質纖維降解真菌——進一步調控硝化與反硝化平衡。這些理化和生物差異決定了氮供應與植物需求的同步性，從而影響硝酸鹽降低效率（圖2）。

有機肥的主要調控機制在于其緩慢釋放可利用氮。與以可溶性硝酸鹽為主的化肥不同，有機氮主要以蛋白質、氨基酸等復雜形式存在，需經土壤微生物礦化為NH4+后再硝化為NO3?。這一緩釋過程使氮供應與植物在不同生長階段的需求同步，減少土壤硝酸鹽峰值，并緩解植物中過快積累。山西忻州黃土高原長期施肥試驗表明，有機改良增加了氮循環微生物豐度，并改變功能基因組，使同化性硝酸鹽去除與反硝化增強，同時抑制硝化相關途徑。這表明有機肥促進氮緩慢轉化，減緩土壤NO3?累積，更好匹配植物需求。

另一機制是改善土壤理化性質，如土壤結構、緩沖能力及水分養分保持能力，提高氮利用效率，同時減少硝酸鹽淋失和根區局部積累。例如，堆肥或生物炭基肥料可調節土壤pH并穩定微生物群落，從而間接抑制過度硝化，減緩硝酸鹽形成。實證研究顯示，施用羊牛糞堆肥可顯著提高土壤有機碳、全氮及C/N比，同時提升反硝化基因（narG、nirK、nosZ）豐度及反硝化酶活性，但硝化活性無明顯增加，說明有機改良促進反硝化并抑制過度硝化。

微生物調控也是關鍵途徑。添加有機質刺激異養微生物，與植物競爭無機氮，暫時固定NH4+和NO3?，減少硝化底物，并在碳豐富條件下促進兼性厭氧微生物反硝化，將部分硝酸鹽轉化為氣態N2O和N2。研究表明，增加有機雞糞比例改變反硝化基因豐度及平衡，增強N2O排放；化肥與生物有機肥結合施用可重塑土壤微生物群落，提高微生物生物量氮（MBN），顯著降低土壤及植物NO3?濃度。

在植物生理層面，有機肥通過提供鉬、鐵等NR必需輔因子，增強硝酸還原酶活性，將吸收的NO3?轉化為NH4+并同化為氨基酸和蛋白質，降低組織硝酸鹽積累。同時改善根際條件和土壤養分平衡（如較高C/N比），增強光合效率、葉綠素合成及碳同化，為氮利用提供能量與碳骨架。實驗證實，如施用牛糞結合NPK可顯著提高花生NR活性和總葉綠素含量。

從營養管理角度，適當施用有機肥可實現全氮輸入的源頭控制。部分替代化學氮肥可降低初始根際硝酸鹽濃度，同時滿足作物需求，有效緩解蔬菜中過量硝酸鹽積累。例如，研究顯示有機肥可使白菜硝酸鹽和亞硝酸鹽含量分別下降19.0%和20.9%，同時提高土壤有機質和微生物活性；生物有機肥施用可降低土壤TN輸入20%，蔬菜硝酸鹽降低47.9%，并改善可溶蛋白及維生素C水平。

綜上，有機肥通過調控土壤過程、微生物活性、植物代謝及田間管理，多層面協同減少蔬菜硝酸鹽積累，為生產低硝蔬菜提供科學依據。

圖2 有機肥施用降低蔬菜硝酸鹽含量的作用機制

有機肥對不同類型蔬菜硝酸鹽含量的影響

盡管有機肥降低硝酸鹽機制總體一致，不同蔬菜類型硝酸鹽含量差異明顯，取決于生長特性、氮吸收策略及可食部生理特征。

葉菜類（如生菜、菠菜、小白菜）生長快、需氮量高，易在葉組織中積累過量硝酸鹽，尤其在低光或高氮條件下。用有機肥替代化肥可降低15%～60%硝酸鹽含量，并伴隨抗壞血酸含量增加，符合碳-養分平衡理論。茄果類（如番茄、辣椒、茄子）氮需求中等、生長周期長，施用有機肥可減少10%～30%硝酸鹽，同時提高果實質量。根莖類（如土豆、胡蘿卜、蘿卜）在地下器官積累硝酸鹽，但有機肥顯著緩解，施用堆肥可降低50%土豆塊莖硝酸鹽含量，減量效果受施肥劑量影響。瓜類（如黃瓜、苦瓜）果實硝酸鹽本低，施用≥50%有機堆肥可降低果實硝酸鹽＞5%，純有機施肥甚至低于檢測限，同時改善蛋白、纖維、礦物質等營養特性。豆類（如普通豆、毛豆、蠶豆）天然硝酸鹽低，部分替代化肥可進一步降低5%～25%。總體上，葉菜及根莖類蔬菜下降幅度最大，果菜及豆類次之。

植物中硝酸鹽降低的同位素研究

研究有機肥作用的技術挑戰

有機肥降低蔬菜硝酸鹽的潛力已被驗證，但傳統研究方法多依賴終端效應評估、土壤理化分析、微生物生物量測定、土壤酶活及表觀氮平衡計算（圖3）。這些方法雖提供經驗支持，但靜態、片段化，難以解析氮轉化動力學、微生物功能及氮損失途徑。穩定同位素示蹤（如15N標記、15N-18O雙硝酸鹽）提供高分辨率手段，可量化礦化、硝化、反硝化、微生物同化及氮損失途徑。

圖3 常用的評估有機肥供氮下蔬菜硝酸鹽減量的一般方法框架

有機肥降低硝酸鹽的同位素機制

15N示蹤可直接量化礦化、硝化、反硝化及微生物同化，結合15N-DNA-SIP可識別活躍微生物群落，揭示氮流與微生物功能間的聯系。有機肥通過提高土壤有機碳、全氮、微生物生物量及關鍵酶活，增強氮保持與緩釋，使作物15N利用率提高、15N損失減少，從而降低可食組織中硝酸鹽積累。天然豐度δ15N方法適合長期大田研究，作物殘余15N偏重，為追蹤有機氮來源提供信號。

不同蔬菜類型的同位素應用

葉菜對氮管理敏感，δ15N可區分有機與化肥；果菜受灌溉影響，δ13C、δ18O和δ2H可反映水分利用和光合效率；根莖作物整合長期土壤水氮信息；豆類體現生物固氮貢獻。結合多同位素（δ13C、δ15N、δ2H、δ18O）與微生物功能DNA，可建立蔬菜類型間栽培實踐的追蹤模型。

15N示蹤和15N-DNA-SIP表明，有機改良通過增強微生物氮固化、促進碳豐富條件下反硝化、抑制過度硝化，使氮供應更穩定、作物硝酸鹽降低。雙硝酸鹽同位素進一步驗證這些機制，并可區分微生物途徑和肥料來源。

盡管方法先進，但仍存在同位素值重疊、植物氮分餾及高分辨率采樣需求等挑戰。未來需結合現場實驗、標準化數據庫及微生物/代謝組分析，將機制研究與溯源應用結合，實現蔬菜品質提升、氮利用效率改善及可持續農業管理。

Conclusion

本綜述強調，用有機肥替代化學肥是降低蔬菜硝酸鹽積累的有效源頭策略，其主要機制包括增強土壤養分保持、抑制過量硝化以及促進微生物活性平衡。然而，傳統的末端效應評估方法仍不足以揭示這些過程的復雜性和動態特征。穩定同位素技術，尤其是15N示蹤以及硝酸鹽雙同位素（δ15N-NO3?和δ18O-NO3?）分析，為研究提供了革命性方法學突破，可直接量化氮通量、識別活躍的微生物驅動因素，并區分氮損失途徑。

但同位素方法也存在局限，如分析成本高、時間分辨率有限、依賴模型假設，這限制了其在田間規模的應用。因此，未來研究應將同位素工具與常規化學、農藝及分子方法結合，以提高對氮過程的解析準確性和可靠性。此外，將多同位素指紋（δ13C、δ15N、δ2H、δ18O）與微生物功能DNA分析及過程模型結合，可解析礦化、硝化、反硝化及生物固氮的相對貢獻。這種整合方法不僅深化了機理理解，還將同位素應用拓展至蔬菜栽培管理實踐的識別與追溯。最終，將同位素方法與傳統方法結合，可將基礎氮循環研究與應用營養管理橋接，為提升蔬菜品質、增強氮利用效率及推進可持續農業提供堅實的科學依據。

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

翻譯：王小云（實習）

編輯：梁安琪；責任編輯：孫勇

封面圖片來源：攝圖網

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