Reactive nitrogen losses via denitrification assessed in saturated agricultural soils  

飽和農(nóng)業(yè)土壤中通過(guò)反硝化作用評(píng)估活性氮損失  

來(lái)源：Geoderma, Volume 337, 2019, Pages 91-98

《土壤學(xué)》，第337卷，2019年，第91-98頁(yè)

 

摘要  

本研究旨在量化意大利波河三角洲集約化耕作低地中硝酸鹽（NO??）通過(guò)反硝化作用的去除量。該地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)地細(xì)膩，缺乏易分解有機(jī)質(zhì)，主要施用合成肥料。實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)在兩種不同質(zhì)地（粉砂壤土和粉砂黏土）的飽和土壤中進(jìn)行，分別添加NO??或NO??與乙酸鹽的組合。通過(guò)膜進(jìn)樣質(zhì)譜（MIMS）同步測(cè)量NO??消耗和N?產(chǎn)量來(lái)評(píng)估反硝化作用。結(jié)果表明，添加乙酸鹽作為有機(jī)底物時(shí)，淹水土壤將NO??還原為N?的能力更強(qiáng)；而未添加乙酸鹽時(shí)，由于缺乏易分解有機(jī)底物，NO??去除受限。乙酸鹽處理組中觀察到亞硝酸鹽（NO??）的暫時(shí)積累，這與高pH值和高氧化底物（如乙酸鹽）的使用有關(guān)。研究表明，增加易分解有機(jī)質(zhì)（如乙酸鹽）的農(nóng)業(yè)實(shí)踐有助于緩沖土壤中活性氮過(guò)量，減少NO??向地下水和地表水的淋溶。

 

研究目的  

本研究旨在量化集約化農(nóng)業(yè)土壤在飽和條件下的反硝化作用，分析不同土壤質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)有效性對(duì)NO??去除的影響，評(píng)估乙酸鹽添加對(duì)反硝化效率的促進(jìn)作用，并探究中間產(chǎn)物（如NO??和N?O）的積累情況，為減少氮素?fù)p失和環(huán)境污染提供管理策略。

 

研究思路  

研究選取意大利波河三角洲兩種典型農(nóng)業(yè)土壤（粉砂壤土LOAM和粉砂黏土CLAY），通過(guò)實(shí)驗(yàn)室柱培養(yǎng)模擬飽和條件。設(shè)置兩組處理：對(duì)照組（僅添加NO??）和乙酸鹽添加組（添加NO??和乙酸鹽）。培養(yǎng)周期為5周，定期監(jiān)測(cè)NO??、NO??、乙酸鹽、溶解無(wú)機(jī)碳（DIC）、N?和N?O濃度。使用膜進(jìn)樣質(zhì)譜（MIMS）技術(shù)精確測(cè)量N?和Ar比例以計(jì)算反硝化產(chǎn)生的N?，結(jié)合化學(xué)分析評(píng)估反硝化過(guò)程及中間產(chǎn)物動(dòng)態(tài)。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1 NO??和乙酸鹽消耗數(shù)據(jù)，來(lái)自Fig.3。研究意義：乙酸鹽添加組（LOAM-ace和CLAY-ace）NO??在10天內(nèi)去除90%以上，而對(duì)照組（LOAM和CLAY）去除率僅50-67%，證明易分解有機(jī)質(zhì)是反硝化關(guān)鍵限制因子，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)中添加有機(jī)質(zhì)以增強(qiáng)脫氮。  

 

2 N?和DIC產(chǎn)量數(shù)據(jù)，來(lái)自Fig.4。研究意義：乙酸鹽添加組N?和DIC產(chǎn)量顯著高于對(duì)照組，粉砂黏土（CLAY）因本底有機(jī)質(zhì)較高而表現(xiàn)更優(yōu)，證實(shí)反硝化與碳源有效性直接相關(guān)，為優(yōu)化碳氮比管理提供依據(jù)。  

 

3 pH和NO??動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，來(lái)自Fig.5。研究意義：乙酸鹽添加組pH升高（7.5-8.5）伴隨NO??暫時(shí)積累，表明高pH和高氧化底物可能抑制反硝化酶活性，提示需避免堿性條件下有機(jī)質(zhì)添加導(dǎo)致的中間產(chǎn)物積累風(fēng)險(xiǎn)。  

 

4 N?O濃度數(shù)據(jù)，來(lái)自Table 2。研究意義：N?O積累量占N?比例<0.5%，且乙酸鹽添加組N?O凈產(chǎn)生率為正（+0.05至+0.14 mmol-N/m2/天），而對(duì)照組為負(fù)（消耗N?O），表明有機(jī)質(zhì)充足時(shí)反硝化更徹底，減少溫室氣體排放。

 

結(jié)論  

1 飽和農(nóng)業(yè)土壤的反硝化效率高度依賴易分解有機(jī)質(zhì)（如乙酸鹽）的可用性，添加乙酸鹽使NO??去除率提高至90%以上。  

2 粉砂黏土（CLAY）因本底有機(jī)質(zhì)含量較高，反硝化潛力優(yōu)于粉砂壤土（LOAM），凸顯土壤質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)管理的重要性。  

3 乙酸鹽添加可能導(dǎo)致pH升高和NO??暫時(shí)積累，但N?O排放量低（<0.5% N?產(chǎn)量），反硝化主要終產(chǎn)物為環(huán)境友好的N?。  

4 農(nóng)業(yè)實(shí)踐中增加易分解有機(jī)質(zhì)（如堆肥）可增強(qiáng)土壤氮緩沖能力，減少NO??淋溶和溫室氣體排放。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義  

本研究使用丹麥Unisense膜進(jìn)樣質(zhì)譜系統(tǒng)（MIMS）測(cè)量溶解N?和Ar濃度，通過(guò)N?:Ar比例精確量化反硝化產(chǎn)生的N?。研究意義在于：MIMS技術(shù)通過(guò)直接測(cè)量氣體比例（N?:Ar）避免了傳統(tǒng)1?N示蹤法的復(fù)雜性和誤差，提供高精度（變異系數(shù)<0.04%）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。如Fig.4所示，N?濃度變化與NO??消耗高度吻合，驗(yàn)證了反硝化路徑的完整性。該系統(tǒng)通過(guò)硅膠膜提取氣體、液氮阱去除CO?和H?O、銅柱去除O?，確保N?檢測(cè)不受干擾。Unisense電極的精準(zhǔn)測(cè)量揭示了乙酸鹽添加組N?產(chǎn)量顯著升高（52.1 mmol-N/m2/天），直接證實(shí)有機(jī)質(zhì)對(duì)反硝化的促進(jìn)作用，為優(yōu)化農(nóng)業(yè)氮管理提供了可靠的技術(shù)支撐和量化依據(jù)。