Reactive nitrogen losses via denitrification assessed in saturated agricultural soils  

飽和農業土壤中通過反硝化作用評估活性氮損失  

來源：Geoderma, Volume 337, 2019, Pages 91-98

《土壤學》，第337卷，2019年，第91-98頁

 

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??）通過反硝化作用的去除量。該地區農業土壤質地細膩，缺乏易分解有機質，主要施用合成肥料。實驗室培養實驗在兩種不同質地（粉砂壤土和粉砂黏土）的飽和土壤中進行，分別添加NO??或NO??與乙酸鹽的組合。通過膜進樣質譜（MIMS）同步測量NO??消耗和N?產量來評估反硝化作用。結果表明，添加乙酸鹽作為有機底物時，淹水土壤將NO??還原為N?的能力更強；而未添加乙酸鹽時，由于缺乏易分解有機底物，NO??去除受限。乙酸鹽處理組中觀察到亞硝酸鹽（NO??）的暫時積累，這與高pH值和高氧化底物（如乙酸鹽）的使用有關。研究表明，增加易分解有機質（如乙酸鹽）的農業實踐有助于緩沖土壤中活性氮過量，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業土壤在飽和條件下的反硝化作用，分析不同土壤質地和有機質有效性對NO??去除的影響，評估乙酸鹽添加對反硝化效率的促進作用，并探究中間產物（如NO??和N?O）的積累情況，為減少氮素損失和環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業土壤（粉砂壤土LOAM和粉砂黏土CLAY），通過實驗室柱培養模擬飽和條件。設置兩組處理：對照組（僅添加NO??）和乙酸鹽添加組（添加NO??和乙酸鹽）。培養周期為5周，定期監測NO??、NO??、乙酸鹽、溶解無機碳（DIC）、N?和N?O濃度。使用膜進樣質譜（MIMS）技術精確測量N?和Ar比例以計算反硝化產生的N?，結合化學分析評估反硝化過程及中間產物動態。

 

測量的數據及研究意義  

1 NO??和乙酸鹽消耗數據，來自Fig.3。研究意義：乙酸鹽添加組（LOAM-ace和CLAY-ace）NO??在10天內去除90%以上，而對照組（LOAM和CLAY）去除率僅50-67%，證明易分解有機質是反硝化關鍵限制因子，指導農業中添加有機質以增強脫氮。  

 

2 N?和DIC產量數據，來自Fig.4。研究意義：乙酸鹽添加組N?和DIC產量顯著高于對照組，粉砂黏土（CLAY）因本底有機質較高而表現更優，證實反硝化與碳源有效性直接相關，為優化碳氮比管理提供依據。  

 

3 pH和NO??動態數據，來自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質添加導致的中間產物積累風險。  

 

4 N?O濃度數據，來自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凈產生率為正（+0.05至+0.14 mmol-N/m2/天），而對照組為負（消耗N?O），表明有機質充足時反硝化更徹底，減少溫室氣體排放。

 

結論  

1 飽和農業土壤的反硝化效率高度依賴易分解有機質（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）因本底有機質含量較高，反硝化潛力優于粉砂壤土（LOAM），凸顯土壤質地和有機質管理的重要性。  

3 乙酸鹽添加可能導致pH升高和NO??暫時積累，但N?O排放量低（<0.5% N?產量），反硝化主要終產物為環境友好的N?。  

4 農業實踐中增加易分解有機質（如堆肥）可增強土壤氮緩沖能力，減少NO??淋溶和溫室氣體排放。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

本研究使用丹麥Unisense膜進樣質譜系統（MIMS）測量溶解N?和Ar濃度，通過N?:Ar比例精確量化反硝化產生的N?。研究意義在于：MIMS技術通過直接測量氣體比例（N?:Ar）避免了傳統1?N示蹤法的復雜性和誤差，提供高精度（變異系數<0.04%）、實時數據。如Fig.4所示，N?濃度變化與NO??消耗高度吻合，驗證了反硝化路徑的完整性。該系統通過硅膠膜提取氣體、液氮阱去除CO?和H?O、銅柱去除O?，確保N?檢測不受干擾。Unisense電極的精準測量揭示了乙酸鹽添加組N?產量顯著升高（52.1 mmol-N/m2/天），直接證實有機質對反硝化的促進作用，為優化農業氮管理提供了可靠的技術支撐和量化依據。