Reactive nitrogen losses via denitrification assessed in saturated agricultural soils

通過反硝化作用評估飽和農業土壤中的活性氮損失

來源：未知，沒有提供明確的來源信息

 

摘要

摘要指出，本研究旨在量化意大利波河三角洲集約耕作低地中硝酸鹽通過反硝化作用的去除量。這些農業土壤質地細膩，通常缺乏不穩定有機質，主要施用合成肥料。實驗室核心培養在水分飽和條件下進行，對比了兩種不同質地（粉壤土和粉粘土）的土壤，分別添加硝酸鹽單獨或硝酸鹽與乙酸鹽組合。通過膜進樣質譜（MIMS）同步測量硝酸鹽消耗和N2產量來評估反硝化作用。淹水土壤在提供乙酸鹽作為有機底物時顯示出更高的將硝酸鹽還原為N2的能力，而未添加乙酸鹽時，由于缺乏不穩定有機底物，硝酸鹽去除有限。在乙酸鹽處理的培養中觀察到亞硝酸鹽的暫時積累，這是由于高pH值和高氧化底物（如乙酸鹽）的使用共同導致。研究表明，旨在增加不穩定有機質（如乙酸鹽）可用性的農業實踐有益于緩沖土壤中活性氮過量，減少硝酸鹽向地下水和地表水的淋溶。

 

研究目的

研究目的是量化意大利波河三角洲集約耕作低地農業土壤在飽和條件下通過反硝化作用去除硝酸鹽的能力，特別關注不同土壤質地（粉壤土和粉粘土）以及外源有機底物（乙酸鹽）添加對反硝化過程的影響，以評估農業管理措施對減少活性氮損失和地下水污染的潛力。

 

研究思路

研究思路通過在實驗室控制條件下進行土壤核心培養實驗來實現。選取兩種典型土壤（LOAM粉壤土和CLAY粉粘土），在水分飽和條件下培養，設置對照（僅添加硝酸鹽）和乙酸鹽添加處理。利用膜進樣質譜技術（MIMS）同步監測硝酸鹽消耗和N2產生，從而直接量化反硝化作用。同時測量溶解無機碳（DIC）、亞硝酸鹽（NO2?）、pH等參數，以全面了解反硝化過程及其影響因素。實驗模擬了田間施肥后強降雨導致的土壤飽和條件，培養持續5周，定期采樣分析。

 

測量的數據及研究意義

1. 硝酸鹽（NO3?）和揮發性脂肪酸（VFA，如乙酸鹽）消耗動態：來自Figure 3。數據顯示，添加乙酸鹽的處理中NO3?消耗更快更徹底；未添加的處理消耗受限。研究意義在于直接證明了不穩定有機碳的可用性是驅動反硝化作用的關鍵限制因子，農業實踐中添加有機質可顯著增強硝酸鹽去除，減少淋溶風險。

 

2. 溶解無機碳（DIC）和氮氣（N2）產生動態：來自Figure 4。數據顯示，乙酸鹽添加處理中DIC和N2產量顯著更高，且初期快速增加。研究意義在于證實了反硝化過程的碳代謝和氮氣生成是耦合的，DIC增加反映了有機碳的礦化，N2增加則直接證明了反硝化是主要的氮損失途徑，而非N2O排放或其他過程。

 

3. pH和亞硝酸鹽（NO2?）積累動態：來自Figure 5。數據顯示，乙酸鹽添加處理中pH暫時升高，并伴隨NO2?的短暫積累。研究意義在于揭示了在高pH和使用高氧化態底物（乙酸鹽）條件下，反硝化過程可能出現中間產物積累，這有助于理解反硝化過程的完整路徑和潛在副產物（如NO2?）的形成條件。

 

4. 溶解氧（DO）濃度：使用丹麥Unisense OX-500微電極測量。數據確認培養系統迅速達到厭氧狀態（<1天）。研究意義在于確證了反硝化所需的厭氧環境，為解釋反硝化速率提供了關鍵的環境背景。

5. 土壤基本性質：來自Table 1。包括顆粒組成、容重、孔隙度、有機質含量、CaCO3含量等。研究意義在于提供了兩種土壤的物理化學背景，解釋了其固有反硝化潛力差異的原因（如CLAY土壤有機質背景更高，反硝化潛力更大）。

 

結論

1. 土壤飽和條件下，反硝化作用是去除硝酸鹽的重要途徑，但其效率高度依賴于不穩定有機碳（如乙酸鹽）的可用性。添加乙酸鹽顯著促進了硝酸鹽還原為N2。

2. 土壤類型影響反硝化潛力。粉粘土（CLAY）由于其較高的本底有機質含量，表現出比粉壤土（LOAM）更高的固有反硝化能力。

3. 在反硝化過程中，特別是當使用高氧化態有機底物（如乙酸鹽）且pH升高時，可能會出現亞硝酸鹽（NO2?）的暫時積累，這表明過程可能不完全，存在中間步驟。

4. 農業管理措施，如增加土壤不穩定有機碳庫（例如通過減少耕作、添加堆肥），可以增強土壤的反硝化能力，從而作為一種緩沖機制，減少活性氮過量，降低硝酸鹽對地下水和地表水的污染風險。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense OX-500微電極測量溶解氧（DO）濃度具有重要的研究意義。該電極提供了高時間分辨率的DO測量，能夠精確捕捉土壤核心培養系統中從有氧到厭氧狀態的快速轉變（實驗中提到密封后不到一天即達到厭氧）。這種精確測量至關重要，因為它直接證實了反硝化作用發生所需的嚴格厭氧條件已經建立。厭氧是反硝化微生物活躍的前提，因此Unisense電極的數據為解釋觀察到的硝酸鹽快速消耗和N2大量產生提供了關鍵的環境背景證據。它幫助研究者排除了氧氣限制不是實驗結果的制約因素，從而將觀察到的反硝化速率差異更可靠地歸因于土壤性質（質地、有機質）和底物添加（乙酸鹽）等實驗處理變量。此外，可靠的DO監測確保了實驗條件與田間土壤飽和后的真實厭氧環境具有可比性，增強了研究結果的外推和應用價值。