一氧化二氮的生产和排放来自土壤

土壤一氧化二氮的生产和排放直接相关土地利用和土壤管理实践,因为它是微生物过程的生物产品denitrifi-cation和硝化作用,受到土壤理化特性的影响。

细菌反硝化作用是呼吸减少硝酸盐或亚硝酸盐的气体不,一氧化二氮和氮气,耦合的磷酸化作用电子传递。许多需氧微生物使用NO3 ~作为电子受体时能量来自有机化合物氧张力很低(异养反硝化),在这个过程中,一氧化二氮是一种必须的中间。

微生物硝化是硝酸亚硝酸盐和铵的氧化,在大多数土壤,自养细菌负责这个过程的,尽管一些研究表明异养硝化细菌也可能导致硝化和一氧化二氮生产(丢弃et al . 1984;安德森et al . 1993年)。一氧化二氮不是一个强制性的中间硝化过程土壤中,因为当氧气供应是有限的(由硝化细菌denitri-fication), autothrophic细菌可以通过酶减少亚硝酸盐产生的一氧化二氮。Autothrophic ammonium-oxidizing细菌等亚硝化单胞菌欧洲可以使用NO2 ~作为替代电子受体在厌氧条件下,从而减少二氧化氮~一氧化二氮的亚硝酸还原酶酶(费尔斯通和戴维森1989;Groffman 1991)。一氧化二氮的生产也可能由其他微生物引起的,例如,在异化的减少铵硝酸盐,硝酸盐减少亚硝酸盐和硝酸盐同化(史密斯和齐默尔曼1981;爱丽莎和Tiedje 1982)。一氧化二氮的机理生产这些细菌和他们的角色在一氧化二氮在土壤需要广泛的研究。许多真菌缺乏N2O-reductase,一氧化二氮结果真菌脱氮的主要产品(沾荤腥et al . 1992年)。劳克林和史蒂文斯(2002)表明,真菌负责大部分的一氧化二氮生产草原土壤。Spokas et al。(2006)也表现这类抑制剂的研究来阐明潜在机制的一氧化二氮土壤中三氯硝基甲烷熏蒸后生产。他们的研究结果表明,细菌的一氧化二氮产量的20%,而70%的真菌。

典型的关键土壤微生物过程是影响这两个因素:pH值、温度、总氮和矿物质含量不稳定的有机物质可用性、含水量,土壤通气、氧化还原电位。是基本区分土壤生产和排放,因为产生的一氧化二氮两个微生物过程不一定离开土壤,根据土壤物理特性。同时在土壤硝化和反硝化作用可以活跃,因为它是一个复杂和异构系统的有氧和无氧微型网站,不均匀分布的,,因此,一氧化二氮可以通过这两个进化过程(尼尔森et al . 1996;Abbasi和亚当斯2000)。与此同时,在厌氧条件极端的微型网站,denitrifi-cation过程可以利用相同的过程或产生的一氧化二氮硝化作用,从而减少土壤的气体排放。

戴维森(1991)提出了一个简化模型(洞管模型)来描述过程从土壤影响生产和一氧化二氮的排放。该模型确定了三个级别的控制。我代表所有因素水平影响硝化和反硝化作用;II级是一氧化二氮排放量取决于土壤理化参数如何影响产物的比例通过两个过程和速度;第三级占一氧化二氮通过土壤气相扩散到大气中。

在所有因素中,SOM中扮演着重要的角色。土壤不稳定有机质脱氮剂的反应底物,从而有利于氧气消耗和厌氧微型网站的发展土壤,以及微生物活动的增强。许多研究已经发现一氧化二氮通量和SOM内容之间显著正相关(Bremner和Blackmar 1981;罗伯逊和Tiedje 1984;伊克巴尔1992),而矿物的土壤产生更少的一氧化二氮(克斯伯里et al . 1982年)。几项研究表明,在大多数土壤矿物限制脱氮的关键因素是有机材料的可用性,而另一些则表明,在土壤厌氧条件下,反硝化活性强烈容易监管的可分解的有机物质被要求减少硝酸盐(Burford和Bremner 1975;保罗和波1989;麦卡蒂和Bremner 1992;约曼斯et al . 1992年)。此外,减少比例的一氧化二氮/ N2观察易降解土壤中碳材料增加,因为他们似乎促进完整的一氧化二氮还原N2 (Elliot et al . 1990年)。

典型的土壤管理,如氮施肥和灌溉,负责大型一氧化二氮通量。mineral-N肥料的应用在传统的农田中,如NO3 ~、NH4 +, NH4NO3和NH3,控制器是一个关键的一氧化二氮微生物过程的进化从土壤(Bremner和Blackmar 1980;克斯伯里et al . 1982;Dambreville et al . 2006年)。灌溉是一种基本的旱地作物管理,其特征是循环的水赤字,在地中海地区。几个作者发现山峰的一氧化二氮通量作物土壤灌溉事件后,显然由于增强反硝化活动受限曝气状态(Teira-Esmatges et al . 1998;桑切斯et al . 2001;瓦列霍et al . 2004年),而大排放发生在执行灌溉同时或之后不久N供应(韦伯斯特和Dowdell 1982;Ranucci et al . 2011年)。

9.1.3另类SOM管理耕地

可以列出不同的管理实践在农田土壤C封存,尽管他们的适用性可能根据土壤类型和不同地区(1)保护性耕作(零个或免耕);(2)覆盖作物轮作;(3)绿肥覆盖作物;(4)培养与深根作物系统;(5)开发和培养植物木质素含量高,尤其是在残留和根源;(6)应用无毒外源有机质(动物粪便堆肥)。目前,一些研究已经进行替代的影响土壤管理对土壤CO2和一氧化二氮通量。

保护性耕作系统,包括零和最小耕作,留下更多的表面残留,因为土壤不移交,从而创建更少的土壤侵蚀和退化和生物风险,因此,保持SOM。许多研究对土壤免耕(NT)在长期管理包括CT和实践已经证明,耕作导致大量减少SOM的内容和矿化碳(Elliott et al . 1994;麦卡蒂et al . 1995;六个et al . 1999年)。Johnson et al。(2005)总结了44个研究关于保护性耕作和显示速度的SOC存储在NT CT相比,意义重大,但变量,平均0.4±0.61毫克C农业的第一年。

数据显示,通常在任何观察或最低耕作实践,是与增加保水性表面残留的增加,厌氧微型网站的主要分布,减少了气体扩散系数,可能有助于提高一氧化二氮排放(Situala et al . 2000;福特et al . 2009年)。罗伯逊et al。(2000)测量在土壤一氧化二氮排放增加了7.7%,与CT相比。一氧化二氮排放与NT代表一个小抵消增加的SOC获得(3.6%)发生在10年的NT。Bremner Blackmar(1980)观察到一氧化二氮通量增加土壤耕作机械扰动后不久,这一现象归因于释放N2O-rich土壤空气。另一方面,其他作品发现大脱氮率和一氧化二氮排放比耕过的原状土(Aulakh et al . 1984;林恩和多兰1984;Staley et al . 1990年),而埃尔et al。(2003)没有发现任何差异之间的脱氮和一氧化二氮排放no-tilled土壤和土壤栽培的传统和减少耕作系统。更大的土壤微生物活动参与一氧化二氮的排放可能会依赖于增强的表面土壤储水,免耕土壤的研究(多兰1980)。美国研究表明,no-tilled土壤,平均1.4倍比传统耕作土壤表面水分。其他因素确定大通量,缺乏土壤扰动的后果减少耕作,是宏观的减少毛孔(Lal 1997),增加土壤聚合(多兰1980)和减少曝气(道et al . 1979年)。

添加外源有机材料(加工)可能是一个工具来保护有机物质,维持或提高土壤肥力(史密斯2004年),同时也被有效地减少大气二氧化碳(CO2)的崛起浓度(福利特2001;拉尔2008)。有机残留物的管理已经受到人们的兴趣,近年来,作为一种手段,提高耕地土壤的潜在碳汇(6 et al . 1999年)和改善控制氮动力学(詹金森1985;贾维斯et al . 1989年)。有机残留物的最终功能是将农业土壤为OC水槽通过提高土壤OC的持久池或微生物稳定腐殖化的问题,特别是胡敏酸和胡敏素(短笛1996)。

的变换有机废物(污水污泥,绿色的浪费、工业和有机废物、动物粪便)堆肥正变得越来越受欢迎,从而减少人工化肥的使用,垃圾数量添加到垃圾填埋场。堆肥是一个环境安全、性状优势和相对廉价的有机修正案刺激土壤微生物活性和作物生长(加西亚et al . 1994;Pascual et al . 1997;Van-Camp et al . 2004年)。堆肥减少废物的数量和他们的潜在危险生物,成为一个重要的方法从废物回收有机物。堆肥或动物粪便的厌氧消化和浆草,绿色废物或其他OM,在脆弱的地区,也可能是有用的从富氮平衡营养过剩地区缺乏的地区。土壤改良剂与有机肥料N已经回收的优点一个生物固定N,而不是能源密集型工业固定额外N的哈伯新矿物肥料的生产。因此,肥料N以低成本是一个很好的供应商,考虑到12之间的平均N含量不同堆肥和22公斤,在城市有机垃圾堆肥和污水污泥堆肥,分别。超过90%的总氮含量在堆肥的有机形式。

治疗不同类型的加工(从绿色废物和污水污泥堆肥,有机固体残)提高土壤中有机质和总N (Ros et al . 2006;Mantovi et al . 2005;扎曼et al . 2004年)。根据Ayuso et al。(1996),这可能是由于直接影响有机N在土壤中缓慢矿化的堆肥(卡斯特罗和普拉特1981)。Ros et al。(2006)显示OC的显著增加,土壤经过12年的堆肥的应用程序与微生物活动的增加,由于highsubstrate C的综合效应可用性和直接的微生物。之前长期实地研究基于可比有机修改显示类似的效果。扎曼et al。(2004)在Corg上发现了一个明显的效果在情节处理污水污泥堆肥在37年的田间试验,而Canali et al。(2004)观察到的增加土壤Corg内容与家禽粪便干6场实验。三年的田间试验,Madejon et al。(2003)报道明显影响Corg情节处理有机废物堆肥或农业肥料(橄榄油厂废水与其他混合农业废物)。Ros et al。(2003)还在2年试验中观察到Corg的增加与有机废物堆肥。此外,有机肥料应用改良土壤性质:聚合稳定性和矿物营养的农作物(克拉克et al . 1998), pH值稳定、阳离子交换容量(CEC)和水渗透(Stamatiadis et al . 1999年)。

的影响土壤处理与加工,包括堆肥,二氧化碳和一氧化二氮通量从土壤领域非常复杂,和几个现有的实验显示对比的结果。研究的领域和实验室孵化,显示一般刺激微生物的增长由于substrate-C可用性的增加,尽管从compost-added微生物也可能直接影响(帕斯卡et al . 1997;加西亚et al . 1998;Stamatiadis et al . 1999;Garcia-Gil et al . 2000;Ros et al . 2003年)。基底呼吸(二氧化碳释放)被认为是一个有价值的指标C可用性来维持微生物活动(人参et al . 1991年)。(12年)的长期研究旨在比较不同堆肥的影响,矿物肥料和堆肥+矿物肥料(Ros et al . 2006),增加基础呼吸和代谢商(澳洲中药行业联合会qCO2 =二氧化碳/)收到了堆肥土壤中观察到。阿达尼et al。(2009)研究了两个速率的影响(50和85毫克ha1)堆肥的应用与玉米土壤裁剪。compost-amended土壤稳定土壤呼吸被发现(0.96±0.11克的二氧化碳CO2通量的h - m - 2 m - 2和1.07±0.10克二氧化碳h1,分别为50和85毫克农业,而呼吸增加控制时间。

堆肥有机质富含腐殖质物质,土壤除了可以水萃取从堆肥腐殖质物质是提高硝酸盐和铵根吸收,通过几种机制。Cacco et al。(2000)表明,硝酸腐殖质物质直接参与打开运输基因在根。Panuccio et al。(2001)表明,水可抽出的腐殖质物质特别刺激只有NH4 +吸收。这种改善氮吸收根可能会导致降低无机氮转化的一氧化二氮,通过反硝化作用和/或在土壤厌氧硝化微型网站。相反,据报道,有机肥料丰富的现成C化合物,如挥发性脂肪酸(1989年保罗和波)和水溶性的材料,刺激土壤生物N-processes如硝化(穆勒et al . 2003年)和脱氮(洛et al . 1997;Rochette et al . 2000年)。这两个如果厌氧微生物过程容易产生一氧化二氮生产微型网站青睐在土壤最低耕作和灌溉。使用有机的结合残留较低和高C / N比值,可以控制从有机N矿化率的修正。应用高C / N比有机残留可能是一个从土壤修正减少一氧化二氮排放的管理工具。例如,白格斯et al。(2000)和Velthof et al。(2003)发现,一氧化二氮排放量土壤修正与有机材料的高C / N比率减少由于N固定。也得到类似的结果Ram et al .(2009),比较低营养的绿色垃圾堆肥和饲养场肥料富含N .类似的研究是由Meijide et al。(2007),评估影响的矿物和有机氮肥硝化和反硝化过程,因此对一氧化二氮的排放。他们的现场试验进行了灌溉桑迪壤土土在地中海的条件下在玉米生长季节(玉蜀黍l .)。消化料浆的使用减轻一氧化二氮排放25%未经处理的猪粪浆。脱氮出现最重要过程负责一氧化二氮排放的有机肥料应用于土壤时,而硝化作用是最重要的无机肥料。

肥料的应用在现代耕作制度是维持或增加SOC,同时提高土壤养分管理和一般质量。肥料添加可能不是完全有益的,会发生甲烷和一氧化二氮排放增加。

研究,堆肥猪粪和硝酸铵比较7年(Dambreville 2006),表明过去的14个月后应用猪堆肥潜在的反硝化活动增加(+ 319%),N矿化(+ 110%)和organication(+ 112%),而一氧化二氮/(一氧化二氮+ N2)比率低于矿物受精。指纹和克隆库的分析表明,反硝化群落的结构是影响受精类型。

适当的管理,如避免过量的肥料应用程序和同步应用程序时间与作物吸收,将确保最积极的影响肥料在SOC存储和温室气体排放(Johnson et al . 2005年)。土壤一氧化二氮的排放是由动物粪便传播增强泥浆,自60 - 70%的N浆存在NH4 +,尿素和尿酸,而固体肥料和作物残留有更大的不稳定有机N材料内容少。此外,泥浆肥料应用到土壤表面可以支持暂时的厌氧条件导致一氧化二氮排放的峰值(瓦列霍et al . 2004;Mcswiney和罗伯逊2005)。在土壤微生物活动的可用性不稳定有机物质是有限的,粪便可能产生的一氧化二氮比矿物肥料N(1983年克里斯坦森,1985;但et al . 1987;鲍曼1990;Van Cleemput et al . 1992年)和组合应用程序的肥料和矿物肥料可以导致放大一氧化二氮排放速率。

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