针铁矿导致水稻土壤中自养硝化作用产生的N2O排放量增加

《Journal of Plant Nutrition and Soil Science》：Goethite Contributes to Increased N2O Emissions From Autotrophic Nitrification in Paddy Soils

铁氧化物对水稻土中N2O生成途径的影响及其环境效应。通过灭菌和抑制实验，比较了酸性（pH5.5）与碱性（pH7.9）水稻土添加赤铁矿后的N2O生成机制，发现60%持水条件下，碱性土中自养硝化贡献达78%-83%，显著高于酸性土（38%-47%），而反硝化贡献在酸性土中占29%-49%。添加赤铁矿使碱性土自养硝化贡献提高5%，酸性土反硝化贡献降低29%。研究揭示了Fe氧化物通过调控生物硝化与反硝化途径影响N2O排放的机制差异，为农业减排提供了理论依据。

　　

摘要

背景

铁（Fe）氧化物在控制一氧化二氮（N₂O）排放的生物地球化学过程中起着关键作用。然而，Fe氧化物对各种N₂O产生途径的精确影响仍不甚明了。

目的

本研究旨在阐明针铁矿如何影响两种主要生物途径（自养硝化作用、异养硝化作用和反硝化作用）以及非生物过程对N₂O产生的相对贡献。

方法

在酸性（pH 5.5）和碱性（pH 7.9）的水稻土中，分别添加和不添加针铁矿，并在施用氮肥和不施用氮肥的条件下进行了灭菌和抑制实验。使用低浓度乙炔和高压氧气来区分生物硝化作用和反硝化作用，而高压蒸汽灭菌则用于区分生物和非生物产生的N₂O。

结果

通过比较灭菌和未灭菌的处理组，我们发现，在持水率为60%的条件下，酸性水稻土和碱性水稻土中的N₂O排放主要来自生物过程（超过82%），而非生物反应的贡献很小。在酸性土壤中，硝化作用（包括自养硝化和异养硝化）产生的N₂O量为14.2–17.3 μg kg^?1；在碱性土壤中为71.4–79.7 μg kg^?1，分别占总排放量的48%–55%和79%–84%。此外，在碱性土壤中，自养硝化作用对N₂O产生的贡献为78%–83%，明显高于酸性水稻土中的38%–47%。反硝化作用在酸性水稻土中也起着重要作用，贡献了29%–49%的N₂O。添加针铁矿改变了这些途径的贡献比例：在未处理的水稻土中，非反硝化途径（如自养和异养硝化）对N₂O产生的贡献分别为38%和78%；添加针铁矿后，这些贡献分别增加到47%和83%。相反，在未处理的酸性水稻土中，反硝化作用对N₂O产生的贡献从49%下降到20%；而在添加了针铁矿的水稻土中，这一比例分别降至42%和15%。

结论

在持水率为60%的条件下，添加针铁矿主要通过促进自养硝化作用来增加N₂O的产生，尤其是在碱性水稻土中，同时减少了酸性土壤中的反硝化作用贡献。这些发现加深了我们对Fe氧化物在土壤氮循环和N₂O释放中作用的理解，为减少农业生态系统中的温室气体排放提供了见解。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。