Денитрификация

Денитрификация - это естественный микробный процесс почвы, при котором нитраты (NO -) превращаются в газообразный азот (N), который теряется в атмосфере. Денитрификация происходит, когда почвенные бактерии используют нитраты для дыхания вместо кислорода в воздухе.

Наиболее быстро этот процесс происходит в теплых влажных почвах с обилием нитратов.

Что это❓

Почвенные микробы при определенных условиях способны превращать нитраты в различные газы. Эта потеря нитратов в результате денитрификации имеет негативные экономические последствия для растениеводства, поскольку ценные азотные удобрения теряются в воздухе. Однако во многих водных системах и при очистке сточных вод денитрификация имеет положительное влияние в снижении концентрации нитратов в воде. Денитрификацию можно рассматривать как желательную или вредную в зависимости от целей.

Денитрификация приводит к восстановлению нитрата до различных газов (включая NO, N2O или N2). Одним из таких газов является закись азота (N2O), мощный парниковый газ, который может оставаться в воздухе более 100 лет. Закись азота также связана с разрушением стратосферного озона. Хотя потери в результате этого процесса могут иметь глобальные последствия, общие потери от денитрификации, как правило, составляют менее 1 % от общего количества азотных удобрений, вносимых в сельскохозяйственные почвы. В необычных условиях потери при денитрификации добавленного азотного удобрения могут превышать 50 %.

Почему это происходит❓

Когда поступление кислорода (O2) в почву становится ограниченным, различные бактерии используют кислород, содержащийся в нитрате, для дыхания. Денитрификация чаще всего происходит во влажных или заболоченных почвах, где поступление кислорода для дыхания ограничено. Некоторые грибы могут денитрифицировать, но это не считается значительным.

Когда это происходит❓

Денитрификация происходит быстро, когда поровое пространство, заполненное водой, в почвах превышает 60%. Конечный продукт газа зависит от состояния почвы и микробного сообщества. По мере увеличения дефицита кислорода микробы склонны преобразовывать больше нитратов в газообразный N2. В целях управления питательными веществами, денитрификация приводит к потере ценного азота, но воздействие на атмосферу будет различаться.

Факторы контроля

1️⃣Присутствие нитратов: денитрификация происходит только при наличии нитратов. Один из способов минимизировать денитрификацию - поддерживать минимальную концентрацию нитратов, необходимую для поддержания здорового роста растений. Это может быть достигнуто с помощью таких методов, как дробное внесение удобрений, фертигация или использование удобрений с контролируемым высвобождением. Другой подход заключается в использовании ингибитора нитрификации, добавляемого к азотному удобрению. Ингибиторы нитрификации временно не позволяют бактериям Nitrosomonas превращать аммоний в нитрит. Замедление этого процесса снижает быстрое появление нитратов, которое обычно следует за внесением удобрений на основе аммония или навоза.

2️⃣Температура: большинство микробных процессов в почве сильно зависят от температуры. Исследования показывают, что денитрификация происходит наиболее быстро при температуре от 27 °С до 38 °С, что теплее, чем на большинстве почв, даже летом.

Относительно мягкие зимние температуры и характер осадков в сельскохозяйственных регионах Калифорнии позволяют денитрификации продолжаться круглый год (хотя и медленнее зимой).

3️⃣Влажность почвы: наличие или отсутствие кислорода является одним из важнейших факторов, определяющих степень и продолжительность денитрификации. Денитрификация может происходить в аэробных (достаточное количество кислорода) условиях, но в относительно незначительной степени.

Влажные почвы обычно вызывают денитрификацию. Азотные газы могут начать появляться уже через 15 минут после насыщения при благоприятных условиях. При более высокой влажности почвы N2 имеет тенденцию становиться основным продуктом денитрификации по сравнению с N2O.

При выращивании риса с затоплением наблюдаются низкие концентрации нитратов, которые можно денитрифицировать тщательным обращением с удобрениями. Однако во время сезонного осушения может образовываться нитрат, который может быть денитрифицирован во время последующих затоплений.

4️⃣Наличие растворенного углерода: денитрифицирующие бактерии получают свою энергию из растворимого органического углерода. Поэтому денитрификация усиливается в почвах с готовым запасом органического углерода, такого как навоз, компост, покровные культуры или растительные остатки. Растворимый углерод также влияет на конечный продукт денитрификации. Производство N2 обычно доминирует при наличии достаточного количества растворимого углерода, тогда как производство N2O и NO более вероятно, если растворимый углерод ограничивает рост микробов.

Были предприняты экспериментальные попытки стимулировать денитрификацию в полевых условиях для удаления нитратов из воды путем добавления растворимого углерода (такого как пищевое масло, патока и другие быстро разлагающиеся источники углерода) в качестве источников энергии для микробов. Точно так же пропускание богатой нитратами поверхностной воды через реактор или через сооруженное заболоченное место для стимуляции денитрификации является распространенным методом очистки воды.

Почвы, которые переживают длительный засушливый период с последующими дождями или орошением, обычно имеют выброс (всплеск) растворимого углерода, который может поддерживать резкий скачок денитрификации. Переувлажнение (заболачивание) также стимулирует высвобождение растворимого углерода в почву, что может способствовать быстрой денитрификации.

Где это происходит❓

Потенциал денитрификации наиболее высок в верхнем слое почвы, где микробная активность наиболее высока. Верхний слой почвы содержит самую высокую концентрацию углерода, источника энергии микробов. Вероятность денитрификации нитратов, перемещающихся ниже верхнего слоя почвы, с глубиной снижается, поскольку микробная активность обычно быстро падает под корневой зоной. Одно исследование показало, что 68% потенциала денитрификации приходится на верхние ½ дюйма почвы. Нехватка соответствующих бактерий не ограничивает денитрификацию большинства сельскохозяйственных почв.

Корни растений по-разному влияют на денитрификацию. Корни выделяют значительное количество растворимого углерода и отшелушенных корневых клеток. Кислород в почве расходуется во время корневого дыхания. И наоборот, корни растений высушивают почву, поскольку они потребляют влагу для эвапотранспирации (испарения), и истощают содержание нитратов в почве по мере роста растения.

Процесс денитрификации широко распространен по всему полю. Многие условия, такие как случайное размещение растительных остатков, макропоры и агрегация почвы, а также небольшие изменения в распределении почвенного органического вещества и удобрений, будут влиять на скорость денитрификации в микромасштабе. Это изменение затрудняет точные полевые измерения денитрификации.

🔶Горячие точки денитрификации: Значительная путаница в отношении денитрификации возникает из-за сложности процесса в течение года и изменчивости по полям. Небольшие площади (горячие точки) и кратковременные всплески денитрификации часто приводят к большей части ежегодных выбросов N2O с поля. Например, одно исследование показало, что более 80% денитрификации в образце почвы произошло внутри и вокруг одного разлагающегося листа, который составлял менее 1% от объема почвенного образца. Различия в текстуре почвы и водоудерживающей способности по всему ландшафту также влияют на потери от денитрификации.

На эти локализованные процессы денитрификации будут влиять такие факторы управления, как источник удобрений, норма, сроки и размещение, а также скашивание покровных культур, размещение растительных остатков, схемы уплотнения движения и равномерность орошения.

Точно так же внезапные короткие всплески активности денитрификации обычно измеряются после одиночного ливня после продолжительного засушливого периода. Циклы замораживания и оттаивания также могут оказывать аналогичное стимулирующее действие.

Контроль денитрификации❗

Можно рассмотреть несколько практических методов для снижения потерь нитратов в результате денитрификации. К ним относятся:

Дренаж почвы: проблемы земледелия, связанные с чрезмерно влажными почвами, привели к размещению дренажных труб и канав на многих полях, что снижает вероятность денитрификации. В некоторых районах зимой в поле намеренно задерживают дренажную воду в течение длительного времени, что помогает стимулировать денитрификацию и улучшить удаление нитратов из воды.

Практики управления земледелием и почвами для борьбы с денитрификацией✅

1. Сведите к минимуму внесение удобрений и навоза в количестве, превышающем потребности растений, чтобы избежать избытка нитратов в почве.

2. Запланируйте внесение азотных удобрений на время, когда растения быстро растут и нуждаются в азоте.

3. Используйте поливную воду, чтобы полностью удовлетворить потребности сельскохозяйственных культур. По возможности избегайте чрезмерного полива и переувлажнения. Неравномерный полив может привести к образованию зон насыщения на поле.

4. Используйте соответствующие источники азота, включая удобрения с контролируемым высвобождением, ингибиторы нитрификации или ингибиторы уреазы, если они соответствуют плану управления.

5. Избегайте уплотнения почвы, которое может препятствовать потоку воды и привести к затоплению и заболачиванию; улучшайте дренаж на полях с чрезмерной влажностью.

6. Используйте удобрения на основе мочевины или аммония там, где ожидается денитрификация.

7. Посадите покровные культуры, чтобы снизить концентрацию остаточных нитратов в почве между выращиваемыми культурами.

8. Косите или уничтожайте покровные культуры как можно ближе ко времени посадки следующего урожая, чтобы свести к минимуму накопление нитратов во время разложения.

9. Выберите время для внесения навоза и компоста, чтобы избежать влажных почв. Навоз является источником углерода и азота, которые могут стимулировать денитрификацию.

🔶Ингибиторы: было последовательно доказано, что использование ингибиторов нитрификации снижает денитрификацию и выбросы N2O. Замедляя превращение аммония в нитрат, азотные удобрения меньше подвергаются процессам денитрификации в любой момент времени.

🔶Практика орошения: содержание влаги в почве и продолжительность увлажнения оказывают существенное влияние на денитрификацию. Методы орошения, которые предусматривают меньшее и более частое применение воды, приводят к меньшей денитрификации. Например, было продемонстрировано, что подземное капельное орошение имеет меньше выбросов N2O по сравнению с паводковым (лиманным) и поверхностным капельным орошением. При капельном орошении увлажняется лишь небольшая часть почвы по сравнению с поливом по бороздам, паводковым (лиманным) поливом или дождеванием, что снижает степень переувлажнения почвы. Однако люцерна, орошаемая паводковым (лиманным) затоплением, производит очень мало N2O, за исключением случаев, когда это происходит сразу после каждого полива из-за низких концентраций нитратов в почве.

Влияние методов орошения на денитрификацию не всегда легко предсказать. Например, нитрат обычно перемещается с добавленной водой к краю фронта увлажнения, где вероятность насыщения почвы меньше. Одно исследование показало, что наибольшие потери N2O не совсем соответствуют событиям фертигации. Вместо этого наибольшие потери произошли после измельчения растительных остатков (поступление растворимого углерода) и после первого ливня после сбора урожая (циклы увлажнения и сушки).

Потери при денитрификации продолжаются зимой, хотя и в меньшей степени, чем летом. Зимние выделения N2O составляли около 10% от общих годовых выбросов люцерны, 10-25% томатов и 14-50% салата-латука. Что касается озимой пшеницы, большая часть выбросов N2O происходит в течение зимнего вегетационного периода при внесении азотных удобрений.

🔶Источник азотных удобрений: для денитрификации необходимо присутствие нитратов, поэтому выбор источника азотных удобрений может быть важным. Материалы и методы удобрения, поддерживающие азот в виде мочевины или аммония, снижают краткосрочный риск денитрификации.

Есть сообщения, что выбор конкретных источников азотных удобрений может повлиять на денитрификацию. Например, иногда показано, что использование безводного аммиака приводит к большим выбросам N2O, чем использование UAN (нитрат аммония мочевины) или мочевины. Выбор конкретного растворимого азотного удобрения не всегда приводит к значительному снижению денитрификации. Однако наблюдается последовательное снижение денитрификации, связанное с использованием азотных удобрений с покрытием с контролируемым высвобождением. Выбросы закиси азота из мочевины с полимерным покрытием были снижены на целых 50% по сравнению с сухой гранулированной мочевиной в нескольких исследованиях.

Внесение удобрений может иметь важное значение. Когда азотные удобрения вносились в концентрированной полосе, выбросы N2O были на 45% больше, чем при разбрасывании по поверхности почвы и заделывании. Точно так же потери от денитрификации азота, внесенного в результате фертигации, были меньше, чем для эквивалентных внесений азота разбросным севом. Размещение азотных удобрений на глубине не менее 2 дюймов под поверхностью почвы также поможет снизить выбросы N2O.

🔶Покровные культуры и остатки. Влияние озимых покровных культур на денитрификацию неоднозначно. Они могут увеличить выбросы N2O, особенно в сезон дождей. Покровные культуры добавляют значительное количество растворимого углерода и азота при их разложении, что приводит к временному всплеску денитрификации. В других случаях покровные культуры собирают (удаляют) нитраты из почвы, что приводит к меньшей денитрификации. Желательно убивать покровные культуры как можно ближе к времени посадки следующей культуры, чтобы свести к минимуму различные потери азота.

Скашивание и скармливание скоту покровных культур и пастбищ могут косвенно влиять на денитрификацию, быстро меняя потребность растений в азоте и возвращая органические вещества в почву, что приводит к увеличению выбросов N2O.

🔶Норма внесения удобрений. Основная стратегия борьбы с денитрификацией заключается в поддерживании минимальной концентрации нитратов, необходимой для питания растений. Выбросы закиси азота обычно невелики, если достигается высокая эффективность использования азота, поэтому всегда следует избегать переизбытка удобрений или навоза. Методы управления питательными веществами, которые оптимизируют поглощение азота сельскохозяйственными культурами, также минимизируют потери N2O и выщелачивание (вымывание) нитратов. Концепция «выбросов N2O в масштабе урожайности» направлена на получение максимально возможной отдачи от урожая при одновременной минимизации нежелательных выбросов.

Другие источники закиси азота❗

Денитрификация обычно является наиболее важным источником N2O из почв, однако существуют и другие пути образования N2O. В процессе нитрификации небольшая группа почвенных бактерий способна превращать нитрит в N2O (так называемая денитрификация нитрификатора). В некоторых почвах их вклад в общие выбросы N2O может быть значительным.

Выводы💬

Многие взаимодействующие факторы, включая удобрения, воду и управление почвой, определяют денитрификацию сельскохозяйственных почв. Два фактора, которыми легче всего управлять, - это внесение азотного удобрения и полив. В общем, практика, увеличивающая присутствие избыточного количества нитратов, приведет к увеличению потерь при денитрификации, особенно в теплой и влажной среде. Использование подходящего источника, нормы, сроков и места внесения азотных удобрений снизит выбросы N2O. Улучшенные методы орошения, которые оптимизируют влажность почвы, помогают свести к минимуму денитрификацию. Эффективное использование растением внесенного азота и воды снизит нежелательные потери N2O.