Microscale pH variations during drying of soils and desert biocrusts affect HONO and NH3 emissions

土壤和沙漠生物結(jié)皮干燥過(guò)程中的微觀pH變化影響HONO和NH3排放

來(lái)源：Nature Communications, Volume 10, Article number: 3944, 2019

《自然通訊》，第10卷，文章編號(hào)3944，2019年

 

摘要

摘要指出，土壤中的微觀尺度相互作用可能導(dǎo)致高度局部化的條件，從而不成比例地影響氮轉(zhuǎn)化過(guò)程。研究通過(guò)機(jī)制模型模擬了土壤表面和生物結(jié)皮干燥過(guò)程中耦合的生物和非生物過(guò)程，表明局部微生物活動(dòng)與薄水膜內(nèi)的pH變化共同增強(qiáng)了土壤干燥過(guò)程中亞硝酸（HONO）和氨（NH3）的排放，遠(yuǎn)高于基于平均水分條件和整體土壤pH的預(yù)測(cè)值。模型預(yù)測(cè)與干燥生物結(jié)皮的反應(yīng)性氮?dú)怏w通量測(cè)量案例一致，顯示土壤和生物結(jié)皮干燥速率影響HONO和NH3排放動(dòng)態(tài)，且大氣NH3水平對(duì)反應(yīng)性氮?dú)怏w損失有強(qiáng)烈影響。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量證實(shí)了微觀pH局部化的發(fā)生，強(qiáng)調(diào)了微環(huán)境在陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)通量中的關(guān)鍵作用。

 

研究目的

研究目的是探究土壤干燥過(guò)程中微觀pH變化如何影響HONO和NH3排放，特別是揭示生物和非生物過(guò)程在干燥土壤中的相互作用機(jī)制，以及局部pH變化對(duì)氣體排放的觸發(fā)作用。重點(diǎn)在于驗(yàn)證微觀尺度過(guò)程對(duì)氮?dú)怏w排放的增強(qiáng)效應(yīng)，并量化干燥速率和大氣NH3水平的影響。

 

研究思路

研究思路結(jié)合機(jī)制模型和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。首先，開(kāi)發(fā)了一個(gè)機(jī)制模型（沙漠生物結(jié)皮模型，DBM），模擬干燥過(guò)程中水膜厚度分布、微生物活動(dòng)、pH變化和氣體排放的耦合過(guò)程。模型考慮了水含量、matric potential、氣體擴(kuò)散、酸堿平衡和微生物功能群（如硝化菌）。其次，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，使用平面光極（PreSens）和微電極（Unisense）測(cè)量干燥過(guò)程中 sterilised quartz sand 的pH空間分布和動(dòng)態(tài)變化，以驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)包括控制干燥速率、大氣CO2和NH3水平，并監(jiān)測(cè)水含量和pH變化。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. 水含量和水膜厚度分布數(shù)據(jù)：模型預(yù)測(cè)顯示，干燥過(guò)程中水膜厚度從飽和時(shí)的約10^-5 m降至殘余水含量時(shí)的約10^-8 m（Fig. 2b）。研究意義在于量化微觀水膜變化如何影響擴(kuò)散和反應(yīng)速率，為理解干燥過(guò)程中局部化學(xué)條件提供基礎(chǔ)。

 

2. 物理化學(xué)過(guò)程的時(shí)間尺度數(shù)據(jù)：模型分析干燥過(guò)程中氣體交換、擴(kuò)散和反應(yīng)的時(shí)間尺度（Fig. 2c）。研究意義在于揭示水膜變薄時(shí)擴(kuò)散成為限制因素，導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)局部積累和pH異質(zhì)性，解釋排放動(dòng)態(tài)。

3. 平均土壤pH與微觀水膜pH數(shù)據(jù)：模型預(yù)測(cè)局部pH分布，顯示干燥過(guò)程中pH空間異質(zhì)性增大（Supplementary Figs. 1 and 2）。研究意義在于表明整體pH測(cè)量無(wú)法捕捉微觀變化，局部pH偏差是氣體排放的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

 

4. 空間分辨pH測(cè)量數(shù)據(jù)：實(shí)驗(yàn)室使用平面光極和Unisense微電極測(cè)量 sterilised quartz sand 在干燥過(guò)程中的pH變化，顯示pH降低和空間異質(zhì)性（Fig. 3, Fig. 4）。研究意義在于直接驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)，證實(shí)干燥過(guò)程中pH局部化的發(fā)生，支持微觀過(guò)程主導(dǎo)氣體排放的假設(shè)。

 

 

5. HONO和NH3排放預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)：模型模擬干燥生物結(jié)皮的排放動(dòng)態(tài)，顯示HONO和NH3排放峰值在特定水含量處出現(xiàn)，并受干燥速率和大氣NH3水平影響（Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7）。研究意義在于量化環(huán)境條件對(duì)排放的影響，為減排策略提供理論依據(jù)。

 

 

 

6. 微生物活動(dòng)和化學(xué)物質(zhì)數(shù)據(jù)：模型預(yù)測(cè)硝化菌活動(dòng)、NO3積累和局部pH變化（Fig. 5e, f, g）。研究意義在于闡明微生物過(guò)程通過(guò)NO3積累驅(qū)動(dòng)局部酸化，從而促進(jìn)HONO排放。

 

結(jié)論

研究得出結(jié)論，土壤干燥過(guò)程中的微觀pH局部化是觸發(fā)HONO和NH3排放的關(guān)鍵機(jī)制。水膜變薄和擴(kuò)散限制導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)局部積累，引起pH異質(zhì)性，從而增強(qiáng)氣體排放。這種機(jī)制普遍適用于各種土壤，由硝化菌活動(dòng)和蒸發(fā)強(qiáng)迫共同驅(qū)動(dòng)。干燥速率和大氣NH3水平顯著影響排放動(dòng)態(tài)，強(qiáng)調(diào)水分動(dòng)態(tài)在氮循環(huán)中的重要性。研究建議在全球氮循環(huán)模型中考慮微觀尺度過(guò)程。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極（PH-200C微電極）測(cè)量pH變化，提供了高分辨率、實(shí)時(shí)的根-土界面化學(xué)梯度數(shù)據(jù)。研究意義在于能夠直接捕捉干燥過(guò)程中微環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，例如局部pH的降低和空間異質(zhì)性（Fig. 3b, d）。這種測(cè)量增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的可靠性，證實(shí)了模型預(yù)測(cè)的局部酸化現(xiàn)象，為理解微觀過(guò)程如何影響氣體排放提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。Unisense電極的高精度和空間分辨能力允許量化pH變化與水分狀態(tài)的關(guān)聯(lián)，支持了擴(kuò)散限制和局部積累的機(jī)制，從而深化了對(duì)HONO和NH3排放途徑的認(rèn)識(shí)。