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

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

來源：Nature Communications, Volume 10, Article number: 3944, 2019

《自然通訊》，第10卷，文章編號3944，2019年

 

摘要

摘要指出，土壤中的微觀尺度相互作用可能導致高度局部化的條件，從而不成比例地影響氮轉(zhuǎn)化過程。研究通過機制模型模擬了土壤表面和生物結(jié)皮干燥過程中耦合的生物和非生物過程，表明局部微生物活動與薄水膜內(nèi)的pH變化共同增強了土壤干燥過程中亞硝酸（HONO）和氨（NH3）的排放，遠高于基于平均水分條件和整體土壤pH的預測值。模型預測與干燥生物結(jié)皮的反應性氮氣體通量測量案例一致，顯示土壤和生物結(jié)皮干燥速率影響HONO和NH3排放動態(tài)，且大氣NH3水平對反應性氮氣體損失有強烈影響。實驗室測量證實了微觀pH局部化的發(fā)生，強調(diào)了微環(huán)境在陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學通量中的關(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程在干燥土壤中的相互作用機制，以及局部pH變化對氣體排放的觸發(fā)作用。重點在于驗證微觀尺度過程對氮氣體排放的增強效應，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)合機制模型和實驗室實驗。首先，開發(fā)了一個機制模型（沙漠生物結(jié)皮模型，DBM），模擬干燥過程中水膜厚度分布、微生物活動、pH變化和氣體排放的耦合過程。模型考慮了水含量、matric potential、氣體擴散、酸堿平衡和微生物功能群（如硝化菌）。其次，進行實驗室實驗，使用平面光極（PreSens）和微電極（Unisense）測量干燥過程中 sterilised quartz sand 的pH空間分布和動態(tài)變化，以驗證模型預測。實驗包括控制干燥速率、大氣CO2和NH3水平，并監(jiān)測水含量和pH變化。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

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

 

2. 物理化學過程的時間尺度數(shù)據(jù)：模型分析干燥過程中氣體交換、擴散和反應的時間尺度（Fig. 2c）。研究意義在于揭示水膜變薄時擴散成為限制因素，導致化學物質(zhì)局部積累和pH異質(zhì)性，解釋排放動態(tài)。

3. 平均土壤pH與微觀水膜pH數(shù)據(jù)：模型預測局部pH分布，顯示干燥過程中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測量無法捕捉微觀變化，局部pH偏差是氣體排放的關(guān)鍵驅(qū)動因素。

 

4. 空間分辨pH測量數(shù)據(jù)：實驗室使用平面光極和Unisense微電極測量 sterilised quartz sand 在干燥過程中的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證模型預測，證實干燥過程中pH局部化的發(fā)生，支持微觀過程主導氣體排放的假設。

 

 

5. HONO和NH3排放預測數(shù)據(jù)：模型模擬干燥生物結(jié)皮的排放動態(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)境條件對排放的影響，為減排策略提供理論依據(jù)。

 

 

 

6. 微生物活動和化學物質(zhì)數(shù)據(jù)：模型預測硝化菌活動、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程通過NO3積累驅(qū)動局部酸化，從而促進HONO排放。

 

結(jié)論

研究得出結(jié)論，土壤干燥過程中的微觀pH局部化是觸發(fā)HONO和NH3排放的關(guān)鍵機制。水膜變薄和擴散限制導致化學物質(zhì)局部積累，引起pH異質(zhì)性，從而增強氣體排放。這種機制普遍適用于各種土壤，由硝化菌活動和蒸發(fā)強迫共同驅(qū)動。干燥速率和大氣NH3水平顯著影響排放動態(tài)，強調(diào)水分動態(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程。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極（PH-200C微電極）測量pH變化，提供了高分辨率、實時的根-土界面化學梯度數(shù)據(jù)。研究意義在于能夠直接捕捉干燥過程中微環(huán)境的動態(tài)變化，例如局部pH的降低和空間異質(zhì)性（Fig. 3b, d）。這種測量增強了數(shù)據(jù)的可靠性，證實了模型預測的局部酸化現(xiàn)象，為理解微觀過程如何影響氣體排放提供了關(guān)鍵實驗證據(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)，支持了擴散限制和局部積累的機制，從而深化了對HONO和NH3排放途徑的認識。