Occurrence and 15N-quantification of simultaneous nitrification and denitrification in N-fertilised soils incubated under oxygen-limiting conditions

Abstract

Nitrification and denitrification are known to co-occur in soils, but the effect of fertilisation history on N2O fluxes and the relative source partitioning of the N2O has not been thoroughly investigated. In this study, we therefore combined a high-tech 15N stable isotope tracing technique with quantitative PCR (qPCR) to explore the relative contributions of nitrification and denitrification to N2O production by a sandy-loam Eutric Cambisol soil treated repeatedly with ammonium sulfate [(NH4)2SO4] or potassium nitrate (KNO3) for 3 years prior. Both soils (historically (NH4)2SO4 and historically KNO3 treated) were amended separately with (15NH4)2SO4 and K15NO3 and incubated at 80% water filled pore space for 30 days. Soil N2O emissions, NH4+ and NO3− concentrations and their corresponding 15N-enrichments were determined. The effect of N addition on N transformation rates was also calculated. The total abundance of nitrifiers was estimated by qPCR of the amoA gene from bacteria and archaea, and that of denitrifiers by using the nirK, nirS, norB and nosZI genes as molecular targets. In the historically (NH4)2SO4-treated soil, 49.0–58.0% of the N2O emitted originated from nitrification and 42.0–51.0% from denitrification during incubation. The production of N2O was accompanied by a decrease in soil NH4+ concentrations and a parallel increase in the concentration of soil NO3−. In addition, the abundance of the bacterial and archaeal amoA gene increased during the incubation. Conversely, in the soil historically treated with KNO3, the 15N isotopic analyses showed that denitrification contributed 84.0–99.0% of the total N2O produced. Decreases in soil NO3− concentrations paralleled the increase in 15N enrichment of N2O and the abundance of the nirK, nirS, norB and nosZI genes. The results also showed that values of 15N2 enrichment were significantly higher in the KNO3-treated soil, which is in line with the higher abundance of the nosZI gene. Calculation of the N transformation rates indicated that autotrophic nitrification and denitrification were responsible for N2O production in the historically (NH4)2SO4-treated soil and that denitrification was the most important N2O source in the soil treated with KNO3. We conclude that N-fertilisation history, and not simply soil oxygen availability, affect the relative contributions of nitrification and denitrification to soil N2O emissions. Indeed, here we have shown that nitrification can be an important N2O source process even in soils maintained at high moisture contents.

La nitrificación y la desnitrificación son procesos que coexisten en los suelos, pero el efecto del historial de fertilización sobre los flujos de N₂O y la partición relativa de sus fuentes no ha sido investigado en profundidad. En este estudio, combinamos una técnica avanzada de rastreo con isótopos estables de ¹⁵N con PCR cuantitativa (qPCR) para explorar las contribuciones relativas de la nitrificación y la desnitrificación a la producción de N₂O en un suelo franco-arenoso Eutric Cambisol, tratado repetidamente con sulfato de amonio [(NH₄)₂SO₄] o nitrato de potasio (KNO₃) durante los tres años previos. Ambos suelos (históricamente tratados con (NH₄)₂SO₄ y KNO₃) fueron enmendados por separado con (¹⁵NH₄)₂SO₄ y K¹⁵NO₃, e incubados al 80% de espacio poroso ocupado por agua durante 30 días. Se determinaron las emisiones de N₂O del suelo, las concentraciones de NH₄⁺ y NO₃⁻, y sus respectivos enriquecimientos en ¹⁵N. Además, se calculó el efecto de la adición de N sobre las tasas de transformación del nitrógeno. La abundancia total de nitrificantes se estimó mediante qPCR del gen amoA de bacterias y arqueas, mientras que la de los desnitrificantes se evaluó mediante los genes nirK, nirS, norB y nosZI como objetivos moleculares. En el suelo históricamente tratado con (NH₄)₂SO₄, entre el 49.0% y el 58.0% del N₂O emitido tuvo su origen en la nitrificación, mientras que entre el 42.0% y el 51.0% se generó por desnitrificación durante la incubación. La producción de N₂O estuvo acompañada por una disminución en las concentraciones de NH₄⁺ en el suelo y un aumento paralelo en la concentración de NO₃⁻. Además, se observó un incremento en la abundancia del gen amoA bacteriano y arqueano a lo largo de la incubación. Por el contrario, en el suelo históricamente tratado con KNO₃, los análisis isotópicos de ¹⁵N mostraron que la desnitrificación contribuyó entre el 84.0% y el 99.0% del total de N₂O producido. Las disminuciones en las concentraciones de NO₃⁻ en el suelo se correlacionaron con el incremento en el enriquecimiento en ¹⁵N del N₂O y con un aumento en la abundancia de los genes nirK, nirS, norB y nosZI. Los resultados también indicaron que los valores de enriquecimiento en ¹⁵N₂ fueron significativamente más altos en el suelo tratado con KNO₃, lo que concuerda con la mayor abundancia del gen nosZI. El cálculo de las tasas de transformación del nitrógeno indicó que la nitrificación autótrofa y la desnitrificación fueron responsables de la producción de N₂O en el suelo tratado históricamente con (NH₄)₂SO₄, mientras que la desnitrificación fue la fuente principal de N₂O en el suelo tratado con KNO₃. Concluimos que el historial de fertilización nitrogenada, y no simplemente la disponibilidad de oxígeno en el suelo, influye en las contribuciones relativas de la nitrificación y la desnitrificación a las emisiones de N₂O del suelo. De hecho, aquí demostramos que la nitrificación puede ser un proceso clave en la producción de N₂O incluso en suelos mantenidos con altos contenidos de humedad.