Nitrogen cycling in a flooded-soil ecosystem planted to rice (Oryza sativa L.)

Abstract

¹⁵N studies of various aspects of the nitrogen cycle in a flooded rice ecosystem on Crowley silt loam soil in Louisiana were reviewed to construct a mass balance model of the nitrogen cycle for this system. Nitrogen transformations modeled included 1) net ammonification (0.22 mg NH₄ ⁺−N kg dry soil⁻¹ day⁻¹), 2) net nitrification (2.07 mg NO₃ ⁻−N kg⁻¹ dry soil⁻¹ day⁻¹), 3) denitrification (0.37 mg N kg dry soil⁻¹ day⁻¹), and 4) biological N₂ fixation (0.16 mg N kg dry soil⁻¹ day⁻¹). Nitrogen inputs included 1) application of fertilizers, 2) incorporation of crop residues, 3) biological N₂ fixation, and 4) deposition. Nitrogen outputs included 1) crop removal, 2) gaseous losses from NH₃ volatilization and simultaneous occurrence of nitrification-denitrification, and 3) leaching and runoff. Mass balance calculations indicated that 33% of the available inorganic nitrogen was recovered by rice, and the remaining nitrogen was lost from the system. Losses of N due to ammonia volatilization were minimal because fertilizer-N was incorporated into the soil. A significant portion of inorganic-N was lost by ammonium diffusion from the anaerobic layer to the aerobic layer in response to a concentration gradient and subsequent nitrification in the aerobic layer followed by nitrate diffusion into the anaerobic layer and denitrification into gaseous end products. Leaching and surface runoff losses were minimal.

Resumen

Se revisaron varios aspectos del ciclo de nitrógeno estudiados con¹⁵N en un ecosistema de arroz de innundación en suelos franco limosos Crowley en Louisiana, USA, conel fin de construir un balance de masas para el nitrógeno.

Las tranformaciones que se incluyeron en el modelo fueron: 1) amonificación neta (0,22 mg NH₄−N kg⁻¹ suelo seco dia⁻¹), 2) nitrificación neta (2,07 mg NO₃−N kg⁻¹ suelo seco dia⁻¹), 3) desnitrificación (0,37 mg N kg⁻¹ suelo seco dia⁻¹) y 4) fijación biológica de nitrógeno (0,16 mg N kg⁻¹ suelo seco dia⁻¹). Las entradas de nitrógeno al sistema serían aquellas por aplicación de fertilizantes, incorporación de residuos de cosecha, fijación biológica de nitrógeno, deposición. Las salidas serían por cosecha, perdidas gaseosas por volatilización de NH₃ y la ocurrencia simultanea de nitrificación y desnitrificación, lixiviación y escorrentía. El balance de masas indicó que el 33% del nitrógeno inorgánico disponible fué recuperado por el arroz y el resto se perdió del sistema. Las pérdidas por volatilización de NH₃ fueron minimas porque el fertilizante fué incorporado al suelo. Una proporción significativa del nitrógeno inorgánico se perdió por difusión de NH₄ de la capa anaeróbica a la aeróbica en respuesta al gradiente de concentraciones; luego ocurre nitrificación en la capa aeróbica, difusión y finalmente desnitrificación y pérdida en forma gaseosa. Las perdidas por lixiviación y escorrentía fueron minimas.