Controls and Adaptive Management of Nitrification in Agricultural Soils

Resumo

A agricultura é responsável por mais da metade da entrada de nitrogênio (N) reativo nos sistemas terrestres; no entanto, melhorar a disponibilidade de N permanece a principal técnica de manejo para aumentar o rendimento das culturas na maioria das regiões. Na maioria dos solos agrícolas, o amônio é rapidamente convertido em nitrato pela nitrificação, o que aumenta a mobilidade do N através da matriz do solo, influenciando fortemente a retenção de N no sistema. Diminuir a nitrificação por meio do manejo é desejável para diminuir as perdas de N e aumentar a eficiência do uso de fertilizantes nitrogenados. Revisamos os fatores controladores da taxa e extensão da nitrificação em solos agrícolas de regiões temperadas, incluindo o fornecimento de substrato, condições ambientais, abundância e diversidade de nitrificadores e interações de plantas e microrganismos com nitrificadores. As abordagens para o manejo da nitrificação incluem aquelas que controlam a disponibilidade do substrato amoniacal e aquelas que inibem os nitrificadores diretamente. Estratégias para controlar a disponibilidade do substrato de amônio incluem o momento da fertilização para coincidir com a rápida absorção pela planta, a formulação de fertilizantes para liberação lenta ou com inibidores, manter a planta crescendo continuamente para assimilar o N e intensificar o ciclo interno do N (imobilização). Outra estratégia eficaz é inibir os nitrificadores diretamente com inibidores de nitrificação sintéticos ou biológicos. Os inibidores de nitrificação comerciais são eficazes, mas seu uso é complicado por um clima em mudança e por requisitos de manejo orgânico. As interações dos organismos nitrificantes com plantas ou micróbios que produzem inibidores biológicos de nitrificação é uma abordagem promissora, mas que está apenas começando a ser examinada criticamente. A agricultura resiliente ao clima precisará considerar cuidadosamente o momento sazonal otimizado para que essas estratégias permaneçam ferramentas de manejo eficazes.

Abstract

Agriculture is responsible for over half of the input of reactive nitrogen (N) to terrestrial systems; however improving N availability remains the primary management technique to increase crop yields in most regions. In the majority of agricultural soils, ammonium is rapidly converted to nitrate by nitrification, which increases the mobility of N through the soil matrix, strongly influencing N retention in the system. Decreasing nitrification through management is desirable to decrease N losses and increase N fertilizer use efficiency. We review the controlling factors on the rate and extent of nitrification in agricultural soils from temperate regions including substrate supply, environmental conditions, abundance and diversity of nitrifiers and plant and microbial interactions with nitrifiers. Approaches to the management of nitrification include those that control ammonium substrate availability and those that inhibit nitrifiers directly. Strategies for controlling ammonium substrate availability include timing of fertilization to coincide with rapid plant update, formulation of fertilizers for slow release or with inhibitors, keeping plant growing continuously to assimilate N, and intensify internal N cycling (immobilization). Another effective strategy is to inhibit nitrifiers directly with either synthetic or biological nitrification inhibitors. Commercial nitrification inhibitors are effective but their use is complicated by a changing climate and by organic management requirements. The interactions of the nitrifying organisms with plants or microbes producing biological nitrification inhibitors is a promising approach but just beginning to be critically examined. Climate smart agriculture will need to carefully consider optimized seasonal timing for these strategies to remain effective management tools.