應(yīng)用案例

Picarro G2201-i（模擬牛尿添加實(shí)驗(yàn)對(duì)土壤反硝化過(guò)程的影響和對(duì)N?O排放因子的抑制）

發(fā)表時(shí)間：2024-04-17

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Helgason B, Reimer J C, Arcand M M. Soil denitrification response to increased urea concentration constrains nitrous oxide emission factor in a simulated cattle urine patch[J]. 2022.

https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1894776/v1

研究背景

牛尿沉積到土壤上會(huì)通過(guò)增加有效氮濃度和改變土壤物理和化學(xué)條件，從而影響土壤中的微生物群落，并最終影響N₂O排放。尿液沉積對(duì)N₂O排放的影響程度不僅取決于環(huán)境條件，還取決于尿液氮濃度。牛在膳食中增加氮的攝入量，可以更快地增加尿氮含量，在某些情況下還呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。雖然牛尿主要的氮形態(tài)仍是尿素，占尿液總氮的52-94%。因此，牛尿氮的變化主要以尿素形式排泄到土壤中。增加土壤中的尿素氮輸入可能會(huì)增加氮循環(huán)微生物的活性，進(jìn)而通過(guò)硝化和反硝化過(guò)程影響N₂O的土壤通量。

尿液沉積以多種方式影響土壤微生物群落，包括改變pH值和增加滲透壓力。尿液沉積后，尿素水解可導(dǎo)致土壤pH值短期升高，增加液體NH₃的形成。在高濃度下，會(huì)抑制微生物活性。高尿素氮濃度的滲透脅迫可以抑制硝化活性，特別是在干燥土壤中。高尿素氮的濃度最初抑制了反硝化和硝化細(xì)菌，延遲了N₂O的產(chǎn)生。隨著微生物活性和凈生長(zhǎng)增加，尿液沉積的最初抑制作用也會(huì)隨著減弱。因此，尿液沉積可以通過(guò)抑制微生物群落活動(dòng)來(lái)改變N₂O的生成速率。

研究結(jié)果表明，反芻動(dòng)物尿液中反硝化細(xì)菌種群大小的變化可能會(huì)長(zhǎng)期影響氮?jiǎng)討B(tài)。

研究目的

本研究的目的是確定畜尿是影響土壤中N₂O的短期微生物來(lái)源，量化尿液中尿素含量增加對(duì)N₂O排放的影響，并確定尿液沉積如何影響產(chǎn)生N₂O的微生物群落的豐度和活性。為了實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)，用尿液處理牧場(chǎng)土壤，尿液中加入¹⁵N¹³C雙同位素標(biāo)記的低濃度和高濃度尿素，定量分析了氣體樣品中的N₂O、CO₂和同位素豐度，并在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤中的硝化和反硝化基因和轉(zhuǎn)錄豐度。

研究方法

將預(yù)處理后的自然豐度尿液、¹⁵N¹³C尿素標(biāo)記尿液或H₂O（對(duì)照）進(jìn)行培養(yǎng)，并做了平行對(duì)照組進(jìn)行了培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)向尿液中添加¹⁵N¹³C尿素，制備雙同位素標(biāo)記尿液，使尿液中的尿素-C和尿素-N達(dá)到四倍的自然豐度水平。將等量的未標(biāo)記尿素添加到自然豐度尿液中。通過(guò)240小時(shí)的溫室氣體（GHG）采樣和破壞性土壤采樣。實(shí)驗(yàn)使用¹⁵N¹³C尿素、天然豐度尿素尿或等量蒸餾水作為對(duì)照。將準(zhǔn)備樣品密封在1L罐中，并以1L / min的速率用零空氣沖洗7分鐘。所有樣品在24°C的暗室中培養(yǎng)240小時(shí)。

上圖：用同位素標(biāo)記的¹³C ¹⁵N不同濃度尿素處理的培養(yǎng)樣品的累積通量¹³CO₂（A）和¹⁵N₂O（B）。

實(shí)驗(yàn)中同位素檢測(cè)，使用Picarro CRDS分析儀進(jìn)行分析：δ¹³CO₂使用Picarro G2201-i 測(cè)定，δ¹⁵N₂O使用了Picarro G5131-i進(jìn)行測(cè)定。

研究結(jié)論

牛尿的沉積刺激了土壤中N₂O的排放，主要是通過(guò)反硝化作用。高尿素土壤排放更多的¹⁵N₂O，但尿素氮排放因子和總N₂O排放量在不同濃度尿素處理之間沒(méi)有差異。盡管最初AOB豐度有所下降，但尿液應(yīng)用最終增加了AOB的豐度和活性。本研究表明，尿液氮含量的增加，包括非膨大豆類的潛在增加，不會(huì)導(dǎo)致初始N₂O排放量增加。

本文儀器簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)使用PicarroCRDS分析儀測(cè)量了同位素標(biāo)記的尿素源， Picarro G2201-i測(cè)定δ¹³CO₂， Picarro G5131-i測(cè)定δ¹⁵N₂O。同位素標(biāo)記樣品中¹⁵N和¹³C的豐度使用通用同位素混合方程確定尿素產(chǎn)生的總N₂O和CO₂通量。

本文編輯：吳闖

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