應(yīng)用案例

Picarro G2201-i（模擬牛尿添加實驗對土壤反硝化過程的影響和對N?O排放因子的抑制）

發(fā)表時間：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通過增加有效氮濃度和改變土壤物理和化學條件，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增加氮循環(huán)微生物的活性，進而通過硝化和反硝化過程影響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菌，延遲了N₂O的產(chǎn)生。隨著微生物活性和凈生長增加，尿液沉積的最初抑制作用也會隨著減弱。因此，尿液沉積可以通過抑制微生物群落活動來改變N₂O的生成速率。

研究結(jié)果表明，反芻動物尿液中反硝化細菌種群大小的變化可能會長期影響氮動態(tài)。

研究目的

本研究的目的是確定畜尿是影響土壤中N₂O的短期微生物來源，量化尿液中尿素含量增加對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。為了實現(xiàn)研究目標，用尿液處理牧場土壤，尿液中加入¹⁵N¹³C雙同位素標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，并在實驗室測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尿素標記尿液或H₂O（對照）進行培養(yǎng)，并做了平行對照組進行了培養(yǎng)實驗。通過向尿液中添加¹⁵N¹³C尿素，制備雙同位素標記尿液，使尿液中的尿素-C和尿素-N達到四倍的自然豐度水平。將等量的未標記尿素添加到自然豐度尿液中。通過240小時的溫室氣體（GHG）采樣和破壞性土壤采樣。實驗使用¹⁵N¹³C尿素、天然豐度尿素尿或等量蒸餾水作為對照。將準備樣品密封在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。

上圖：用同位素標記的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）。

實驗中同位素檢測，使用Picarro CRDS分析儀進行分析：δ¹³CO₂使用Picarro G2201-i 測定，δ¹⁵N₂O使用了Picarro G5131-i進行測定。

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，不會導(dǎo)致初始N₂O排放量增加。

本文儀器簡介

實驗使用PicarroCRDS分析儀測量了同位素標記的尿素源， Picarro G2201-i測定δ¹³CO₂， Picarro G5131-i測定δ¹⁵N₂O。同位素標記樣品中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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