Picarro氮同位素监测—鉴定土壤中氧化亚氮的来源

江苏海兰达尔环境科技有限公司

2024/05/30 15:36

Picarro氮同位素监测—鉴定土壤中氧化亚氮的来源

江苏海兰达尔 2024-05-30 15:17 江苏

原文链接：LBTU_LatviaResRuralDev_29th_2023-242-248.pdf

应用背景

随着全球农业实践的不断演变，减少耕作和免耕系统在北美和南美的农业区域变得越来越普遍，几乎完全取代了传统的耕作系统。这种转变带来了许多益处，包括降低柴油和能源消耗，提高生产力，改善水分渗透，并减少土壤侵蚀。在适当的条件下，减少耕作不仅能显著改善土壤健康，还能提高作物产量。然而，这些新的耕作方式对温室气体（GHG）的排放，特别是氧化亚氮（N₂O）的排放产生了重要影响。

N₂O是一种重要的温室气体，其全球变暖潜力（GWP）是二氧化碳的298倍，对气候变化具有显著的影响。N₂O的排放主要来源于农业活动中的土壤微生物过程，如硝化和反硝化作用。硝化作用是氨转化为硝酸盐的过程，而反硝化作用则是硝酸盐转化为氮气的过程，N₂O是这两个过程中的副产品。识别和量化这些过程对于理解N₂O的排放机制及其对气候变化的影响至关重要。

传统的耕作方法包括深耕和翻土，虽然可以有效控制杂草和促进土壤通气，但也可能增加N₂O的排放。相反，减少耕作和免耕系统通过保留土壤表层的植物残体，减少土壤扰动，从而潜在地降低N₂O的排放。然而，不同的耕作方式如何具体影响N₂O的排放，以及这些排放的来源（硝化和反硝化的相对贡献）如何变化，仍然是一个需要深入研究的问题。

为了解决这一问题，该研究利用同位素技术来识别和量化土壤中N₂O的来源。具体来说，通过测量N₂O的同位素组成（包括δ¹⁵N和δ¹⁸O），可以推断出N₂O的生产机制。使用同位素技术的一个关键优势在于，它能够区分不同微生物过程的贡献，从而提供更详细的N₂O排放来源信息。

实验方法

样本采集

该研究从28个实验田地中采集了土壤样本。这些实验田地包括12个有机管理田地和16个常规管理田地。每个实验田地使用了两种耕作方式：减少耕作和常规耕作。实验田地位于拉脱维亚农业大学的Talsi镇附近的Stende育种研究中心和Jelgava市附近的Pēterlauki育种研究农场。

样本处理

为了确保土壤样本的代表性，研究人员在每个田地的五个位置采集土壤样本，这些位置包括田地的四个角和中心位置。通过在这些位置采集样本并将其混合，研究人员获得了一个具有代表性的土壤样本。这种采样方法考虑到了田地内土壤组成的潜在变化，从而提高了样本的代表性和研究结果的可靠性。

采集的土壤样本被称重并放入到3升的桶中，每个桶中装有1.5千克土壤。为了研究不同湿度条件下的N₂O排放，每个实验田地的土壤样本被分为两组，分别设置为湿润的有氧条件和湿润的厌氧条件。湿润过程使用雨水进行，每三天湿润一次，其中一个样本使用150毫升水，另一个样本使用300毫升水。湿润量根据湿润前后的土壤重量和蒸发量进行计算，确保样本在实验过程中的湿度条件得到精确控制。

采集样本土壤与CRDS系统

同位素测量

本研究使用Picarro G5131-i设备进行同位素测量。该设备光腔衰荡光谱（CRDS）技术，能够同时进行N₂O同位素（δ¹⁵N、δ¹⁵N^α、δ¹⁵N^β和δ¹⁸O）的测量。具体来说，Picarro G5131-i设备可以以0.7‰的精度测量δ¹⁵N和δ¹⁸O，并且N₂O浓度的测量精度达到<0.05 ppb。设备的高精度和多功能性使其成为研究N₂O来源和排放机制的理想工具。

在实验室条件下，土壤样本被连接到Picarro G5131-i设备。每个样本被赋予一个唯一的编码，例如B_BA_O_1和B_C_O_CT_1，其中B代表有机农业管理，C代表常规农业管理，O代表湿润的有氧条件，CT代表湿润的厌氧条件。样本通过设备进行测量，数据包括δ¹⁵N、δ¹⁵N^α、δ¹⁵N^β和δ¹⁸O值，这些数据用于识别和量化N₂O的生产机制。

结果与讨论

该研究通过分析不同耕作方式和湿润条件下土壤中N₂O的同位素组成，探讨了这些管理实践对温室气体排放的影响。在传统耕作田地中，δ¹⁵N^SP的最大值为18.58‰，最小值为-53.41‰；δ¹⁵N^bulk的最大值为16.28‰，最小值为-56.97‰。在减少耕作的田地中，δ¹⁵N^SP的最大值为14.34‰，最小值为-36.91‰；δ¹⁵N^bulk的最大值为26.76‰，最小值为-56.77‰。Kruskal-Wallis检验结果表明，δ¹⁵N^SP值在传统耕作和减少耕作之间的差异具有统计显著性（p值<0.0001），而δ¹⁵N^bulk值则无显著差异（p值0.885）。

两种耕作方式的N₂O中δ¹⁵N^SP和δ¹⁵N^bulk值

实验结果表明，不同耕作方式和湿润条件对土壤中N₂O的生成和排放有显著影响。这些结果有助于更好地理解农业管理实践对温室气体排放的潜在影响。传统耕作与减少耕作对土壤中N₂O的δ¹⁵N^SP值有显著影响。这表明减少耕作可能通过减少土壤扰动，降低N₂O排放。传统耕作通过深耕和翻土增加土壤通气，促进硝化作用，可能导致较高的N₂O排放。而减少耕作保留更多的土壤有机质，减少了硝化作用，从而降低了N₂O排放。湿润的有氧条件和厌氧条件对土壤N₂O的同位素组成也有影响。湿润的厌氧条件可能促进了反硝化作用，而有氧条件则更有利于硝化作用。这些结果表明，湿润条件在土壤N₂O生成过程中起着重要作用，影响了微生物活动和N₂O的生成路径。

总结

CRDS仪器Picarro G5131-i成功用于实验室条件下土壤中的N₂O同位素，为N₂O提供了深入的研究。未来的研究应继续探索不同农业管理实践对N₂O排放的影响，尤其是结合其他温室气体（如CO₂和CH₄）的排放情况，综合评估不同管理实践的环境影响。此外，进一步应用先进的同位素技术，将有助于更深入地理解土壤N₂O排放的复杂机制，促进可持续农业的发展和气候变化的缓解。

Picarro N₂O浓度和同位素分析仪

Picarro N₂O测量仪器在本研究中的表现凸显了其在同位素测量中的多项优势。

高精度测量：Picarro G5131-i设备能够以0.7‰的精度测量δ¹⁵N和δ¹⁸O，并且N₂O浓度的测量精度达到<0.05 ppb。这种高精度为识别N₂O来源提供了可靠的数据支持。

同时测量多种同位素：Picarro G5131-i能够同时进行δ¹⁵N、δ¹⁵N^α、δ¹⁵N^β和δ¹⁸O的测量，这对于全面了解N₂O的同位素组成至关重要。通过这些数据，可以更好地区分不同的微生物过程及其对N₂O排放的贡献。

快速且高效：设备能够在10分钟内完成测量，这大大提高了研究效率，适合进行大规模样本分析。在环境研究中，高效和快速的测量是非常关键的，因为它允许科学家在较短时间内获得大量数据，从而加快研究进展。

应用广泛：除了本研究中的土壤N₂O测量，Picarro G5131-i在其他环境和农业研究中也具有广泛的应用前景，如气候变化研究、土壤健康监测等。其高精度和多功能性使其成为环境科学研究中不可或缺的工具。

现Picarro已将G5131-i正式升级为PI5131-i，新型号将采用Linux系统，在保证原有仪器测量性能的基础上，系统更加稳定而安全。

编辑人：陆文涛

审核人：史恒霖

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