Picarro G2508—植物减少了北部大平原盐碱土壤的氧化亚氮排放

江苏海兰达尔环境科技有限公司

2024/06/14 14:13

Picarro G2508—植物减少了北部大平原盐碱土壤的氧化亚氮排放

江苏海兰达尔 2024-06-14 14:03 江苏

原文链接：https://doi.org/10.1002/agj2.21573

引言

土壤是生态系统中一个关键的组成部分，其健康状况直接影响到植物生长、农作物产量和生态系统的整体稳定性。然而，随着人类活动的增加和环境变化的加剧，许多地区的土壤健康状况正在恶化，特别是在生产性土壤和盐碱土壤中，这些问题尤为严重。为了有效地管理和修复这些土壤，理解其微生物群落结构及其响应机制是至关重要的。

生产性土壤通常具有高肥力和良好的物理化学性质，适合农作物生长，但长期农业活动可能导致土壤退化。盐碱土壤因其高盐分和高碱性，通常不适合大多数农作物生长，常见于干旱和半干旱地区。

这项研究的目的是探讨不同土壤类型对微生物群落结构和功能的影响，特别是生产性土壤和盐碱土壤。通过测量特定基因（如nir-K、nir-S和nos-Z）的拷贝数量，评估这些土壤中的微生物群落，以揭示土壤类型和修复条件对微生物群落的影响。这些基因与微生物的氮循环过程密切相关，能够揭示土壤微生物群落在不同环境条件下的变化。

实验设计

土壤采集和分析

2021年8月，研究人员从北美北部大平原（NGP）某地的生产性土壤和盐碱土壤无植物控制地块中采集了表层至15厘米深的土壤样本。土壤样本在采集后立即混合均匀，以保证样本的代表性，但未进行干燥或研磨处理。这样处理是为了保持土壤的原始状态，最大程度地反映其自然条件下的化学和生物学特性。

部分土壤样本被送至实验室进行全面的理化性质分析。测试项目包括电导率（EC_1:1）、土壤有机质（SOM）、pH值、硝态氮（NO₃-N）、总氮（Total N）、Olsen磷、硫酸盐（SO₄^2-）、钠（Na）、铵态氮（NH₄-N）和铵盐提取的碱性阳离子总量（阳离子交换量，CEC_a），以及钠含量百分比（%Na），其中钠含量百分比类似于钠吸附比（SAR）。

植物与温室环境的条件

在实验设计中，选择了四种多年生草本植物进行种植，以评估植物对土壤微生物群落的影响。这些植物在2017年被种植在温室中的花盆内，每个花盆中装有大约3200克的湿润土壤。植物的选择基于它们对土壤修复的潜在贡献和适应特定土壤条件的能力。

为了对比植物对土壤微生物群落的影响，实验还设置了不种植植物的对照组。这些对照组的花盆中同样装有相同量的湿润土壤，但未种植任何植物。这样可以确保所有处理组在相同的土壤初始条件下进行比较。

实验在温控温室中进行，以确保所有花盆在相同的环境条件下生长。温室条件包括温度、湿度和光照等关键因素，这些因素被严格控制以模拟自然生长环境，同时减少外界环境变化对实验结果的影响。

温室气体排放测量

温室气体CO₂-C和N₂O-N在种植后的第1-22天和第42-63进行了定量。在测量过程中，每个PVC土壤柱都覆盖一个长期不透明腔室，每天6次，间隔4小时，每次10分钟。在测量过程中，空气在室内混合，并通风以保持环境空气压力。使用Picarro G2508对提取的气体进行测量并计算通量。对于每种气体，每天每个土壤环能得到3600个测量值，以确定每日的CO₂-C和N₂O-N通量。在实验开始和结束时，使用N₂O和CO₂的标准气体来保证分析仪测量的准确性。

实验结果

温室气体排放的周期性变化在正午达到峰值，午夜时最低。从1至5天后的累积CO₂-C排放量来看，在无植物控制组中，肥沃土壤的排放量为4.2 g CO₂-C m⁻²，盐碱土壤的排放量为2.8 g CO₂-C m⁻²。从6至22天后的累积CO₂-C排放量来看，肥沃土壤中，大麦的排放量最大，为40.6 g m⁻²，无植物控制组的排放量为23.7 g m⁻²，盐碱土壤中累积的CO₂-C排放量低于肥沃土壤。

肥沃土壤中，裸土的N₂O-N排放为6.9 mg m⁻²，种植大麦后显著减少至2.06 mg m⁻²。盐碱土壤中的排放量为26.1 mg m⁻²，显著高于肥沃土壤的6.2 mg m⁻²。植物均减少了N₂O-N排放量，大麦在盐碱土壤中的效果最好，Kernza在肥沃土壤中的效果最佳。

土壤类型和大麦对种植后1-22天CO₂-C排放、N₂O-N排放和土壤含水量的影响

在温室气体排放研究中，结果表明，土壤肥沃度和盐碱度对温室气体排放有显著影响。植物能通过吸收无机氮和减少水填充孔隙空间来降低N₂O排放，但现有基于水填充孔隙空间和植物氮吸收的排放模型过于简单，无法解释复杂的氮转化过程和微生物网络对排放的影响，需要更复杂的模型来准确预测温室气体排放。

总结

在北美，NGP的盐碱土地面积正在增加，这些被盐碱渗透的土壤周围的地区种植了小麦、玉米和大豆，它们对于盐碱土壤的条件的耐受性是有限的。在北方相对较短的生长季里，很少有作物能够在盐碱土壤中生长，而且由于这些地区通常面积有限，并与生产区交织在一起，在这些地区保持单独的作物往往是难以管理的。然而，在盐碱地上保持植被是有必要的，因为它们具有非常高的侵蚀潜力和氧化亚氮排放量。这项温室研究表明，在受盐碱影响的土壤中种植植物可以有效减少氧化亚氮的排放。

编辑人：陆文涛

审核人：史恒霖

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