Picarro氮同位素監(jiān)測(cè)—鑒定土壤中氧化亞氮的來(lái)源
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應(yīng)用背景
隨著全球農(nóng)業(yè)實(shí)踐的不斷演變，減少耕作和免耕系統(tǒng)在北美和南美的農(nóng)業(yè)區(qū)域變得越來(lái)越普遍，幾乎完全取代了傳統(tǒng)的耕作系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)變帶來(lái)了許多益處，包括降低柴油和能源消耗，提高生產(chǎn)力，改善水分滲透，并減少土壤侵蝕。在適當(dāng)?shù)臈l件下，減少耕作不僅能顯著改善土壤健康，還能提高作物產(chǎn)量。然而，這些新的耕作方式對(duì)溫室氣體（GHG）的排放，特別是氧化亞氮（N2O）的排放產(chǎn)生了重要影響。
N2O是一種重要的溫室氣體，其全球變暖潛力（GWP）是二氧化碳的298倍，對(duì)氣候變化具有顯著的影響。N2O的排放主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)中的土壤微生物過(guò)程，如硝化和反硝化作用。硝化作用是氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過(guò)程，而反硝化作用則是硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程，N2O是這兩個(gè)過(guò)程中的副產(chǎn)品。識(shí)別和量化這些過(guò)程對(duì)于理解N2O的排放機(jī)制及其對(duì)氣候變化的影響至關(guān)重要。
傳統(tǒng)的耕作方法包括深耕和翻土，雖然可以有效控制雜草和促進(jìn)土壤通氣，但也可能增加N2O的排放。相反，減少耕作和免耕系統(tǒng)通過(guò)保留土壤表層的植物殘?bào)w，減少土壤擾動(dòng)，從而潛在地降低N2O的排放。然而，不同的耕作方式如何具體影響N2O的排放，以及這些排放的來(lái)源（硝化和反硝化的相對(duì)貢獻(xiàn)）如何變化，仍然是一個(gè)需要深入研究的問(wèn)題。
為了解決這一問(wèn)題，該研究利用同位素技術(shù)來(lái)識(shí)別和量化土壤中N2O的來(lái)源。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)測(cè)量N2O的同位素組成（包括δ15N和δ18O），可以推斷出N2O的生產(chǎn)機(jī)制。使用同位素技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，它能夠區(qū)分不同微生物過(guò)程的貢獻(xiàn)，從而提供更詳細(xì)的N2O排放來(lái)源信息。
實(shí)驗(yàn)方法
樣本采集
該研究從28個(gè)實(shí)驗(yàn)田地中采集了土壤樣本。這些實(shí)驗(yàn)田地包括12個(gè)有機(jī)管理田地和16個(gè)常規(guī)管理田地。每個(gè)實(shí)驗(yàn)田地使用了兩種耕作方式：減少耕作和常規(guī)耕作。實(shí)驗(yàn)田地位于拉脫維亞農(nóng)業(yè)大學(xué)的Talsi鎮(zhèn)附近的Stende育種研究中心和Jelgava市附近的Pēterlauki育種研究農(nóng)場(chǎng)。
樣本處理
為了確保土壤樣本的代表性，研究人員在每個(gè)田地的五個(gè)位置采集土壤樣本，這些位置包括田地的四個(gè)角和中心位置。通過(guò)在這些位置采集樣本并將其混合，研究人員獲得了一個(gè)具有代表性的土壤樣本。這種采樣方法考慮到了田地內(nèi)土壤組成的潛在變化，從而提高了樣本的代表性和研究結(jié)果的可靠性。
采集的土壤樣本被稱重并放入到3升的桶中，每個(gè)桶中裝有1.5千克土壤。為了研究不同濕度條件下的N2O排放，每個(gè)實(shí)驗(yàn)田地的土壤樣本被分為兩組，分別設(shè)置為濕潤(rùn)的有氧條件和濕潤(rùn)的厭氧條件。濕潤(rùn)過(guò)程使用雨水進(jìn)行，每三天濕潤(rùn)一次，其中一個(gè)樣本使用150毫升水，另一個(gè)樣本使用300毫升水。濕潤(rùn)量根據(jù)濕潤(rùn)前后的土壤重量和蒸發(fā)量進(jìn)行計(jì)算，確保樣本在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的濕度條件得到精確控制。
樣本處理
本研究使用Picarro G5131-i設(shè)備進(jìn)行同位素測(cè)量。該設(shè)備光腔衰蕩光譜（CRDS）技術(shù)，能夠同時(shí)進(jìn)行N2O同位素（δ15N、δ15Nα、δ15Nβ和δ18O）的測(cè)量。具體來(lái)說(shuō)，Picarro G5131-i設(shè)備可以以0.7‰的精度測(cè)量δ15N和δ18O，并且N2O濃度的測(cè)量精度達(dá)到<0.05 ppb。設(shè)備的高精度和多功能性使其成為研究N2O來(lái)源和排放機(jī)制的理想工具。
在實(shí)驗(yàn)室條件下，土壤樣本被連接到Picarro G5131-i設(shè)備。每個(gè)樣本被賦予一個(gè)唯一的編碼，例如B_BA_O_1和B_C_O_CT_1，其中B代表有機(jī)農(nóng)業(yè)管理，C代表常規(guī)農(nóng)業(yè)管理，O代表濕潤(rùn)的有氧條件，CT代表濕潤(rùn)的厭氧條件。樣本通過(guò)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)包括δ15N、δ15Nα、δ15Nβ和δ18O值，這些數(shù)據(jù)用于識(shí)別和量化N2O的生產(chǎn)機(jī)制。
結(jié)果與討論
該研究通過(guò)分析不同耕作方式和濕潤(rùn)條件下土壤中N2O的同位素組成，探討了這些管理實(shí)踐對(duì)溫室氣體排放的影響。在傳統(tǒng)耕作田地中，δ15NSP的最大值為18.58‰，最小值為-53.41‰；δ15Nbulk的最大值為16.28‰，最小值為-56.97‰。在減少耕作的田地中，δ15NSP的最大值為14.34‰，最小值為-36.91‰；δ15Nbulk的最大值為26.76‰，最小值為-56.77‰。Kruskal-Wallis檢驗(yàn)結(jié)果表明，δ15NSP值在傳統(tǒng)耕作和減少耕作之間的差異具有統(tǒng)計(jì)顯著性（p值<0.0001），而δ15Nbulk值則無(wú)顯著差異（p值0.885）。
兩種耕作方式的N2O中δ15NSP和δ15Nbulk值
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同耕作方式和濕潤(rùn)條件對(duì)土壤中N2O的生成和排放有顯著影響。這些結(jié)果有助于更好地理解農(nóng)業(yè)管理實(shí)踐對(duì)溫室氣體排放的潛在影響。傳統(tǒng)耕作與減少耕作對(duì)土壤中N2O的δ15NSP值有顯著影響。這表明減少耕作可能通過(guò)減少土壤擾動(dòng)，降低N2O排放。傳統(tǒng)耕作通過(guò)深耕和翻土增加土壤通氣，促進(jìn)硝化作用，可能導(dǎo)致較高的N2O排放。而減少耕作保留更多的土壤有機(jī)質(zhì)，減少了硝化作用，從而降低了N2O排放。濕潤(rùn)的有氧條件和厭氧條件對(duì)土壤N2O的同位素組成也有影響。濕潤(rùn)的厭氧條件可能促進(jìn)了反硝化作用，而有氧條件則更有利于硝化作用。這些結(jié)果表明，濕潤(rùn)條件在土壤N2O生成過(guò)程中起著重要作用，影響了微生物活動(dòng)和N2O的生成路徑。
總結(jié)
CRDS儀器Picarro G5131-i成功用于實(shí)驗(yàn)室條件下土壤中的N2O同位素，為N2O提供了深入的研究。未來(lái)的研究應(yīng)繼續(xù)探索不同農(nóng)業(yè)管理實(shí)踐對(duì)N2O排放的影響，尤其是結(jié)合其他溫室氣體（如CO2和CH4）的排放情況，綜合評(píng)估不同管理實(shí)踐的環(huán)境影響。此外，進(jìn)一步應(yīng)用先進(jìn)的同位素技術(shù)，將有助于更深入地理解土壤N2O排放的復(fù)雜機(jī)制，促進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展和氣候變化的緩解。
Picarro N2O濃度和同位素分析儀
Picarro N2O測(cè)量?jī)x器在本研究中的表現(xiàn)凸顯了其在同位素測(cè)量中的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。
高精度測(cè)量：Picarro G5131-i設(shè)備能夠以0.7‰的精度測(cè)量δ15N和δ18O，并且N2O濃度的測(cè)量精度達(dá)到<0.05 ppb。這種高精度為識(shí)別N2O來(lái)源提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。
同時(shí)測(cè)量多種同位素：Picarro G5131-i能夠同時(shí)進(jìn)行δ15N、δ15Nα、δ15Nβ和δ18O的測(cè)量，這對(duì)于全面了解N2O的同位素組成至關(guān)重要。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，可以更好地區(qū)分不同的微生物過(guò)程及其對(duì)N2O排放的貢獻(xiàn)。
快速且高效：設(shè)備能夠在10分鐘內(nèi)完成測(cè)量，這大大提高了研究效率，適合進(jìn)行大規(guī)模樣本分析。在環(huán)境研究中，高效和快速的測(cè)量是非常關(guān)鍵的，因?yàn)樗试S科學(xué)家在較短時(shí)間內(nèi)獲得大量數(shù)據(jù)，從而加快研究進(jìn)展。
應(yīng)用廣泛：除了本研究中的土壤N2O測(cè)量，Picarro G5131-i在其他環(huán)境和農(nóng)業(yè)研究中也具有廣泛的應(yīng)用前景，如氣候變化研究、土壤健康監(jiān)測(cè)等。其高精度和多功能性使其成為環(huán)境科學(xué)研究中不可或缺的工具。
現(xiàn)Picarro已將G5131-i正式升級(jí)為PI5131-i，新型號(hào)將采用Linux系統(tǒng)，在保證原有儀器測(cè)量性能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)更加穩(wěn)定而安全。
