Picarro+LI-2100 | 雙同位素+功能基因-研究無土栽培系統(tǒng)中N2O的生產(chǎn)和消耗過程

中國是最大的溫室蔬菜生產(chǎn)國，約占世界生產(chǎn)面積的83%。由于全年生產(chǎn)和大量施肥，溫室蔬菜產(chǎn)量高，但也導(dǎo)致了土壤質(zhì)量的惡化和嚴(yán)重的環(huán)境問題。近來，無土栽培系統(tǒng)（SCS）在溫室蔬菜生產(chǎn)中逐漸發(fā)展起來，它可以減少甚至消除傳統(tǒng)栽培方式的許多問題，。在SCS中，無土栽培基質(zhì)，也稱為無土栽培生長介質(zhì)，可代替土壤固定根系系統(tǒng)，為植物提供水分和養(yǎng)分，為根區(qū)提供充足的通風(fēng)。然而，由于N肥的大量輸入，N₂O排放較高。N₂O是一種溫室氣體，具有溫室效應(yīng)，加劇全球變暖，在大氣中存留時間長，可輸送到平流層，導(dǎo)致臭氧層破壞，引起臭氧空洞。無土栽培基質(zhì)已成為SCS中N₂O排放的主要載體，但尚不清楚其產(chǎn)生和消耗的相關(guān)途徑，因此亟待研究SCS無土栽培基質(zhì)的N₂O排放源。且無土栽培基質(zhì)與土壤理化和生物性質(zhì)高度不同，其具有更準(zhǔn)確的水和養(yǎng)分分布，因此也有必要確定管理措施對SCS中N₂O排放的影響。

基于此，在本文中，來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院的一組研究團(tuán)隊基于穩(wěn)定同位素技術(shù)結(jié)合qPCR分析在兩種灌溉模式下（滴灌和潮汐灌溉）對成都市農(nóng)林科學(xué)院（(103°86′E，30°71′N）溫室里兩種無土栽培基質(zhì)（60%泥炭+20%珍珠巖+20%蛭石+少量植物纖維/商用椰殼纖維基質(zhì)）進(jìn)行了相關(guān)研究，共設(shè)置4種處理：滴灌+泥炭基質(zhì)（PD），滴灌+椰殼基質(zhì)（CD），潮汐灌溉+泥炭基質(zhì)（PT）以及潮汐灌溉+椰殼基質(zhì)（CT）。旨在：（1）研究兩種灌溉模式下典型無土栽培基質(zhì)的N₂O排放，（2）評估N₂O排放及其驅(qū)動因子之間的關(guān)系以及（3）理解N₂O生產(chǎn)和消耗的微生物機(jī)制。

作者于2020年3月12日在育種室進(jìn)行西紅柿播種，4月9日轉(zhuǎn)移至溫室中。施肥后的不同時間里收集氣體樣品，計算NH₃和N₂O通量，并測量N₂O同位素值。同時，收集了無土栽培基質(zhì)樣品，去除可見根系，過篩，測定質(zhì)量含水量（ω），計算充水孔隙度（WFPS）。然后測定無土栽培基質(zhì)的NH₄⁺-N、NO₃^--N、pH、導(dǎo)電率（EC）、有機(jī)質(zhì)（OM）。提取基質(zhì)中的總DNA，進(jìn)行qPCR分析。此外，利用全自動真空冷凝抽提系統(tǒng)（LI-2100，北京理加聯(lián)合科技有限公司）提取基質(zhì)樣品中的水分，利用Picarro?L115-I同位素分析儀測定水的δ¹⁸O值。通過δ¹⁸O和δ¹⁵N^SP關(guān)系圖來區(qū)分N₂O生產(chǎn)和消耗途徑。

【結(jié)果】

四種處理下（A）總含水量（B）NH₄⁺-N（C）N₂O通量（D）充水孔隙度（E）NO₃^--N以及（F）NH₃通量的時間變化。

基于pearson相關(guān)方法的不同參數(shù)之間的相關(guān)性熱圖。

δ¹⁸O和δ¹⁵NSP關(guān)系圖（A）以及N₂O生產(chǎn)和消耗的微生物過程的貢獻(xiàn)（B）。BN：細(xì)菌硝化作用；AN：古細(xì)菌硝化作用；ND：硝化細(xì)菌反硝化作用；BD：細(xì)菌反硝化作用。Ni：BN + AN；De：BD + ND。

N₂O排放由微生物組而非礦物N含量決定，由基因豐度而非基因拷貝數(shù)決定。在N₂O產(chǎn)生途徑上，泥炭基質(zhì)以反硝化為主，椰殼基質(zhì)以硝化為主。在無土栽培系統(tǒng)中，N₂O還原（還原-混合）的情況可能更接近現(xiàn)實。反硝化和N₂O還原受基質(zhì)類型而非灌溉方式的影響顯著，且在泥炭基質(zhì)中貢獻(xiàn)較大。綜上所述，N₂O排放及其微生物過程是由基質(zhì)類型決定的，而非灌溉模式。更重要的是，N₂O同位素值和功能基因相結(jié)合可闡明N₂O產(chǎn)生和消耗的微生物過程。

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