研究简介:华北平原(NCP)是一个主要农业区，分别供应了中国超过75%和30%的小麦和玉米产量。半干旱气候和长期过度使用氮肥，尤其是尿素，导致土壤氮的积累和随后的酸化、淋溶和N2O排放。在保持生产力的同时提高养分利用效率是研究人员和政府的一项持续任务。矿肥对氮的影响已经对华北平原(NCP)的N2O排放进行了调查，研究表明当超过农艺最佳施肥量时会迅速增加，N2O排放与NH4+和NO3-浓度之间有很强的相关性土壤中。1960年代设计的Clark型微电极已广泛应用于医学领域的生物传感器，目前的设计以高空间分辨率对微环境中的元素和化合物进行高质量、无损和原位测量和低检测限，包括多种定制和调整可能性（Unisense Profiling）。然而它们在微环境中的应用，例如土壤-根界面仍然难以捉摸。早期的研究是基于纯水的常规方法校准微电极时，无法检测到来自田间潮湿土壤（对应于WFPS 30%左右）的N2O排放。尽管在低湿度条件下化学-生物活性降低，但土壤呼吸确实会发生，特别是当气体在干燥条件下扩散更大，硝化作用主导N2O的形成时。先前的研究应用克拉克型微电极从沉积物和污泥中检测气态N2O，与半干旱农业土壤相比，其特征是孔隙水含量高。本研究通过改进微电极的校准/灵敏度，为在原位条件下可靠测定农业土壤中的N2O排放提供了新的见解，并阐明了长期施肥对土壤理化性质和脲酶活性的影响。本研究方法对于中国和其他地方的科学家、工程师和区域环境管理人员对农业生态系统中N2O的可靠仪器和原位测量非常有用。


Unisense微电极系统的应用


用于测量N2O的传感器是尖端尺寸为50μm的Clark型微电极（N2O-NP-804195，Unisense，连接到高灵敏度皮安计（PA 2000，Unisense A/S)并在阴极和内部参考阳极之间施加-0.8 V的电压。在外部分压的驱动下，N2O穿透尖端的传感器膜（硅胶膜）并在金属阴极表面被还原，而皮安表将产生的电流转换为信号。在测量之前，必须通过施加-1.3 V的电压30分钟来预激活传感器，并在-0.8 V下预极化至少12小时，直到信号稳定。在此期间，内部保护阴极会去除可能在电解液中积累的O2。该传感器还配备了一个前防护装置，该防护装置包含一种碱性溶液，其中O 2被还原，阴极相对于内部参考进行极化。将校准为最佳水土比的微电极用于量化根际和大块土壤中N2O的排放，N2O浓度以μM L-1为单位测量。使用MicroProfiling系统结合马达控制器控制微电极以5000μm步长、10秒暂停和15秒测量时间收集每个深度（即1、2、3和4厘米）的数据。


实验结果


研究改进了用于测量土壤微环境原位N2O排放的微电极的校准。校准基于土壤溶液（水：土壤比=7:1–8:1）而不是纯水，从而使传感器的灵敏度加倍。在将该方法应用于其他土壤之前，该比率需要重新校准。改进后的方法为现场现场监测N2O排放提供了技术支持。研究发现利用校准后的传感器进行原位测量，发现施用尿素后，根际和大块土壤均排放大量N2O，前者占总累积N2O的60%，因此指出在研究农业土壤温室气体排放对全球变化的响应时，应考虑根际土壤的N2O排放。恒温（25°C）下N 2 O排放与无机N含量（NH4+和NO3-）和土壤水分（WFPS 55-60%）呈正相关。长期添加粪肥显著增加了N2O排放，而秸秆添加可以促进土壤N的保留，但可能会增加N2O排放和反硝化造成的损失。

图1、样品制备流程图：(a)建立纯化水或土壤溶液作为校准介质的标准曲线，(b)准备土壤柱，以及(c)测量微电极系统的一氧化二氮排放。如材料和方法中所述，从处理地块收集风干土壤。


图2、带有植物的根际示意图和用于确定从根际和大块土壤中释放的一氧化二氮的微传感器装置。微传感器是连接到高灵敏度皮安计的Clark型微电极。


图3、在每个实验阶段观察到的0-4 cm土壤柱中的微剖面，用纯净水（a，填充符号）或土壤溶液作为校准介质（b，空心符号）获得。梯度值基于用深色细线显示的PROFILE软件模拟和用蓝色粗线显示的相应生产/消耗曲线。从图中可以看出两种校准介质在每个深度存在显著差异，土壤溶液的N 2 O浓度显着高于纯净水，累积值分别为0.39和-0.36μmol cm-3 s-1.因此样品中N2O产生/浓度的变化归因于介质之间的差异，而不是仪器误差。作为N 2长期施肥土壤的O排放不能为负值，因此不能用纯水作为校准介质。


图4、用纯净水或不同电解状态的土壤溶液校准获得的微电极信号，表示为水：土壤比率。每条校准曲线是均值(n=5)，伴随着标准偏差（误差线）和一个具有决定系数(R 2)的方程。图中可以看出在所有土壤溶液和纯水作为校正N2O电极线的介质之间存在显著的差异。因此用于校准微电极以测量N2O排放的最佳水土比，应选择给定土壤的土壤溶液作为校准介质，最终提高通量测量的准确性。


图5、长期施肥对一氧化二氮通量的影响。在30天的培养实验中，观察(a)块状和(b)根际土壤(添加尿素(+UR)和(c)块状和(d)不添加尿素(-UR)的一氧化二氮(N2O)通量的动态。值是带有标准误差(误差条)的平均值(n=4)。CK为不施肥不秸秆还田，MNPK为去秸秆还田矿质与有机肥结合施用，SNPK为秸秆还田矿质与有机肥结合施用。


结论与展望


微电极传感器能够以高时空分辨率准确量化微环境中的一氧化二氮(N2O)排放。然而由于在低土壤湿度条件下无法获得电信号，对农业土壤的研究有限。本研究通过改进微电极的校准/灵敏度，为在原位条件下可靠测定农业土壤中的N2O排放提供了新的见解，并阐明了土壤微环境（即根际）的重要性。研究人员采用微电极技术（unisense微电极研究系统），明确区分根际和土腔，研究了长期施用无机肥料(NPK)、猪粪(MNPK)、秸秆(SNPK)和不施肥(CK)(添加和不添加尿素)对土壤N2O排放的影响。使用土壤溶液代替纯水校准微电极使信号加倍并显着提高了传感器的灵敏度。土壤溶液的最佳电解浓度，以水：土壤比表示，发现在拟合不同土壤溶液校准方程的斜率值的二次方程的最大顶点处。校准微电极的应用表明，与大块土壤相比，根际N2O排放量显着增加，占总排放量的60%。对于大块土壤，与SNPK和NPK相比，MNPK显著增加了N2O排放量，而这些根际土壤处理之间的差异不显着。统计模型显示N2O排放与土壤无机氮含量以及处理（MNPK和SNPK）、尿素添加和根际土壤的加性效应显着相关。本研究为使用微电极测量土壤微环境中的N2O排放提供了新的见解，并指出了根际区室和能够减少农业N2O排放的农业生态系统的管理实践。