研究简介:从微生物的角度来看，土壤在含水量、基质和电子受体的可用性方面是一个异质的基质。在反硝化过程中，硝酸盐（NO3−）被顺序还原为二氮化物（N2）时，一氧化二氮（N2O）作为中间产物被产生，或通过硝化菌反硝化产生。反硝化细菌是一种兼性厌氧生物，其在N-氧化物存在的情况下通过降低O2浓度来诱导参与反硝化的酶的合成。土壤微环境中的O2浓度对于反硝化和N2O生成的控制至关重要，特别是在存在电子供体和氮氧化物的农业土壤中。由于土壤基质在时间和空间上的异质性，O2可用性和N2O生成点的小尺度分布在实践中可能难以检测和评估。直接在小型土壤聚合体（20-25毫米）中以亚毫米分辨率使用联合O2和N2O微电极传感器直接测量O2和N2O浓度，从而揭示N2O是在土壤聚合体内的无氧区域产生的。在模拟肥料注入的系统中，Petersen等人研究了微生物过程和氮循环。尽管这些研究非常详细，但未分析微尺度上的N2O形成。


本研究的目的是调查由液体猪粪注入引起的无氧区域的大小、形状和持续时间如何控制N2O的产生和排放。为此研究人员监测了从土壤表面的N2O排放以及土壤中O2和N2O的空间分布，分辨率为毫米，还测量了可能参与N2O产生的NO3-和NH4+。


Unisense微电极系统的应用


使用具有保护阴极的Clark型O2微传感器和一种对O2不敏感的Clark型N2O微电极传感器，在注肥后的3–7、23–27、46–51和67–74小时记录了O2和N2O的垂直剖面。为了避免在引入土壤矩阵深处时传感器尖端断裂，传感器尖端的玻璃壁非常厚，使外部尖端直径较大，为90–120微米。传感器的下部延伸到10–15厘米，外径约为2–3毫米（用于O2）和4–5毫米（用于N2O）。所有传感器的搅拌灵敏度均小于2％。使用SensorTrace Pro软件（Unisense A/S，Aarhus，丹麦）通过计算机控制的微操纵器将传感器引入土壤，并存储数字化的传感器信号。两个O2或两个N2O微电极传感器在电机双持架微操纵器（Unisense A/S）中的深度对齐，其尖端之间的水平距离为3厘米。通过将传感器移动到刚好位于土壤表面之上，并以0.2到10毫米的步长在土壤中制作剖面，使传感器上移动到下一个测量深度之前，将程序设置为等待10或30秒O2或N2O。


实验结果


描述了液体粪便注入后土壤中O2耗尽时的N2O热点事件。这一缺氧事件涉及顺序的N2O净产生、积累、排放，最终N2O还原为N2。在注入粪便时，创建了一个由土壤和粪便组成的直径约6厘米的饱和圆柱核心，几小时内O2消失，现有的NO3-池在几天内发生反硝化。最初由于NO3-相比于N2O还原速率较大，导致缺氧核心内发生净N2O产生。由于扩散系数有限且扩散距离较长，N2O被保留在核心内并在时间上积累。这种保留使N2O的排放相对于净产生而言延迟，并诱导了后期N2O净还原的时期。然而，相等大小的缺氧土壤体积，以小缺氧站点而不是一个致密核心的形式分散，将允许更快地将N2O排放到大气中，从而减少初始保留和后来的N2O减少。

图1、粪便施用前土壤中两个相同的O2剖面

图2、注射后22小时和49小时土壤中O2分布的横截面区域。沿核心中心（0厘米）、1.5、3和4厘米远的垂直O2剖面。土壤中通气的O2分压（O2>15.9千帕；空心圆圈）。土壤中减少的O2分压（0.35千帕＜O2<15.9千帕；实心灰色圆圈）。缺氧土壤条件（O2<0.35千帕；实心黑色圆圈）。

图3、时间序列剖面显示O2（面板a-d）和N2O（e-h），通过核心中心垂直测量。（i-l）说明了所有O2<0.35千帕测量的百分比。每个条形表示一个深度间隔的所有剖面的所有数据点（图i，n=2；图j，n=11-16；图k，n=5-7；图l，n=12-60）。

图4、N2O的排放。（a）通过封闭室法测量的粪便施用土壤中N2O估计的排放速率（黑色），或通过方程（1）从N2O微剖面计算得出的排放速率（灰色）。条形图表示最大和最小测量值（n=2），除了27小时后之后的灰色（n=3）和47小时后的灰色（n=6），其中条形图表示SD。（b）根据测得的N2O排放速率（实线）或根据N2O剖面计算的累积排放（虚线）计算。

图5、模型描述了N2O积累的时间发展，通过净N2O产生（黑点）和后来由于净还原而耗尽N2O（白点）。


结论与展望


土壤中一氧化二氮（N2O）的排放是土壤中N2O产生和消耗过程的净结果，研究这些过程在真实土壤环境中的调节对于理解控制N2O排放的因素至关重要。在这项研究中，科研人员研究了土壤中O2和N2O的微观分布，以描述土壤中N2O的产生和排放是如何受到注入液体肥料产生的缺氧体积的调节的。开发了一种模拟田间注射方法的应用装置，并将液态猪粪以5cm的深度注射到装有土壤的盒子中。尖端直径小于0.12 mm的微型传感器用于测量高分辨率的垂直N2O和O2浓度剖面，该剖面穿过水平定位的土壤粪肥芯的中心，横向距离中心4 cm。每天在密闭室中进行微传感器测量和N2O排放率测定。注入的粪肥填充了6厘米宽的圆柱形芯的原始充气孔隙空间，并造成缺氧。在岩心的缺氧部分检测到一氧化二氮，表明在整个缺氧体积中通过反硝化产生N2O。在实验的所有3天内，岩芯中都存在缺氧现象，但在1天后检测到净N2O产生的峰值速率，岩芯中N2O的最大积累为500–700 Pa。对累积N2O净产量和排放量的比较显示，N2O排放延迟，因为N2O被困在饱和堆芯内。