应用案例

Picarro G2201-i（模拟牛尿添加实验对土壤反硝化过程的影响和对N₂O排放因子的抑制）

发表时间：2024-04-17

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Helgason B, Reimer J C, Arcand M M. Soil denitrification response to increased urea concentration constrains nitrous oxide emission factor in a simulated cattle urine patch[J]. 2022.

https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1894776/v1

研究背景

牛尿沉积到土壤上会通过增加有效氮浓度和改变土壤物理和化学条件，从而影响土壤中的微生物群落，并最终影响N₂O排放。尿液沉积对N₂O排放的影响程度不仅取决于环境条件，还取决于尿液氮浓度。牛在膳食中增加氮的摄入量，可以更快地增加尿氮含量，在某些情况下还呈现指数关系。虽然牛尿主要的氮形态仍是尿素，占尿液总氮的52-94%。因此，牛尿氮的变化主要以尿素形式排泄到土壤中。增加土壤中的尿素氮输入可能会增加氮循环微生物的活性，进而通过硝化和反硝化过程影响N₂O的土壤通量。

尿液沉积以多种方式影响土壤微生物群落，包括改变pH值和增加渗透压力。尿液沉积后，尿素水解可导致土壤pH值短期升高，增加液体NH₃的形成。在高浓度下，会抑制微生物活性。高尿素氮浓度的渗透胁迫可以抑制硝化活性，特别是在干燥土壤中。高尿素氮的浓度最初抑制了反硝化和硝化细菌，延迟了N₂O的产生。随着微生物活性和净生长增加，尿液沉积的最初抑制作用也会随着减弱。因此，尿液沉积可以通过抑制微生物群落活动来改变N₂O的生成速率。

研究结果表明，反刍动物尿液中反硝化细菌种群大小的变化可能会长期影响氮动态。

研究目的

本研究的目的是确定畜尿是影响土壤中N₂O的短期微生物来源，量化尿液中尿素含量增加对N₂O排放的影响，并确定尿液沉积如何影响产生N₂O的微生物群落的丰度和活性。为了实现研究目标，用尿液处理牧场土壤，尿液中加入¹⁵N¹³C双同位素标记的低浓度和高浓度尿素，定量分析了气体样品中的N₂O、CO₂和同位素丰度，并在实验室测定土壤中的硝化和反硝化基因和转录丰度。

研究方法

将预处理后的自然丰度尿液、¹⁵N¹³C尿素标记尿液或H₂O（对照）进行培养，并做了平行对照组进行了培养实验。通过向尿液中添加¹⁵N¹³C尿素，制备双同位素标记尿液，使尿液中的尿素-C和尿素-N达到四倍的自然丰度水平。将等量的未标记尿素添加到自然丰度尿液中。通过240小时的温室气体（GHG）采样和破坏性土壤采样。实验使用¹⁵N¹³C尿素、天然丰度尿素尿或等量蒸馏水作为对照。将准备样品密封在1L罐中，并以1L / min的速率用零空气冲洗7分钟。所有样品在24°C的暗室中培养240小时。

上图：用同位素标记的¹³C ¹⁵N不同浓度尿素处理的培养样品的累积通量¹³CO₂（A）和¹⁵N₂O（B）。

实验中同位素检测，使用Picarro CRDS分析仪进行分析：δ¹³CO₂使用Picarro G2201-i 测定，δ¹⁵N₂O使用了Picarro G5131-i进行测定。

研究结论

牛尿的沉积刺激了土壤中N₂O的排放，主要是通过反硝化作用。高尿素土壤排放更多的¹⁵N₂O，但尿素氮排放因子和总N₂O排放量在不同浓度尿素处理之间没有差异。尽管最初AOB丰度有所下降，但尿液应用最终增加了AOB的丰度和活性。本研究表明，尿液氮含量的增加，包括非膨大豆类的潜在增加，不会导致初始N₂O排放量增加。

本文仪器简介

实验使用PicarroCRDS分析仪测量了同位素标记的尿素源， Picarro G2201-i测定δ¹³CO₂， Picarro G5131-i测定δ¹⁵N₂O。同位素标记样品中¹⁵N和¹³C的丰度使用通用同位素混合方程确定尿素产生的总N₂O和CO₂通量。

本文编辑：吴闯

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