Picarro PI5131-i N₂O（揭秘土壤 N₂O 排放之谜 —— 新一代 PI5131-i N₂O 同位素分析仪，助力 N₂O 排放机制研究”）

自工业革命以来，全球正经历急剧变暖的过程。研究表明，人类活动所引起的温室气体浓度增加是导致全球气候变暖的主要原因，尤其是二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）这三种最重要的温室气体。相较于 CO₂ 和 CH₄ 而言，目前对于 N₂O 的关注较少。但 N₂O 在大气中的寿命较长，且是一种强效温室气体（GHG），其全球增温潜势力约为 CO₂ 的 300 倍，因此 N₂O  的减排工作至关重要。

N₂O 的来源复杂，土壤、水体、化石燃料燃烧等都是其潜在来源（图 1，Tian et al., 2024）。其中，土壤（自然或受人为活动影响）是 N₂O 的主要来源，占全球 N₂O 排放总量约 60%（Tian et al., 2024）。但目前对于土壤  N₂O 排放的估算存在比较大的不确定性，且土壤的 N₂O 产生机制比较复杂。准确的 N₂O 浓度和同位素观测数据，有助于 N₂O 排放的准确量化以及 N₂O 产生过程的识别，从而为 N₂O 的减排策略的制定提供坚实的数据基础。

图 1. 2010-2019 年间全球 N₂O 来源估算

（Tian et al., 2024）

Picarro N₂O 同位素分析仪凭借其高精度、低漂移、快速测量和响应等特点，被广泛应用土壤 N₂O 排放机制的研究中。本文将介绍 Picarro N₂O 同位素分析仪在土壤 N₂O 排放监测中的应用。

常用的 N₂O 同位素测量技术包括传统的质谱技术和新型的激光光谱技术。与传统的同位素质谱仪相比，Picarro N₂O 同位素分析仪的操作和维护更简单，仅需简单的培训即可掌握仪器的使用；测量前无需对样品进行预处理；日常所需的消耗品极少，无需昂贵的灯丝、泵等耗材；Picarro N₂O 同位素分析仪的重量更轻，能适用的温度范围更广，可满足多场景（实验室场景、野外原位观测等）的观测需求；Picarro 氮同位素分析仪可借助分子独特的吸收光谱，实现对于 N₂O 中不同点位的 N 同位素（δ¹⁵N_α、δ¹⁵N_β）的测量。

N₂O 溯源的常用方法有 ¹⁵N 自然丰度法、标记 ¹⁵N 法以及新型的 N₂O 位置偏好法，三者各有优劣势：

-  ¹⁵N 自然丰度法可以区分化肥和有机氮肥、估算大尺度反硝化速率，但受底物的影响较大，且不被认为是定量化技术；

-  标记 ¹⁵N 法可进行多重标记用于区分多个氮循环过程，高丰度可量化 N₂ 损失，但只适用于室内实验和大田单点实验，且用于标记的肥料昂贵，并且会对样地产生污染；

-  N₂O 位置偏好（SP 值，SP = δ¹⁵N_α - δ¹⁵N_β）法，为 N₂O 的研究能提供了新维度，以用来指示不同 N₂O 产生途径，且不受底物 ¹⁵N 的影响。

Picarro 分析仪由于其高稳定性以及能适用的温度范围更广等优点，既可以布设在实验室，也可以直接在实验现场进行布设，实现连续原位观测，满足用户不同应用场景的观测需求。

Pedro et al., (2021) 利用 Picarro G5131-i N₂O 同位素分析仪，对从加拿大两个高北极极地沙漠（白云岩沙漠和花岗岩沙漠）采集的土壤样本，在不同含水量条件下的 N₂O 同位素进行测量，利用 SP 值对于两种沙漠 N₂O 的排放机制进行了区分。研究发现，白云岩沙漠样品在湿润条件下的 SP 值显著增加，表明真菌反硝化作用是其 N₂O 的主要来源。而花岗岩沙漠样品在湿润条件下的 SP 值下降，表明细菌反硝化作用是其主要来源。这为理解北极生态系统对气候变化的响应提供了重要见解。

图 2. 不同实验条件下，白云岩和花岗岩沙漠中，位置偏好(SP)的平均值和标准误差

（Pedro et al., 2021）

Yang et al., (2024) 利用 Picarro G5131-i N₂O 同位素分析仪，对不同处理条件下，接种了纤维素降解微生物和半纤维素降解微生物的不同堆肥阶段的  N₂O 同位素进行了测定。通过同位素映射方法，发现添加微生物的堆肥过程促进了 N₂O 排放量增加，同时还促进了 N₂O 向 N₂ 的还原，这表明反硝化过程在堆肥过程中起到了重要作用。

图 3. 不同堆肥阶段中 N₂O 的同位素特征值在同位素映射图中的分布，以及不同 N₂O 产生途径的贡献比例 （Yang et al., 2024）

Conor et al., (2022) 利用 Picarro G5101-i N₂O 同位素分析仪结合静态箱式法实现了对于成分草地排放的 N₂O 同位素进行了观测，结合从 lysimeter  收集的淋溶液，对氮循环路径和氮损失的进行了全面的探究。发现，硝化作用是研究站点主要的 N₂O 产生路径，但多年生黑麦草、白三叶草和宽叶车前处理的硝化作用比例较低，这可能与宽叶车前释放的生物硝化抑制剂有关，从而减少了  N₂O 排放。

图 4. N₂O 同位素组成（δ¹⁵N_bulk 和 SP）与土壤 N₂O 排放的关系图

（Conor et al., 2022）

Malte et al., (2018)基于 Picarro G5101-i N₂O 同位素分析仪，结合磁力搅拌器、低泄漏泵等外围设备，组建了闭路循环观测系统，对于两种反硝化细菌培养过程中 N₂O 同位素的连续变化进行了观测。研究发现，P. chlororaphis 反硝化细菌在 N₂O 产生过程中的同位素分馏与以往研究结果一致，而 P. fluorescens 反硝化细菌在 N₂O 产生和还原过程中表现出显著不同的同位素分馏特征。提出了 N₂O 产生和还原过程中同位素分馏的可能机制，包括生产率差异、硝酸盐还原酶和 N₂O 还原酶的作用。

图 5. 基于 Picarro G5101-i N₂O 同位素分析仪，搭建的闭路循环观测系统

（Malte et al., 2018）

Picarro PI5131-i 是专门为高精度 N₂O 同位素测量而设计的分析仪，可同时测量 N₂O、δ¹⁵N_bulk、δ¹⁵N_α、δ¹⁵N_β 和 δ¹⁸O。PI5131-i 具有如下特点和优势：

• 实现大气浓度下的高精度测量，10 min 测量精度：N₂O 浓度 < 

  0.05 ppb；δ¹⁵N_bulk、δ¹⁵N_α、δ¹⁵N_β < 0.7‰；δ¹⁸O < 0.7‰；

• 能够同时测定 N₂O 中的位点特异性及整体 δ¹⁵N 和 δ¹⁸O 测量；

• 无制冷剂，连续运行，可进行现场和实验室部署。

  
  

PI5131-i 在维持 G5131-i 高精度测量的基础上，从仪器的耐用性、持久性，以及用户的易用性等方面进行了一系列的升级。

外观升级：从 G5131-i 的双机箱设计升级至了 PI5131-i 的单机箱设计，增加了安装、运输的可靠性；

操作系统升级：从 Windows 升级至 Linux，提高了系统的稳定性；

优化光学系统：优化了压电陶瓷的设计、新增的机械增强型腔体底板设计和加压密闭箱，增加了光学系统的稳定性和耐用性；

增加远程可调整性：增加了先进的光学控制，使得光路的远程调整变成可能，从一定程度上避免了返场的需要；

数据传输方式：支持更多的数据传输方式，提供给用户更多的选择。

1. 土地倾斜度对温带高地森林土壤 CO₂、N₂O 和 CH₄ 通量的影响：

https://doi.org/10.5194/soil-9-517-2023

2. 尿素浓度增加对土壤反硝化反应的影响：

https://doi.org/10.1007/s11104-023-06048-w

3. 土壤水分和 N₂O 产生途径之间的关系：

https://doi.org/10.5194/soil-5-265-2019

4. 极地沙漠氧化亚氮排放：

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108001

5. 作物种植方式及施肥方式对氧化亚氮排放的影响：

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145107

6. 不同作物种植方式下，作物残留物对氧化亚氮排放的影响：

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108057

7. 利用 N₂O 同位素探究 N₂O 动态：

https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2019.103401

8. 排水有机土壤中 N₂O 排放热点随季节性移动的好氧-厌氧界面移动：

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2017.08.025

9. 农业草地土壤中微生物尸体氮持久性解耦：

https://doi.org/10.1038/s43247-022-00439-0

10. 溶解氧对富硝化污泥中氨氧化菌产生 N₂O 的影响：

https://doi.org/10.1016/j.watres.2014.08.009

11. 农业排水酸性有机土壤中 N₂O 的季节性来源：

https://doi.org/10.1007/s10533-019-00625-x

12. 减少不同成分草地的 N₂O 排放和氮淋溶：

https://doi.org/10.1016/j.agee.2022.108187

13. 探究不同牧草草地组成的主要 N₂O 产生途径：

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146515

14. 利用光腔衰荡光谱技术开发和验证离散静态室样品的新型同位素 N₂O 测量技术：

https://doi.org/10.1002/rcm.9049

15. 孵化实验中氧化亚氮同位素的连续测量：

https://doi.org/10.5194/bg-15-767-2018

16. 添加降解微生物对 N₂O 的排放的影响：

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.130100

17. 添加生物炭和碳酸钙减轻堆肥过程中 N₂O 排放的机制： 

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.129772