Picarro+LI-2100 | 双同位素+功能基因-研究无土栽培系统中N2O的生产和消耗过程

中国是最大的温室蔬菜生产国，约占世界生产面积的83%。由于全年生产和大量施肥，温室蔬菜产量高，但也导致了土壤质量的恶化和严重的环境问题。近来，无土栽培系统（SCS）在温室蔬菜生产中逐渐发展起来，它可以减少甚至消除传统栽培方式的许多问题，。在SCS中，无土栽培基质，也称为无土栽培生长介质，可代替土壤固定根系系统，为植物提供水分和养分，为根区提供充足的通风。然而，由于N肥的大量输入，N₂O排放较高。N₂O是一种温室气体，具有温室效应，加剧全球变暖，在大气中存留时间长，可输送到平流层，导致臭氧层破坏，引起臭氧空洞。无土栽培基质已成为SCS中N₂O排放的主要载体，但尚不清楚其产生和消耗的相关途径，因此亟待研究SCS无土栽培基质的N₂O排放源。且无土栽培基质与土壤理化和生物性质高度不同，其具有更准确的水和养分分布，因此也有必要确定管理措施对SCS中N₂O排放的影响。

基于此，在本文中，来自中国农业科学研究院的一组研究团队基于稳定同位素技术结合qPCR分析在两种灌溉模式下（滴灌和潮汐灌溉）对成都市农林科学院（(103°86′E，30°71′N）温室里两种无土栽培基质（60%泥炭+20%珍珠岩+20%蛭石+少量植物纤维/商用椰壳纤维基质）进行了相关研究，共设置4种处理：滴灌+泥炭基质（PD），滴灌+椰壳基质（CD），潮汐灌溉+泥炭基质（PT）以及潮汐灌溉+椰壳基质（CT）。旨在：（1）研究两种灌溉模式下典型无土栽培基质的N₂O排放，（2）评估N₂O排放及其驱动因子之间的关系以及（3）理解N₂O生产和消耗的微生物机制。

作者于2020年3月12日在育种室进行西红柿播种，4月9日转移至温室中。施肥后的不同时间里收集气体样品，计算NH₃和N₂O通量，并测量N₂O同位素值。同时，收集了无土栽培基质样品，去除可见根系，过筛，测定质量含水量（ω），计算充水孔隙度（WFPS）。然后测定无土栽培基质的NH₄⁺-N、NO₃^--N、pH、导电率（EC）、有机质（OM）。提取基质中的总DNA，进行qPCR分析。此外，利用全自动真空冷凝抽提系统（LI-2100，北京理加联合科技有限公司）提取基质样品中的水分，利用Picarro L115-I同位素分析仪测定水的δ¹⁸O值。通过δ¹⁸O和δ¹⁵N^SP关系图来区分N₂O生产和消耗途径。

四种处理下（A）总含水量（B）NH₄⁺-N（C）N₂O通量（D）充水孔隙度（E）NO₃^--N以及（F）NH₃通量的时间变化。

基于pearson相关方法的不同参数之间的相关性热图。

δ¹⁸O和δ¹⁵NSP关系图（A）以及N₂O生产和消耗的微生物过程的贡献（B）。BN：细菌硝化作用；AN：古细菌硝化作用；ND：硝化细菌反硝化作用；BD：细菌反硝化作用。Ni：BN + AN；De：BD + ND。

N₂O排放由微生物组而非矿物N含量决定，由基因丰度而非基因拷贝数决定。在N₂O产生途径上，泥炭基质以反硝化为主，椰壳基质以硝化为主。在无土栽培系统中，N₂O还原（还原-混合）的情况可能更接近现实。反硝化和N₂O还原受基质类型而非灌溉方式的影响显著，且在泥炭基质中贡献较大。综上所述，N₂O排放及其微生物过程是由基质类型决定的，而非灌溉模式。更重要的是，N₂O同位素值和功能基因相结合可阐明N₂O产生和消耗的微生物过程。