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δ15NSP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。
[来源:北京理加联合科技有限公司]
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