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Picarro+LI-2100 | 雙同位素+功能基因-研究無土栽培系統(tǒng)中N2O的生產(chǎn)和消耗過程

日期: 2023-02-02
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中國是最大的溫室蔬菜生產(chǎn)國,約占世界生產(chǎn)面積的83%。由于全年生產(chǎn)和大量施肥,溫室蔬菜產(chǎn)量高,但也導(dǎo)致了土壤質(zhì)量的惡化和嚴(yán)重的環(huán)境問題。近來,無土栽培系統(tǒng)(SCS)在溫室蔬菜生產(chǎn)中逐漸發(fā)展起來,它可以減少甚至消除傳統(tǒng)栽培方式的許多問題,。在SCS中,無土栽培基質(zhì),也稱為無土栽培生長介質(zhì),可代替土壤固定根系系統(tǒng),為植物提供水分和養(yǎng)分,為根區(qū)提供充足的通風(fēng)。然而,由于N肥的大量輸入,N2O排放較高。N2O是一種溫室氣體,具有溫室效應(yīng),加劇全球變暖,在大氣中存留時(shí)間長,可輸送到平流層,導(dǎo)致臭氧層破壞,引起臭氧空洞。無土栽培基質(zhì)已成為SCS中N2O排放的主要載體,但尚不清楚其產(chǎn)生和消耗的相關(guān)途徑,因此亟待研究SCS無土栽培基質(zhì)的N2O排放源。且無土栽培基質(zhì)與土壤理化和生物性質(zhì)高度不同,其具有更準(zhǔn)確的水和養(yǎng)分分布,因此也有必要確定管理措施對SCS中N2O排放的影響。

基于此,在本文中,來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院的一組研究團(tuán)隊(duì)基于穩(wěn)定同位素技術(shù)結(jié)合qPCR分析在兩種灌溉模式下(滴灌和潮汐灌溉)對成都市農(nóng)林科學(xué)院((103°86′E,30°71′N)溫室里兩種無土栽培基質(zhì)(60%泥炭+20%珍珠巖+20%蛭石+少量植物纖維/商用椰殼纖維基質(zhì))進(jìn)行了相關(guān)研究,共設(shè)置4種處理:滴灌+泥炭基質(zhì)(PD),滴灌+椰殼基質(zhì)(CD),潮汐灌溉+泥炭基質(zhì)(PT)以及潮汐灌溉+椰殼基質(zhì)(CT)。旨在:(1)研究兩種灌溉模式下典型無土栽培基質(zhì)的N2O排放,(2)評估N2O排放及其驅(qū)動因子之間的關(guān)系以及(3)理解N2O生產(chǎn)和消耗的微生物機(jī)制。

作者于2020年3月12日在育種室進(jìn)行西紅柿播種,4月9日轉(zhuǎn)移至溫室中。施肥后的不同時(shí)間里收集氣體樣品,計(jì)算NH3和N2O通量,并測量N2O同位素值。同時(shí),收集了無土栽培基質(zhì)樣品,去除可見根系,過篩,測定質(zhì)量含水量(ω),計(jì)算充水孔隙度(WFPS)。然后測定無土栽培基質(zhì)的NH4+-N、NO3--N、pH、導(dǎo)電率(EC)、有機(jī)質(zhì)(OM)。提取基質(zhì)中的總DNA,進(jìn)行qPCR分析。此外,利用全自動真空冷凝抽提系統(tǒng)(LI-2100,北京理加聯(lián)合科技有限公司)提取基質(zhì)樣品中的水分,利用Picarro?L115-I同位素分析儀測定水的δ18O值。通過δ18O和δ15NSP關(guān)系圖來區(qū)分N2O生產(chǎn)和消耗途徑。

【結(jié)果】

Picarro+LI-2100 | 雙同位素+功能基因-研究無土栽培系統(tǒng)中N2O的生產(chǎn)和消耗過程

四種處理下(A)總含水量(B)NH4+-N(C)N2O通量(D)充水孔隙度(E)NO3--N以及(F)NH3通量的時(shí)間變化。

Picarro+LI-2100 | 雙同位素+功能基因-研究無土栽培系統(tǒng)中N2O的生產(chǎn)和消耗過程

基于pearson相關(guān)方法的不同參數(shù)之間的相關(guān)性熱圖。

Picarro+LI-2100 | 雙同位素+功能基因-研究無土栽培系統(tǒng)中N2O的生產(chǎn)和消耗過程


δ18O和δ15NSP關(guān)系圖(A)以及N2O生產(chǎn)和消耗的微生物過程的貢獻(xiàn)(B)。BN:細(xì)菌硝化作用;AN:古細(xì)菌硝化作用;ND:硝化細(xì)菌反硝化作用;BD:細(xì)菌反硝化作用。Ni:BN + AN;De:BD + ND。

【結(jié)論】

N2O排放由微生物組而非礦物N含量決定,由基因豐度而非基因拷貝數(shù)決定。在N2O產(chǎn)生途徑上,泥炭基質(zhì)以反硝化為主,椰殼基質(zhì)以硝化為主。在無土栽培系統(tǒng)中,N2O還原(還原-混合)的情況可能更接近現(xiàn)實(shí)。反硝化和N2O還原受基質(zhì)類型而非灌溉方式的影響顯著,且在泥炭基質(zhì)中貢獻(xiàn)較大。綜上所述,N2O排放及其微生物過程是由基質(zhì)類型決定的,而非灌溉模式。更重要的是,N2O同位素值和功能基因相結(jié)合可闡明N2O產(chǎn)生和消耗的微生物過程。

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https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NjE1ODg2NA==&mid=2650316387&idx=2&sn=8f016443a3ef28dc3ce550833dcb5e69&chksm=bee1b29c89963b8a3ca6d885fbc2ff4a04c64441f680a37a4212b0c41e79a2d8d91b1d0b4688&token=2059621000&lang=zh_CN#rd


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