Picarro G2508—植物減少了北部大平原鹽堿土壤的氧化亞氮排放
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/agj2.21573
引言
土壤是生態(tài)系統(tǒng)中一個關(guān)鍵的組成部分，其健康狀況直接影響到植物生長、農(nóng)作物產(chǎn)量和生態(tài)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。然而，隨著人類活動的增加和環(huán)境變化的加劇，許多地區(qū)的土壤健康狀況正在惡化，特別是在生產(chǎn)性土壤和鹽堿土壤中，這些問題尤為嚴(yán)重。為了有效地管理和修復(fù)這些土壤，理解其微生物群落結(jié)構(gòu)及其響應(yīng)機(jī)制是至關(guān)重要的。
生產(chǎn)性土壤通常具有高肥力和良好的物理化學(xué)性質(zhì)，適合農(nóng)作物生長，但長期農(nóng)業(yè)活動可能導(dǎo)致土壤退化。鹽堿土壤因其高鹽分和高堿性，通常不適合大多數(shù)農(nóng)作物生長，常見于干旱和半干旱地區(qū)。
這項研究的目的是探討不同土壤類型對微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響，特別是生產(chǎn)性土壤和鹽堿土壤。通過測量特定基因（如nir-K、nir-S和nos-Z）的拷貝數(shù)量，評估這些土壤中的微生物群落，以揭示土壤類型和修復(fù)條件對微生物群落的影響。這些基因與微生物的氮循環(huán)過程密切相關(guān)，能夠揭示土壤微生物群落在不同環(huán)境條件下的變化。
土壤采集和分析
實(shí)驗(yàn)設(shè)計
2021年8月，研究人員從北美北部大平原（NGP）某地的生產(chǎn)性土壤和鹽堿土壤無植物控制地塊中采集了表層至15厘米深的土壤樣本。土壤樣本在采集后立即混合均勻，以保證樣本的代表性，但未進(jìn)行干燥或研磨處理。這樣處理是為了保持土壤的原始狀態(tài)，最大程度地反映其自然條件下的化學(xué)和生物學(xué)特性。
部分土壤樣本被送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全面的理化性質(zhì)分析。測試項目包括電導(dǎo)率（EC 1:1）、土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）、pH值、硝態(tài)氮（NO3-N）、總氮（Total N）、Olsen磷、硫酸鹽（SO42-）、鈉（Na）、銨態(tài)氮（NH4-N）和銨鹽提取的堿性陽離子總量（陽離子交換量，CECa），以及鈉含量百分比（%Na），其中鈉含量百分比類似于鈉吸附比（SAR）。
植物與溫室環(huán)境的條件
在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，選擇了四種多年生草本植物進(jìn)行種植，以評估植物對土壤微生物群落的影響。這些植物在2017年被種植在溫室中的花盆內(nèi)，每個花盆中裝有大約3200克的濕潤土壤。植物的選擇基于它們對土壤修復(fù)的潛在貢獻(xiàn)和適應(yīng)特定土壤條件的能力。
為了對比植物對土壤微生物群落的影響，實(shí)驗(yàn)還設(shè)置了不種植植物的對照組。這些對照組的花盆中同樣裝有相同量的濕潤土壤，但未種植任何植物。這樣可以確保所有處理組在相同的土壤初始條件下進(jìn)行比較。
實(shí)驗(yàn)在溫控溫室中進(jìn)行，以確保所有花盆在相同的環(huán)境條件下生長。溫室條件包括溫度、濕度和光照等關(guān)鍵因素，這些因素被嚴(yán)格控制以模擬自然生長環(huán)境，同時減少外界環(huán)境變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。
溫室氣體排放測量
溫室氣體CO2-C和N2O-N在種植后的第1-22天和第42-63進(jìn)行了定量。在測量過程中，每個PVC土壤柱都覆蓋一個長期不透明腔室，每天6次，間隔4小時，每次10分鐘。在測量過程中，空氣在室內(nèi)混合，并通風(fēng)以保持環(huán)境空氣壓力。使用Picarro G2508對提取的氣體進(jìn)行測量并計算通量。對于每種氣體，每天每個土壤環(huán)能得到3600個測量值，以確定每日的CO2-C和N2O-N通量。在實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時，使用N2O和CO2的標(biāo)準(zhǔn)氣體來保證分析儀測量的準(zhǔn)確性。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
溫室氣體排放的周期性變化在正午達(dá)到峰值，午夜時最低。從1至5天后的累積CO2-C排放量來看，在無植物控制組中，肥沃土壤的排放量為4.2 g CO2-C m?2，鹽堿土壤的排放量為2.8 g CO2-C m?2。從6至22天后的累積CO2-C排放量來看，肥沃土壤中，大麥的排放量最大，為40.6 g m?2，無植物控制組的排放量為23.7 g m?2，鹽堿土壤中累積的CO2-C排放量低于肥沃土壤。
肥沃土壤中，裸土的N2O-N排放為6.9 mg m?2，種植大麥后顯著減少至2.06 mg m?2。鹽堿土壤中的排放量為26.1 mg m?2，顯著高于肥沃土壤的6.2 mg m?2。植物均減少了N2O-N排放量，大麥在鹽堿土壤中的效果最好，Kernza在肥沃土壤中的效果最佳。
土壤類型和大麥對種植后1-22天CO2-C排放、N2O-N排放和土壤含水量的影響
在溫室氣體排放研究中，結(jié)果表明，土壤肥沃度和鹽堿度對溫室氣體排放有顯著影響。植物能通過吸收無機(jī)氮和減少水填充孔隙空間來降低N2O排放，但現(xiàn)有基于水填充孔隙空間和植物氮吸收的排放模型過于簡單，無法解釋復(fù)雜的氮轉(zhuǎn)化過程和微生物網(wǎng)絡(luò)對排放的影響，需要更復(fù)雜的模型來準(zhǔn)確預(yù)測溫室氣體排放。
總結(jié)
在北美，NGP的鹽堿土地面積正在增加，這些被鹽堿滲透的土壤周圍的地區(qū)種植了小麥、玉米和大豆，它們對于鹽堿土壤的條件的耐受性是有限的。在北方相對較短的生長季里，很少有作物能夠在鹽堿土壤中生長，而且由于這些地區(qū)通常面積有限，并與生產(chǎn)區(qū)交織在一起，在這些地區(qū)保持單獨(dú)的作物往往是難以管理的。然而，在鹽堿地上保持植被是有必要的，因?yàn)樗鼈兙哂蟹浅８叩那治g潛力和氧化亞氮排放量。這項溫室研究表明，在受鹽堿影響的土壤中種植植物可以有效減少氧化亞氮的排放。
