研究簡(jiǎn)介:華北平原(NCP)是一個(gè)主要農(nóng)業(yè)區(qū)，分別供應(yīng)了中國(guó)超過(guò)75%和30%的小麥和玉米產(chǎn)量。半干旱氣候和長(zhǎng)期過(guò)度使用氮肥，尤其是尿素，導(dǎo)致土壤氮的積累和隨后的酸化、淋溶和N2O排放。在保持生產(chǎn)力的同時(shí)提高養(yǎng)分利用效率是研究人員和政府的一項(xiàng)持續(xù)任務(wù)。礦肥對(duì)氮的影響已經(jīng)對(duì)華北平原(NCP)的N2O排放進(jìn)行了調(diào)查，研究表明當(dāng)超過(guò)農(nóng)藝最佳施肥量時(shí)會(huì)迅速增加，N2O排放與NH4+和NO3-濃度之間有很強(qiáng)的相關(guān)性土壤中。1960年代設(shè)計(jì)的Clark型微電極已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物傳感器，目前的設(shè)計(jì)以高空間分辨率對(duì)微環(huán)境中的元素和化合物進(jìn)行高質(zhì)量、無(wú)損和原位測(cè)量和低檢測(cè)限，包括多種定制和調(diào)整可能性（Unisense Profiling）。然而它們?cè)谖h(huán)境中的應(yīng)用，例如土壤-根界面仍然難以捉摸。早期的研究是基于純水的常規(guī)方法校準(zhǔn)微電極時(shí)，無(wú)法檢測(cè)到來(lái)自田間潮濕土壤（對(duì)應(yīng)于WFPS 30%左右）的N2O排放。盡管在低濕度條件下化學(xué)-生物活性降低，但土壤呼吸確實(shí)會(huì)發(fā)生，特別是當(dāng)氣體在干燥條件下擴(kuò)散更大，硝化作用主導(dǎo)N2O的形成時(shí)。先前的研究應(yīng)用克拉克型微電極從沉積物和污泥中檢測(cè)氣態(tài)N2O，與半干旱農(nóng)業(yè)土壤相比，其特征是孔隙水含量高。本研究通過(guò)改進(jìn)微電極的校準(zhǔn)/靈敏度，為在原位條件下可靠測(cè)定農(nóng)業(yè)土壤中的N2O排放提供了新的見(jiàn)解，并闡明了長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤理化性質(zhì)和脲酶活性的影響。本研究方法對(duì)于中國(guó)和其他地方的科學(xué)家、工程師和區(qū)域環(huán)境管理人員對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中N2O的可靠?jī)x器和原位測(cè)量非常有用。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

用于測(cè)量N2O的傳感器是尖端尺寸為50μm的Clark型微電極（N2O-NP-804195，Unisense，連接到高靈敏度皮安計(jì)（PA 2000，Unisense A/S)并在陰極和內(nèi)部參考陽(yáng)極之間施加-0.8 V的電壓。在外部分壓的驅(qū)動(dòng)下，N2O穿透尖端的傳感器膜（硅膠膜）并在金屬陰極表面被還原，而皮安表將產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)。在測(cè)量之前，必須通過(guò)施加-1.3 V的電壓30分鐘來(lái)預(yù)激活傳感器，并在-0.8 V下預(yù)極化至少12小時(shí)，直到信號(hào)穩(wěn)定。在此期間，內(nèi)部保護(hù)陰極會(huì)去除可能在電解液中積累的O2。該傳感器還配備了一個(gè)前防護(hù)裝置，該防護(hù)裝置包含一種堿性溶液，其中O 2被還原，陰極相對(duì)于內(nèi)部參考進(jìn)行極化。將校準(zhǔn)為最佳水土比的微電極用于量化根際和大塊土壤中N2O的排放，N2O濃度以μM L-1為單位測(cè)量。使用MicroProfiling系統(tǒng)結(jié)合馬達(dá)控制器控制微電極以5000μm步長(zhǎng)、10秒暫停和15秒測(cè)量時(shí)間收集每個(gè)深度（即1、2、3和4厘米）的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究改進(jìn)了用于測(cè)量土壤微環(huán)境原位N2O排放的微電極的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)基于土壤溶液（水：土壤比=7:1–8:1）而不是純水，從而使傳感器的靈敏度加倍。在將該方法應(yīng)用于其他土壤之前，該比率需要重新校準(zhǔn)。改進(jìn)后的方法為現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)N2O排放提供了技術(shù)支持。研究發(fā)現(xiàn)利用校準(zhǔn)后的傳感器進(jìn)行原位測(cè)量，發(fā)現(xiàn)施用尿素后，根際和大塊土壤均排放大量N2O，前者占總累積N2O的60%，因此指出在研究農(nóng)業(yè)土壤溫室氣體排放對(duì)全球變化的響應(yīng)時(shí)，應(yīng)考慮根際土壤的N2O排放。恒溫（25°C）下N 2 O排放與無(wú)機(jī)N含量（NH4+和NO3-）和土壤水分（WFPS 55-60%）呈正相關(guān)。長(zhǎng)期添加糞肥顯著增加了N2O排放，而秸稈添加可以促進(jìn)土壤N的保留，但可能會(huì)增加N2O排放和反硝化造成的損失。

圖1、樣品制備流程圖：(a)建立純化水或土壤溶液作為校準(zhǔn)介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，(b)準(zhǔn)備土壤柱，以及(c)測(cè)量微電極系統(tǒng)的一氧化二氮排放。如材料和方法中所述，從處理地塊收集風(fēng)干土壤。

圖2、帶有植物的根際示意圖和用于確定從根際和大塊土壤中釋放的一氧化二氮的微傳感器裝置。微傳感器是連接到高靈敏度皮安計(jì)的Clark型微電極。

圖3、在每個(gè)實(shí)驗(yàn)階段觀察到的0-4 cm土壤柱中的微剖面，用純凈水（a，填充符號(hào)）或土壤溶液作為校準(zhǔn)介質(zhì)（b，空心符號(hào)）獲得。梯度值基于用深色細(xì)線顯示的PROFILE軟件模擬和用藍(lán)色粗線顯示的相應(yīng)生產(chǎn)/消耗曲線。從圖中可以看出兩種校準(zhǔn)介質(zhì)在每個(gè)深度存在顯著差異，土壤溶液的N 2 O濃度顯著高于純凈水，累積值分別為0.39和-0.36μmol cm-3 s-1.因此樣品中N2O產(chǎn)生/濃度的變化歸因于介質(zhì)之間的差異，而不是儀器誤差。作為N 2長(zhǎng)期施肥土壤的O排放不能為負(fù)值，因此不能用純水作為校準(zhǔn)介質(zhì)。

圖4、用純凈水或不同電解狀態(tài)的土壤溶液校準(zhǔn)獲得的微電極信號(hào)，表示為水：土壤比率。每條校準(zhǔn)曲線是均值(n=5)，伴隨著標(biāo)準(zhǔn)偏差（誤差線）和一個(gè)具有決定系數(shù)(R 2)的方程。圖中可以看出在所有土壤溶液和純水作為校正N2O電極線的介質(zhì)之間存在顯著的差異。因此用于校準(zhǔn)微電極以測(cè)量N2O排放的最佳水土比，應(yīng)選擇給定土壤的土壤溶液作為校準(zhǔn)介質(zhì)，最終提高通量測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖5、長(zhǎng)期施肥對(duì)一氧化二氮通量的影響。在30天的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，觀察(a)塊狀和(b)根際土壤(添加尿素(+UR)和(c)塊狀和(d)不添加尿素(-UR)的一氧化二氮(N2O)通量的動(dòng)態(tài)。值是帶有標(biāo)準(zhǔn)誤差(誤差條)的平均值(n=4)。CK為不施肥不秸稈還田，MNPK為去秸稈還田礦質(zhì)與有機(jī)肥結(jié)合施用，SNPK為秸稈還田礦質(zhì)與有機(jī)肥結(jié)合施用。

結(jié)論與展望

微電極傳感器能夠以高時(shí)空分辨率準(zhǔn)確量化微環(huán)境中的一氧化二氮(N2O)排放。然而由于在低土壤濕度條件下無(wú)法獲得電信號(hào)，對(duì)農(nóng)業(yè)土壤的研究有限。本研究通過(guò)改進(jìn)微電極的校準(zhǔn)/靈敏度，為在原位條件下可靠測(cè)定農(nóng)業(yè)土壤中的N2O排放提供了新的見(jiàn)解，并闡明了土壤微環(huán)境（即根際）的重要性。研究人員采用微電極技術(shù)（unisense微電極研究系統(tǒng)），明確區(qū)分根際和土腔，研究了長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)肥料(NPK)、豬糞(MNPK)、秸稈(SNPK)和不施肥(CK)(添加和不添加尿素)對(duì)土壤N2O排放的影響。使用土壤溶液代替純水校準(zhǔn)微電極使信號(hào)加倍并顯著提高了傳感器的靈敏度。土壤溶液的最佳電解濃度，以水：土壤比表示，發(fā)現(xiàn)在擬合不同土壤溶液校準(zhǔn)方程的斜率值的二次方程的最大頂點(diǎn)處。校準(zhǔn)微電極的應(yīng)用表明，與大塊土壤相比，根際N2O排放量顯著增加，占總排放量的60%。對(duì)于大塊土壤，與SNPK和NPK相比，MNPK顯著增加了N2O排放量，而這些根際土壤處理之間的差異不顯著。統(tǒng)計(jì)模型顯示N2O排放與土壤無(wú)機(jī)氮含量以及處理（MNPK和SNPK）、尿素添加和根際土壤的加性效應(yīng)顯著相關(guān)。本研究為使用微電極測(cè)量土壤微環(huán)境中的N2O排放提供了新的見(jiàn)解，并指出了根際區(qū)室和能夠減少農(nóng)業(yè)N2O排放的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的管理實(shí)踐。