雙同位素及功能基因-無土栽培系統(tǒng)中N2O的生產和消耗過程的研究

———雙同位素及功能基因-無土栽培系統(tǒng)中N2O的生產和消耗過程的研究

中國是最大的溫室蔬菜生產國，約占世界生產面積的83%。由于全年生產和大量施肥，溫室蔬菜產量高，但也導致了土壤質量的惡化和嚴重的環(huán)境問題。近來，無土栽培系統(tǒng)（SCS）在溫室蔬菜生產中逐漸發(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，也稱為無土栽培生長介質，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。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，加劇全球變暖，在大氣中存留時間長，可輸送到平流層，導致臭氧層破壞，引起臭氧空洞。無土栽培基質已成為SCS中N2O排放的主要載體，但尚不清楚其產生和消耗的相關途徑，因此亟待研究SCS無土栽培基質的N2O排放源。且無土栽培基質與土壤理化和生物性質高度不同，其具有更準確的水和養(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，來自中國農業(yè)科學研究院的一組研究團隊基于穩(wěn)定同位素技術結合qPCR分析在兩種灌溉模式下（滴灌和潮汐灌溉）對成都市農林科學院（(10386E，3071N）溫室里兩種無土栽培基質（60%泥炭+20%珍珠巖+20%蛭石+少量植物纖維/商用椰殼纖維基質）進行了相關研究，共設置4種處理：滴灌+泥炭基質（PD），滴灌+椰殼基質（CD），潮汐灌溉+泥炭基質（PT）以及潮汐灌溉+椰殼基質（CT）。旨在：（1）研究兩種灌溉模式下典型無土栽培基質的N2O排放，（2）評估N2O排放及其驅動因子之間的關系以及（3）理解N2O生產和消耗的微生物機制。

作者于2023年3月12日在育種室進行西紅柿播種，4月9日轉移至溫室中。施肥后的不同時間里收集氣體樣品，計算NH3和N2O通量，并測量N2O同位素值。同時，收集了無土栽培基質樣品，去除可見根系，過篩，測定質量含水量（），計算充水孔隙度（WFPS）。然后測定無土栽培基質的NH4+-N、NO3--N、pH、導電率（EC）、有機質（OM）。提取基質中的總DNA，進行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）提取基質樣品中的水分，利用PicarroL115-I同位素分析儀測定水的18O值。通過18O和15NSP關系圖來區(qū)分N2O生產和消耗途徑。

【結果】

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通量的時間變化。

基于pearson相關方法的不同參數(shù)之間的相關性熱圖。

18O和15NSP關系圖（A）以及N2O生產和消耗的微生物過程的貢獻（B）。BN：細菌硝化作用；AN：古細菌硝化作用；ND：硝化細菌反硝化作用；BD：細菌反硝化作用。Ni：BN+AN；De：BD+ND。

【結論】

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產生途徑上，泥炭基質以反硝化為主，椰殼基質以硝化為主。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。反硝化和N2O還原受基質類型而非灌溉方式的影響顯著，且在泥炭基質中貢獻較大。綜上所述，N2O排放及其微生物過程是由基質類型決定的，而非灌溉模式。更重要的是，N2O同位素值