平面(mian)光(guang)極案例：氮肥顆(ke)粒周(zhou)圍(wei)亞(ya)表(biao)面(mian)氨和pH動態(tai)對硝(xiao)化作用的影(ying)響(xiang)

本(ben)次(ci)分(fen)享壹篇由丹(dan)麥奧胡斯(si)大(da)學團(tuan)隊在《Soil Biology and Biochemistry》上發表的壹篇學術論文"Visualizing small-scale subsurface NH3 and pH dynamics surrounding nitrogen fertilizer granules and impacts on nitrification activity。本(ben)文研(yan)究(jiu)了(le)農(nong)業(ye)土(tu)壤(rang)中氮(dan)肥顆(ke)粒周(zhou)圍(wei)小尺度（毫米級(ji)）的氨（NH3）和pH動態(tai)變化，以及(ji)這些(xie)變化對硝(xiao)化作用活性的影(ying)響(xiang)。

研(yan)究(jiu)亮(liang)點(dian)（Highlights）：

• 1. 研(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)了(le)壹種(zhong)新型(xing)的光電(dian)極系(xi)統，用於可(ke)視(shi)化氮肥顆(ke)粒產(chan)生(sheng)的小尺度NH3和pH變(bian)化。

• 2. 尿素(su)顆(ke)粒產生的NH3和pH水平較高(gao)，而氯(lv)化銨顆(ke)粒產生(sheng)的NH3水平較低(di)，pH動態(tai)變化不同(tong)。

• 3. 硝(xiao)化作用活性在氯化銨顆(ke)粒附近(jin)最高(gao)，並隨(sui)距(ju)離增(zeng)加而降低(di)。

• 4. 尿素(su)顆(ke)粒附近硝(xiao)化作用活性較低(di)，並隨(sui)距離增(zeng)加而增(zeng)加。

• 5. 氨氧(yang)化細菌的amoA基因(yin)轉(zhuan)錄在(zai)遠(yuan)離氯(lv)化銨顆(ke)粒的地方受到抑制(zhi)，在靠(kao)近(jin)尿素(su)顆(ke)粒的地方增(zeng)加。

在本(ben)文中，平面(mian)光(guang)極(optode)系(xi)統被(bei)應用於實(shi)時(shi)、連續(xu)地檢測(ce)和可(ke)視化亞(ya)毫米級(ji)尺度上由氮肥顆(ke)粒引起(qi)的土壤(rang)化學變(bian)化，特(te)別是氨(NH3)和pH值(zhi)的變化。這項(xiang)技(ji)術使得(de)研(yan)究(jiu)人(ren)員能(neng)夠在(zai)實驗室微(wei)宇宙室內，對施用氯化銨(NH3)或(huo)尿素(su)顆(ke)粒後的土壤(rang)進行高時空(kong)分(fen)辨(bian)率(lv)的監(jian)測(ce)。具體應用如(ru)下：

1. 實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)：利(li)用平面(mian)光(guang)極系(xi)統，研(yan)究(jiu)人(ren)員能(neng)夠實(shi)時監(jian)測(ce)土壤(rang)中NH3和pH值(zhi)的變化。

2. 高時(shi)空(kong)分(fen)辨(bian)率(lv)：該(gai)系(xi)統提(ti)供了(le)小(xiao)尺度空(kong)間(jian)(毫米級(ji))和時(shi)間(0至(zhi)3天(tian))上NH3和pH值(zhi)的高分(fen)辨(bian)率成(cheng)像。

3. 土壤(rang)化學變(bian)化：通過(guo)平面(mian)光(guang)極系(xi)統，研(yan)究(jiu)人(ren)員能(neng)夠觀(guan)察(cha)到(dao)施用氮肥後(hou)土壤(rang)化學成(cheng)分的動態(tai)變化。

4. 氮肥顆(ke)粒的影(ying)響(xiang)：研(yan)究(jiu)比較了(le)氯(lv)化銨(NH4Cl)和尿(niao)素(su)顆(ke)粒對土壤微(wei)環境的影(ying)響(xiang)，包(bao)括(kuo)NH3的產生(sheng)、擴(kuo)散(san)和相關的pH變化。

5. 硝(xiao)化作用活性：通過監(jian)測(ce)NH3和pH的變化，研(yan)究(jiu)人(ren)員能(neng)夠評估這(zhe)些(xie)變(bian)化對硝(xiao)化作用活性的影(ying)響(xiang)。

6. 微(wei)生(sheng)物(wu)活動：研(yan)究(jiu)還(hai)探討(tao)了NH3和pH的梯度變(bian)化對土壤微(wei)生(sheng)物(wu)群(qun)落(luo)，特(te)別是氨氧(yang)化細菌(AOB)、古菌(AOA)和氨氧(yang)化菌(comammox)的基因(yin)和轉(zhuan)錄活性的影(ying)響(xiang)。

7. 環境影(ying)響(xiang)：研(yan)究(jiu)結(jie)果有(you)助於(yu)更好地理解氮肥施用對土壤環境的影(ying)響(xiang)，以(yi)及(ji)如(ru)何(he)通(tong)過(guo)管理措(cuo)施減(jian)少(shao)氮的損失(shi)並(bing)提(ti)高氮(dan)的利(li)用效(xiao)率。

8. 實(shi)驗設置：研(yan)究(jiu)人(ren)員使用了壹個(ge)特(te)制(zhi)的實驗腔室(shi)，配(pei)備有(you)平面(mian)光(guang)極，用於監(jian)測(ce)土壤(rang)中的NH3和pH值(zhi)。

9. 數據獲(huo)取：通過平面(mian)光(guang)極系(xi)統，研(yan)究(jiu)人(ren)員能(neng)夠獲(huo)取土壤中NH3和pH值(zhi)的二維圖(tu)像，從(cong)而直(zhi)觀(guan)地展示(shi)NH3和pH的空(kong)間(jian)分(fen)布(bu)。

10. 概(gai)念驗證：研(yan)究(jiu)還(hai)進行了概念驗證，展示(shi)了(le)使(shi)用平面(mian)光(guang)極系(xi)統在(zai)識別(bie)產(chan)生脲酶(mei)的病(bing)原體(如(ru)枯草(cao)桿菌Bacillus subtilis)方面(mian)的潛在(zai)應用，而無(wu)需依賴於(yu)pH的變化。

這項(xiang)研(yan)究(jiu)是(shi)直(zhi)接可(ke)視化施用氮肥顆(ke)粒後(hou)土(tu)壤(rang)中NH3濃(nong)度和pH值(zhi)的小尺度亞(ya)表(biao)面(mian)變(bian)化，並將這(zhe)些(xie)變化與硝(xiao)化作用活性聯系(xi)起(qi)來(lai)。通過(guo)這項(xiang)研(yan)究(jiu)，研(yan)究(jiu)人(ren)員能(neng)夠為(wei)農(nong)業(ye)可(ke)持(chi)續(xu)性提(ti)供新的見解，並為提(ti)高肥料(liao)氮的利(li)用效(xiao)率和減(jian)少氮(dan)損(sun)失(shi)提(ti)供科(ke)學(xue)依(yi)據。

平面(mian)光(guang)極技術(shu)是(shi)當今(jin)先(xian)進的光電(dian)傳(chuan)感技術(shu)之(zhi)壹，智感環境團(tuan)隊(dui)基於(yu)這(zhe)種(zhong)技(ji)術，相繼(ji)開(kai)發(fa)出了壹種(zhong)封(feng)閉(bi)式平面(mian)光(guang)極設備(PO2100)和壹種(zhong)便(bian)攜式平面(mian)光(guang)極設備(PO1100)，可實現沈(chen)積(ji)物/土壤(rang)/植(zhi)物根際/水體中pH、DO和CO2的實時(shi)高(gao)分辨率(lv)檢測(ce)，這(zhe)在光電傳感(gan)技(ji)術(shu)領(ling)域是壹項重要(yao)的突破。