温室田间条件下土壤中活性氮（HONO）排放的变化及其驱动机制

《Environmental Pollution》：Variations in soil HONO emissions under greenhouse field conditions and their driving mechanisms

土壤温室条件下一氧化二氮氧化物（HONO）排放特征及驱动机制研究。通过田间观测和元转录组分析，发现施肥后HONO排放峰值达18.89 ng N m-2 s-1，主要受土壤电导率调控，且Bacillariophyta的narH、Actinomycetota的nmo基因及微生物硝基烷氧化途径参与HONO生成。

　　

张赛伟|周敏|钱晓勇|王红丽|赵叶飞|曾家成|吴宇航|丁翔|程亚芳|苏航

中国上海环境科学研究院

摘要

背景

大气中的一氧化二氮（HONO）是羟基自由基的前体，是影响大气化学和空气质量的关键物质。土壤已被确定为HONO排放的重要来源；然而，迄今为止，温室土壤中的HONO排放情况尚未得到充分研究。

方法

本研究通过在不同蔬菜栽培阶段对温室土壤中的HONO排放进行实地观测，并结合宏转录组分析，以研究土壤HONO排放的变化及其驱动机制。

主要结果与结论

研究结果表明，施肥后温室土壤中的HONO通量达到了18.89 ng N m^-2 s^-1。这些发现表明，温室土壤是HONO排放的重要来源，需要在全球大气预算中予以考虑。此外，温室土壤中HONO排放的变化主要受土壤电导率的影响。宏转录组分析显示，杆状菌门（Bacillariophyta）中的narH和nasA以及放线菌门（Actinomycetota）中的nmo的转录可能促进了HONO的生成。因此，未来的研究应更全面地探讨土壤HONO排放的机制及其对大气的影响。

引言

一氧化二氮（HONO）作为羟基自由基（OH）的前体，在大气化学、二次污染以及相关的生态系统和人类健康风险中起着重要作用。白天的HONO浓度无法完全解释，而土壤排放是大气中HONO缺失来源的重要组成部分。通过氮循环形成的亚硝酸盐是HONO排放的主要来源。涉及亚硝酸盐的微生物核心氮循环途径包括同化性和异化性硝酸盐还原、反硝化作用、硝化作用以及厌氧氨氧化（anammox）。

与亚硝酸盐相关的过程由多种微生物介导，这些微生物拥有调控关键酶步骤的功能基因。氨单加氧酶（由amoCAB编码）催化NH₃氧化为羟胺；羟胺通过羟胺脱氢酶（由hao编码）进一步氧化为亚硝酸盐。硝酸盐还原由硝酸盐还原酶催化，这些酶可分为真核生物的同化性硝酸盐还原酶（由NR编码）、同化性硝酸盐还原酶（由nasAB编码）、周质硝酸盐还原酶（由napAB编码）和呼吸型硝酸盐还原酶（由narB和narGHI编码）。亚硝酸盐可通过亚硝酸盐还原酶（由nirS和nirK编码）氧化为一氧化氮，也可通过其他酶（由nirBD、nrfCD、nrfAH、nirA、NIT-6和nasBDE编码）还原为NH₃，还可以通过亚硝酸盐氧化还原酶（由nxrAB编码）转化为硝酸盐。此外，硝基烷烃的氧化也可产生亚硝酸盐。在某些类型的土壤中，微生物的硝基烷烃氧化和硝酸盐还原被认为是HONO排放的驱动因素。然而，微生物在土壤HONO排放中的作用尚不明确。

参与亚硝酸盐相关过程的土壤微生物受到多种土壤因素的影响，如温度、pH值、湿度以及氮源等。因此，调节土壤HONO排放的微生物机制在不同环境条件下表现出差异。在非酸性干旱和耕地土壤中，氨氧化细菌被认为是HONO的主要来源；而在酸性北方农业土壤和缺氧湿地土壤中，以硝酸盐还原微生物为主。土壤HONO排放受多种因素影响，包括土壤性质（如亚硝酸盐浓度、pH值、湿度）和气候变量（如温度），以及施肥等管理措施。先前研究中，不同土壤环境下的HONO通量存在较大差异。

温室土壤的特点是作物轮作频繁、肥料投入量大、湿度高、昼夜温差明显（图1a）以及物理化学性质变化显著（图1a）。温室中的土壤HONO排放可能受到肥料引起的土壤电性质变化以及高温高湿微气候的影响。截至2019年，全球温室种植面积已达约130万公顷。大多数关于土壤HONO排放的田间和实验室研究集中在开阔田地土壤上，而对温室土壤中的HONO排放研究较少。张等人的研究表明，施肥后温室露水中的亚硝酸盐浓度高于大气中的亚硝酸盐浓度，推测施肥会导致温室中HONO排放增加。已有报道指出温室中存在N₂O、NO和NH₃等污染物的排放。目前尚未有关于温室中HONO排放的田间观测数据。尽管先前的研究强调了农业土壤作为HONO排放源的重要性，但关于不同栽培阶段温室土壤中HONO排放的变化及其背后的机制仍存在知识空白。需要明确温室土壤HONO排放对大气和健康影响的潜在影响。

本研究旨在通过在实际温室条件下研究整个生长周期内的土壤HONO排放情况，利用统计分析确定关键环境因素，并通过测序技术探索潜在的微生物驱动过程。我们假设由于肥料投入量大，温室土壤中的HONO排放不容忽视，并且主要受土壤温度而非湿度的影响。此外，我们认为温室土壤中的HONO生成不仅受微生物氨氧化和硝酸盐还原作用的影响，还受硝基烷烃氧化导致亚硝酸盐形成的影响。本研究的目标是：（ⅰ）描述不同栽培阶段温室土壤中HONO排放的变化；（ⅱ）识别其关键的土壤和气候因素；（ⅲ）了解控制HONO生成的根本微生物过程。研究结果有望为区域大气氧化能力和空气质量提供依据。

研究地点与样本采集

实验在中国上海的上海四尧蔬菜种植专业合作社（30°47′ N, 121°17′ E）的温室中进行，该温室具有简单的结构并配备了喷灌系统（图S1）。所用土壤为粉壤土（表S1），施用了颗粒状复合肥料（N-P₂O₅-K₂O = 15-10-15，来自湖北E-Zhong生态工程公司），其中含有0.15 mg/kg的氨氮、347.26 mg/kg的硝酸盐氮和0.15 mg/kg的亚硝酸盐氮。

温室条件下土壤HONO排放的变化

据我们所知，目前尚未有关于温室条件下施肥处理后HONO排放的研究。图1b和图S2展示了不同栽培阶段温室土壤中的HONO排放通量。施肥前，HONO的最大和平均排放量分别为4.5 ng N m^-2 s^-1和1.57 ng N m^-2 s^-1；施肥后，HONO排放量波动较大，峰值达到18.89 ng N m^-2 s^-1。

结论

总之，本研究表明温室土壤是HONO排放的重要来源，应将其纳入全球大气预算。温室独特的环境条件可能限制了水分含量（VWC）对HONO通量的调节作用。实际上，HONO排放主要受土壤电导率（EC和pH值）和温度（TEMP）的影响，其中电导率是关键因素。

作者贡献声明

丁翔：研究工作。程亚芳：概念设计。苏航：写作、审稿与编辑、监督、资金获取、概念设计。张赛伟：初稿撰写、方法学研究、数据管理。周敏：初稿撰写、方法学研究、数据管理。钱晓勇：写作、审稿与编辑、研究工作。王红丽：写作、审稿与编辑、研究工作。赵叶飞：研究工作。曾家成：研究工作。吴宇航：

数据可用性

序列数据已存储在NCBI生物项目中（访问号：PRJNA1171883），可根据需求提供。

符号和缩写列表

AmoCAB

氨氮	Ammonia nitrogen
编码氨单加氧酶C、A和B亚基的基因簇
AmoCAB_A	编码氨氧化古菌中氨单加氧酶C、A和B亚基的基因簇
AmoCAB_B	编码氨氧化细菌中氨单加氧酶C、A和B亚基的基因簇
ANOSIM	相似性分析
AOA

利益冲突声明

作者声明与本研究无关的任何利益冲突。

致谢

本研究得到了中华人民共和国科技部的国家重点研发计划的支持（项目编号：2022YFE0137100）。