本次分享一篇由丹麥奧胡斯大學(xué)團(tuán)隊在《Soil Biology and Biochemistry》上發(fā)表的一篇學(xué)術(shù)論文"Visualizing small-scale subsurface NH3 and pH dynamics surrounding nitrogen fertilizer granules and impacts on nitrification activity。本文研究了農(nóng)業(yè)土壤中氮肥顆粒周圍小尺度（毫米級）的氨（NH3）和pH動態(tài)變化，以及這些變化對硝化作用活性的影響。

研究亮點(diǎn)（Highlights）：

• 1. 研究開發(fā)了一種新型的光電極系統(tǒng)，用于可視化氮肥顆粒產(chǎn)生的小尺度NH3和pH變化。

• 2. 尿素顆粒產(chǎn)生的NH3和pH水平較高，而氯化銨顆粒產(chǎn)生的NH3水平較低，pH動態(tài)變化不同。

• 3. 硝化作用活性在氯化銨顆粒附近最高，并隨距離增加而降低。

• 4. 尿素顆粒附近硝化作用活性較低，并隨距離增加而增加。

• 5. 氨氧化細(xì)菌的amoA基因轉(zhuǎn)錄在遠(yuǎn)離氯化銨顆粒的地方受到抑制，在靠近尿素顆粒的地方增加。

在本文中，平面光極(optode)系統(tǒng)被應(yīng)用于實(shí)時、連續(xù)地檢測和可視化亞毫米級尺度上由氮肥顆粒引起的土壤化學(xué)變化，特別是氨(NH3)和pH值的變化。這項(xiàng)技術(shù)使得研究人員能夠在實(shí)驗(yàn)室微宇宙室內(nèi)，對施用氯化銨(NH3)或尿素顆粒后的土壤進(jìn)行高時空分辨率的監(jiān)測。具體應(yīng)用如下：

1. 實(shí)時監(jiān)測：利用平面光極系統(tǒng)，研究人員能夠?qū)崟r監(jiān)測土壤中NH3和pH值的變化。

2. 高時空分辨率：該系統(tǒng)提供了小尺度空間(毫米級)和時間(0至3天)上NH3和pH值的高分辨率成像。

3. 土壤化學(xué)變化：通過平面光極系統(tǒng)，研究人員能夠觀察到施用氮肥后土壤化學(xué)成分的動態(tài)變化。

4. 氮肥顆粒的影響：研究比較了氯化銨(NH4Cl)和尿素顆粒對土壤微環(huán)境的影響，包括NH3的產(chǎn)生、擴(kuò)散和相關(guān)的pH變化。

5. 硝化作用活性：通過監(jiān)測NH3和pH的變化，研究人員能夠評估這些變化對硝化作用活性的影響。

6. 微生物活動：研究還探討了NH3和pH的梯度變化對土壤微生物群落，特別是氨氧化細(xì)菌(AOB)、古菌(AOA)和氨氧化菌(comammox)的基因和轉(zhuǎn)錄活性的影響。

7. 環(huán)境影響：研究結(jié)果有助于更好地理解氮肥施用對土壤環(huán)境的影響，以及如何通過管理措施減少氮的損失并提高氮的利用效率。

8. 實(shí)驗(yàn)設(shè)置：研究人員使用了一個特制的實(shí)驗(yàn)腔室，配備有平面光極，用于監(jiān)測土壤中的NH3和pH值。

9. 數(shù)據(jù)獲取：通過平面光極系統(tǒng)，研究人員能夠獲取土壤中NH3和pH值的二維圖像，從而直觀地展示NH3和pH的空間分布。

10. 概念驗(yàn)證：研究還進(jìn)行了概念驗(yàn)證，展示了使用平面光極系統(tǒng)在識別產(chǎn)生脲酶的病原體(如枯草桿菌Bacillus subtilis)方面的潛在應(yīng)用，而無需依賴于pH的變化。

這項(xiàng)研究是直接可視化施用氮肥顆粒后土壤中NH3濃度和pH值的小尺度亞表面變化，并將這些變化與硝化作用活性聯(lián)系起來。通過這項(xiàng)研究，研究人員能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)可持續(xù)性提供新的見解，并為提高肥料氮的利用效率和減少氮損失提供科學(xué)依據(jù)。

平面光極技術(shù)是當(dāng)今先進(jìn)的光電傳感技術(shù)之一，智感環(huán)境團(tuán)隊基于這種技術(shù)，相繼開發(fā)出了一種封閉式平面光極設(shè)備(PO2100)和一種便攜式平面光極設(shè)備(PO1100)，可實(shí)現(xiàn)沉積物/土壤/植物根際/水體中pH、DO和CO2的實(shí)時高分辨率檢測，這在光電傳感技術(shù)領(lǐng)域是一項(xiàng)重要的突破。