稳定同位素技术在土壤N2O溯源研究中的应用

氧化亚氮(N₂O)作为三大温室气体之一,追溯其来源已经成为研究热点,稳定同位素技术在土壤N₂O来源追踪方面已得到广泛应用.本文概述了产生N₂O的微生物、产生过程及其主要影响因素,综述了国内外关于利用N₂O同位素特征值δ¹⁵N、δ¹⁸O和SP值(N₂O分子内¹⁵N在不同位置上的位嗜值)分析其来源的研究进展,以期为今后相关研究提供参考.其中关于SP的研究在国内尚属初级阶段,因此本文重点介绍国外SP在其溯源上的研究情况,并对今后国内相关研究提出一点看法.     

有机肥和无机肥对菜地土壤N2O排放及其来源的影响

以北京地区白菜地为研究对象进行肥料试验,结合乙炔抑制试验设置有机肥乙炔组、有机肥无乙炔组、无机肥(尿素)乙炔组、无机肥无乙炔组4个处理,利用N₂O稳定同位素自然丰度技术,研究菜地土壤N₂O排放通量和同位素特征值的变化规律,旨在明确在不同肥料作用下N₂O产生和消耗的微生物途径,为减少菜地N₂O排放和科学施肥提供理论依据.结果表明: 在白菜生长期内有机肥乙炔组、有机肥无乙炔组、无机肥乙炔组、无机肥无乙炔组的N₂O总排放量分别为(374±37)、(283±34)、(458±36)、(355±41) g·m^-2,有机肥处理的N₂O通量显著低于无机肥处理,乙炔组的N₂O通量显著高于无乙炔组;两种肥料处理的N₂O还原程度基本相同,而无机肥处理的硝化作用更高;乙炔仅抑制部分硝化作用,在N₂O排放高峰期也仅抑制部分N₂O还原,当排放降低时才能完全抑制N₂O还原.可见,无机肥尿素能够促进硝化作用进而增加N₂O排放,高浓度的N₂O对乙炔抑制N₂O还原起拮抗作用.因此,在北京地区菜地使用有机肥替代部分无机肥可以有效减少硝化作用触发的土壤N₂O排放,同时在使用乙炔抑制方法研究N₂O来源时应考虑合理的N₂O浓度阈值.     

不同灌溉量对华北平原菜地N2O排放及其来源的影响

以华北平原菜地为研究对象,通过控制灌溉量设置不同的土壤水分对照,利用稳定同位素¹⁵N自然丰度法,结合传统的乙炔抑制试验,对不同土壤水分条件下的N₂O排放、N₂O同位素特征值以及同位素异位体位嗜值(SP值)变化规律进行分析,以阐明不同水分条件下N₂O的排放规律及其来源.结果表明:水分条件显著影响N₂O排放,相比于50%土壤孔隙含水率(WFPS),70%WFPS的水分条件下N₂O的排放较高.N₂O的排放集中在施肥前期,在施肥中后期迅速减弱.50%WFPS条件下,N₂O的排放最初以硝化作用为主,占比约为90%,随后硝化作用迅速下降,反硝化变成主导作用,施肥7 d后即达到80%以上;而70%WFPS条件下初期则以反硝化为主,占比约为70%,随后下降至40%左右,施肥10 d后逐渐升高至80%.整体上,N₂O的排放主要以反硝化作用为主,不同水分处理对土壤硝化、反硝化作用的影响主要体现在施肥前期,后期均以反硝化为主.综上,建议华北地区的菜地生产应适当降低灌溉量,以减少N₂O排放.     

有机肥和无机肥对菜地土壤N2O排放及其来源的影响

以北京地区白菜地为研究对象进行肥料试验,结合乙炔抑制试验设置有机肥乙炔组、有机肥无乙炔组、无机肥(尿素)乙炔组、无机肥无乙炔组4个处理,利用N₂O稳定同位素自然丰度技术,研究菜地土壤N₂O排放通量和同位素特征值的变化规律,旨在明确在不同肥料作用下N₂O产生和消耗的微生物途径,为减少菜地N₂O排放和科学施肥提供理论依据.结果表明: 在白菜生长期内有机肥乙炔组、有机肥无乙炔组、无机肥乙炔组、无机肥无乙炔组的N₂O总排放量分别为(374±37)、(283±34)、(458±36)、(355±41) g·m^-2,有机肥处理的N₂O通量显著低于无机肥处理,乙炔组的N₂O通量显著高于无乙炔组;两种肥料处理的N₂O还原程度基本相同,而无机肥处理的硝化作用更高;乙炔仅抑制部分硝化作用,在N₂O排放高峰期也仅抑制部分N₂O还原,当排放降低时才能完全抑制N₂O还原.可见,无机肥尿素能够促进硝化作用进而增加N₂O排放,高浓度的N₂O对乙炔抑制N₂O还原起拮抗作用.因此,在北京地区菜地使用有机肥替代部分无机肥可以有效减少硝化作用触发的土壤N₂O排放,同时在使用乙炔抑制方法研究N₂O来源时应考虑合理的N₂O浓度阈值.     

山东潍坊地下水硝酸盐污染现状及δ15N溯源

采用均匀布点选取了山东潍坊居民区、粮田和蔬菜种植区等区域地下水为研究对象,分析了地下水硝态氮含量及污染来源,结果表明:潍坊地区地下水硝态氮平均含量为28.1 mg/L ,按照国家地下水质量标准(GB/T 14848-93)属于Ⅲ类水;饮用水井硝态氮平均含量为23.3 mg/L, 最高值达到了150 mg/L,对国家饮用水标准(10 mg/L)超标率高达73.5%,严重超标率达50%;不同土地利用方式下地下水硝态氮含量不同,设施蔬菜种植区最高,其次是露地蔬菜种植区, 小麦-玉米种植区地下水硝态氮含量较低,但都超过了WHO饮用水中硝酸盐的最大允许含量50 mg/L的规定(折合为硝态氮11.3 mg/L);硝酸盐与水质离子之间的相关性以及水质分析相关的派珀图分析显示地下水硝酸盐污染与氮肥施用有关;根据硝酸盐δ¹⁵N的稳定同位素溯源分析,潍坊地区地下水硝酸盐41.5%来自于化肥,14.6%来自于生活污水,其他是来自化肥、生活污水和家畜粪尿的混合污染。综上,潍坊市地下水硝酸盐污染非常严重,已经对当地居民的身体健康造成了潜在的威胁;因此,亟需从源头控制做起,减少肥料的过量投入和生活污水的随意排放,以控制硝酸盐的继续污染及改善当地水环境。