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.     

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.     

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.     

真菌对土壤N2O释放的贡献及其研究方法

N₂O是一种重要的温室气体,而土壤作为N₂O的重要来源之一,其N₂O主要产生于硝化和反硝化作用的生物过程.研究表明细菌和古菌是这些生物过程的主要参与者,然而在特定土壤生态系统中,真菌在N循环过程中起主要作用.但真菌对土壤N₂O释放贡献的研究报道甚少.本文阐述了土壤真菌N₂O产生机制的研究进展,介绍了自养硝化、异养硝化和反硝化过程的发生机理、关键微生物和功能基因.详细介绍了与真菌有关的N₂O产生过程,真菌的异养硝化作用和反硝化作用,并且比较了真菌和细菌反硝化系统的差异.此外,本文重点总结了研究土壤真菌N₂O产生的主要方法,包括选择抑制剂法、^15N标记、分离和纯培养以及免培养的分子生态学方法,对各种方法的优势和弊端进行了探讨,并对今后的研究工作提出了展望.     

箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展

碳(CO₂、CH₄)、氮(N₂O)和水汽(H₂O)等温室气体的交换通量是生态系统物质循环的核心, 是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。稳定同位素光谱和质谱技术和方法的进步使碳稳定同位素比值(δ ¹³C)和氧稳定同位素比值(δ ¹⁸O)(CO₂)、δ ¹³C (CH₄)、氮稳定同位素比值(δ ¹⁵N)和δ ¹⁸O (N₂O)、氢稳定同位素比值(δD)和δ ¹⁸O (H₂O)的观测成为可能, 与箱式通量观测技术和方法结合可以实现土壤、植物乃至生态系统尺度温室气体及其同位素通量观测研究。该综述以CO₂及其δ ¹³C通量的箱式观测技术和方法为例, 概述了箱式通量观测系统的基本原理及分类, 阐述了系统设计的理论要求和假设, 综述了从野外到室内土壤、植物叶-茎-根以及生态系统尺度箱式通量观测研究的应用进展及问题, 展望了气体分析精度和准确度、观测数据精度和准确度以及观测数据的代表性评价在箱式通量观测研究中的重要性。     

浮游动物稳定碳、氮同位素特征及其在水生态系统研究中的应用

浮游动物在水域生态系统食物网中起着承上启下的作用,其稳定碳、氮同位素(δ¹³C、δ¹⁵N)被广泛用于研究对食物资源的利用,揭示物质循环路径及与其他生物之间的营养关系等.浮游动物的稳定同位素也常用于解释初级生产力,判断水体污染物和环境变化过程.明确浮游动物稳定同位素组成的时空变化及影响因子,对于以其稳定同位素组成作为研究水生态系统生态过程和环境变化的指示物尤为重要.本综述基于国内外学者对水生态系统中浮游动物δ¹³C、δ¹⁵N特征及其应用的研究成果,梳理了浮游动物δ¹³C 和δ¹⁵N在不同类型水体、不同类群及时空变化的差异:浮游动物δ¹³C和δ¹⁵N时空变化则主要受食物来源及其同位素组成的影响,后者又受到初级生产力和氮源及水体物理化学性质等因素的影响.未来,浮游动物稳定同位素技术通过与新兴污染物、新兴技术及统计分析方法结合,将在地学、生物学等领域形成多手段、多学科、多尺度的研究方向.     

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.     

黔西南北盘江镇喀斯特高原峡谷区植被演替阶段碳氮稳定同位素特征

为了探究森林不同演替阶段碳氮(C、N)、稳定碳氮同位素值(δ¹³C、δ¹⁵N)随演替发生的变化特征与内在联系,该文以喀斯特高原峡谷区草灌、灌木、乔灌和乔木4个演替阶段的森林植物群落为研究对象,测定了叶片-凋落物-土壤的C、N及稳定同位素值,并分析其在不同层次间的互作效应。结果表明：(1)喀斯特地区森林叶片-凋落物-土壤δ¹³C值分别为-31.31‰～-28.23‰、-29.96‰～-20.07‰、-26.83‰～-21.14‰,相应的δ¹⁵N值依次为-3.41‰～1.54‰、-2.61‰～0.99‰、5.36‰～8.63‰,总体上土壤表现出富集效应。(2)伴随着演替发生,叶片δ¹³C值与土壤δ¹⁵N值均为先减小后增大,土壤、凋落物δ¹³C值呈降低趋势,叶片和凋落物δ¹⁵N值均无明显变化规律。(3)乔灌阶段叶片-土壤δ¹⁵N值最低,表明该阶段生态系统N饱和程度较小,N含量相对亏缺。(4)叶片-...     

不同林型地表甲虫食性及营养级关系：基于碳氮稳定同位素分析

土壤动物联结着生态系统地上与地下部分的物质循环和能量流动,对生态系统的结构、功能及过程起着重要的调控作用。地表甲虫作为典型的大型土壤动物,在食物网中占有重要的位置,因此对不同林型地表甲虫的δ¹³C、δ¹⁵N同位素特征及营养关系研究对了解森林土壤动物的食性特征进而保护森林生物多样性是十分必要的。采集了小兴安岭凉水自然保护区6种不同林型的地表甲虫共10科31种,利用稳定同位素技术测定了甲虫中的δ¹³C、δ¹⁵N含量,并分析不同林型内地表甲虫的δ¹³C、δ¹⁵N值及营养级差异。结果表明6、7月份不同林型地表甲虫的δ¹³C、δ¹⁵N值差异显著(P<0.05),其中δ¹³C值在原始阔叶红松林和次生白桦林显著高于落叶松人工林和阔叶红松择伐林。δ¹⁵N值在阔叶红松择伐林显著高于其他5种林型。不同林型地表甲虫的营养级差异显著(P<0.05),林型内各物种营养级差异不显著(P...     

东北森林两种典型阔叶树种子和幼苗对15N同位素的富集响应

以东北森林两种典型的阔叶树种风力传播种子——花曲柳和色木槭种子为研究对象,通过室内¹⁵N尿素浸泡试验和温室盆栽试验,设置4个浓度(0、0.05、0.1和0.2 g·L^-1)、3个浸泡时间(4、8和12 d)与4个叶期(2、4、6和8叶)处理,研究种子浸泡浓度、浸泡时间和幼苗叶期对种子和幼苗¹⁵N富集的影响.结果表明: 浸泡浓度和浸泡时间对两树种种子δ¹⁵N值均有显著的正反馈作用,高浓度和长时间(0.2 g·L^-1+12 d)更有利于种子¹⁵N总量的富集,花曲柳和色木槭种子¹⁵N同位素最大富集倍数的浸泡浓度和浸泡时间组合分别为0.1 g·L^-1+(4、8 d)和0.05 g·L^-1+(4、8 d);δ¹⁵N值稀释率随幼苗株高的增加先急剧减少(2~6叶)后趋于稳定,幼苗从8叶开始叶片¹⁵N总量降低,表明6叶幼苗更适合追踪幼苗的来源;幼苗叶片δ¹⁵N值与种子浸泡浓度、浸泡时间和种子的δ¹⁵N值呈显著正相关.花曲柳和色木槭种子及幼苗均能成功富集到¹⁵N信号,采用0.1 g·L^-1+8 d+6叶组合最适合追踪花曲柳和色木槭种子和幼苗.     

铵盐和硝酸盐稳定同位素丰度测定方法及其应用案例

综述了过去几十年来铵盐和硝酸盐稳定同位素丰度测定方法的历史发展变化,分析了各种方法的优缺点,并对新方法作了介绍和推荐.目前铵盐稳定同位素丰度的最新测定方法为次溴酸盐氧化结合羟胺还原法,硝酸盐氮氧同位素丰度主流的测定方法为反硝化细菌法和镉粉叠氮酸还原化学法.这些方法的主要共同特点是以N₂O为分析物,分析精度高,对样品的含氮量需求小,一般只需要10～60 nmol N,适用于低浓度样品.新方法的建立对于国内外开展氮素循环研究将起到极大的推动作用.     

土壤水分对土壤产生气态氮的厌氧微生物过程的影响

气态氮[一氧化氮(NO)、氧化亚氮(N2O)和氮气(N2)]的释放是土壤氮损失的一种重要途径.硝化和反硝化作用是土壤气态氮损失的主要微生物过程,但是异养硝化作用、共反硝化作用和厌氧氨氧化过程对土壤气态氮损失的贡献尚不清楚.本研究利用15N标记和配对法,结合硝化抑制剂双氰胺(DCD),通过土壤培养试验来量化厌氧条件下各种...     

工厂化堆肥温室气体排放和氨气同位素特征

畜禽废弃物堆肥处理过程中产生的二氧化碳(CO₂)、氧化亚氮(N₂O)、甲烷(CH₄)和氨气(NH₃)等是重要的温室气体和大气污染物。但目前有关该过程气体排放的研究多基于室内小型模拟的反应器式堆肥,在工厂化堆肥条件下的原位气体排放监测较少。为探究工厂化堆肥产生气体对区域环境的影响,本研究对沈阳某堆肥厂畜禽废弃物堆体的气体排放进行了19 d的监测,并量化了排放氨气的自然丰度¹⁵N(δ¹⁵N)特征。结果表明: 堆置周期内,CO₂、CH₄、N₂O和NH₃的平均排放速率分别为86.8 g CO₂-C·d^-1·m^-2、9.8 g CH₄-C·d^-1·m^-2、3.7 mg N₂O-N·d^-1·m^-2和736.6 mg NH₃-N·d^-1·m^-2。温室气体日增温潜势(GWP)的贡献大小为CH₄>CO₂>NH₃(间接)>N₂O,其中CH₄贡献了65％。堆肥排放NH₃的δ¹⁵N在-21.8‰～-7.2‰,平均-11.6‰±1.2‰。本研究结果可为区域畜禽废弃物堆肥过程中温室气体排放的核算及大气氨溯源提供数据支持。     

南海中西部海域鸢乌贼中型群和微型群的营养生态位

为了深入了解南海鸢乌贼不同种群的碳氮稳定同位素特征及营养生态位之间的关系,于2017年8月在南海中西部海域采集其中型群和微型群样品,分析不同胴长组的碳氮稳定同位素值和营养级变化,并比较其营养生态位差异.结果表明:中型群鸢乌贼的δ^13C范围在-19.54‰^-18.10‰,δ^15N范围在7.79‰~9.45‰,营养级范围在2.72~3.21,平均营养级为2.90;微型群鸢乌贼的δ^13C范围为-19.69‰^-18.43‰,δ^15N范围为8.02‰~8.99‰,营养级范围为2.79~3.08,平均营养级为2.91.两个鸢乌贼种群间δ^13C差异不显著,δ^15N差异显著.胴长显著影响了鸢乌贼的δ^13C和δ^15N值,且随着胴长的增大,δ^15N值有增大的趋势.中型群鸢乌贼的营养生态位宽幅和营养级的多样性程度都大于微型群.     

东北森林两种典型阔叶树种子和幼苗对15N同位素的富集响应

以东北森林两种典型的阔叶树种风力传播种子——花曲柳和色木槭种子为研究对象,通过室内¹⁵N尿素浸泡试验和温室盆栽试验,设置4个浓度(0、0.05、0.1和0.2 g·L^-1)、3个浸泡时间(4、8和12 d)与4个叶期(2、4、6和8叶)处理,研究种子浸泡浓度、浸泡时间和幼苗叶期对种子和幼苗¹⁵N富集的影响.结果表明: 浸泡浓度和浸泡时间对两树种种子δ¹⁵N值均有显著的正反馈作用,高浓度和长时间(0.2 g·L^-1+12 d)更有利于种子¹⁵N总量的富集,花曲柳和色木槭种子¹⁵N同位素最大富集倍数的浸泡浓度和浸泡时间组合分别为0.1 g·L^-1+(4、8 d)和0.05 g·L^-1+(4、8 d);δ¹⁵N值稀释率随幼苗株高的增加先急剧减少(2~6叶)后趋于稳定,幼苗从8叶开始叶片¹⁵N总量降低,表明6叶幼苗更适合追踪幼苗的来源;幼苗叶片δ¹⁵N值与种子浸泡浓度、浸泡时间和种子的δ¹⁵N值呈显著正相关.花曲柳和色木槭种子及幼苗均能成功富集到¹⁵N信号,采用0.1 g·L^-1+8 d+6叶组合最适合追踪花曲柳和色木槭种子和幼苗.