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Comparative assessment of nitrogen fixation rate by ^(15)N_(2) tracer assays in the South China Sea
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作者 Danyang Li Minfang Zheng +5 位作者 Yusheng Qiu Limin Lai Nengwang Chen Hongmei Jing Run Zhang Min Chen 《Acta Oceanologica Sinica》 SCIE CAS CSCD 2023年第1期75-82,共8页
Nitrogen fixation is one of the most important sources of new nitrogen in the ocean and thus profoundly affects the nitrogen and carbon biogeochemical processes.The distribution,controlling factors,and flux of N2 fixa... Nitrogen fixation is one of the most important sources of new nitrogen in the ocean and thus profoundly affects the nitrogen and carbon biogeochemical processes.The distribution,controlling factors,and flux of N2 fixation in the global ocean remain uncertain,partly because of the lack of methodological uniformity.The^(15)N_(2)tracer assay(the original bubble method→the^(15)N_(2)-enriched seawater method→the modified bubble method)is the mainstream method for field measurements of N2 fixation rates(NFRs),among which the original bubble method is the most frequently used.However,accumulating evidence has suggested an underestimation of NFRs when using this method.To improve the availability of previous data,we compared NFRs measured by three^(15)N_(2)tracer assays in the South China Sea.Our results indicate that the relationship between NFRs measured by the original bubble method and the^(15)N_(2)-enriched seawater method varies obviously with area and season,which may be influenced by incubation time,diazotrophic composition,and environmental factors.In comparison,the relationship between NFRs measured by the original bubble method and the modified bubble method is more stable,indicating that the N2 fixation rates based on the original bubble methods may be underestimated by approximately 50%.Based on this result,we revised the flux of N2 fixation in the South China Sea to 40 mmol/(m2·a).Our results improve the availability and comparability of literature NFR data in the South China Sea.The comparison of the^(15)N_(2)tracer assay for NFRs measurements on a larger scale is urgently necessary over the global ocean for a more robust understanding of the role of N2 fixation in the marine nitrogen cycle. 展开更多
关键词 n2 fixation rate South China Sea ^^(15)n_(2)tracer assay
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利用^(15)N_(2)直接标记法研究水稻种植对稻田固氮量和固氮活性的影响 被引量:3
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作者 张燕辉 胡天龙 +7 位作者 王慧 靳海洋 刘本娟 刘红涛 刘琦 林志斌 蔺兴武 谢祖彬 《土壤》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期739-745,共7页
稻田固氮对土壤维持肥力有着重要的作用,但水稻种植与固氮菌及其活性之间的关系尚不清楚。本试验利用15N2直接标记法测定了下位砂姜土发育的简育水耕人为土在种水稻和不种水稻条件下的生物固氮量,及其在土壤不同层次(0~1、1~5、5~15 cm... 稻田固氮对土壤维持肥力有着重要的作用,但水稻种植与固氮菌及其活性之间的关系尚不清楚。本试验利用15N2直接标记法测定了下位砂姜土发育的简育水耕人为土在种水稻和不种水稻条件下的生物固氮量,及其在土壤不同层次(0~1、1~5、5~15 cm)和水稻中的分配,并通过实时荧光定量PCR技术测定了土壤中固氮菌nifH DNA及RNA基因数量。结果表明:种水稻处理显著提高了土壤各层固氮量,尤其提高了1~5 cm和5~15 cm土层土壤固氮量对总固氮量的贡献;种水稻处理的总固氮量是不种水稻处理的10.3倍;水稻植株中生物固定的氮占总固氮量的31.48%;在0~1 cm土层,种水稻处理显著提高了nifH RNA基因数量,而对nifH DNA基因数量的增加不显著。可见,水稻种植没有增加固氮菌的数量,稻田固氮量的增加是因为水稻种植极大地促进了固氮菌nifH基因的表达,提高了固氮菌的固氮活性。 展开更多
关键词 生物固氮 固氮活性 稻田 ^^(15)n_(2)直接标记法 nifH反转录
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玉米生长条件下潮土N_(2)O排放来源定量解析 被引量:2
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作者 刘耀斌 徐聪 +4 位作者 汪吉东 王磊 韩笑 纪程 张永春 《生态与农村环境学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第11期1449-1457,共9页
明确土壤N_(2)O排放来源是阐明N_(2)O产生机制、估算氮肥排放系数的关键。为探究外源氮施用对土壤-作物系统N_(2)O排放的影响,以潮土为研究对象,以玉米为供试作物,设置未施氮肥未种植玉米(N0P0)、未施氮肥种植玉米(N0P1)、施氮肥未种植... 明确土壤N_(2)O排放来源是阐明N_(2)O产生机制、估算氮肥排放系数的关键。为探究外源氮施用对土壤-作物系统N_(2)O排放的影响,以潮土为研究对象,以玉米为供试作物,设置未施氮肥未种植玉米(N0P0)、未施氮肥种植玉米(N0P1)、施氮肥未种植玉米(N1P0)、施氮肥种植玉米(N1P1)4个处理,采用15 N示踪方法区分N_(2)O排放来源,定量解析N_(2)O排放规律。结果显示,与未施氮处理相比,外源氮施用显著增加土壤N_(2)O排放总量(P<0.05),土壤本底及氮肥对N_(2)O排放总量的贡献分别为22.5%和77.5%。种植玉米和未种植玉米处理外源氮施用后土壤本底N_(2)O排放均显著提高,增加比例为162%~460%(P<0.05)。施氮后增加的土壤本底N_(2)O排放量(以N计)为4.16~6.98 mg·m^(-2),约占N_(2)O总排放的13.7%~18.1%。施氮处理土壤CO_(2)排放量显著高于未施氮处理(P<0.05),且CO_(2)排放量与施氮导致的土壤本底N_(2)O排放增加量呈显著线性正相关(P<0.01),说明施氮促进土壤本底N_(2)O排放与土壤有机质周转加快有关。双因素方差分析结果表明,施氮与种植玉米的交互作用对N_(2)O排放及其来源影响显著(P<0.01)。相比N1P0处理,N1P1处理N_(2)O总排放量显著降低55.0%(P<0.05),但施氮促进土壤本底N_(2)O排放比例增加。N1P0处理土壤无机氮(NO_(3)^(-)-N和NH_(4)^(+)-N)总含量显著高于N1P1处理,而其中的NH_(4)^(+)-N含量显著低于N1P1处理(P<0.05),表明玉米种植显著影响土壤氮素去向及转化过程。在土壤-作物系统中,外源氮施用除导致大量N_(2)O直接排放外,还会显著提升土壤本底N_(2)O排放量及排放比例,且作物生长对N_(2)O排放来源影响显著。在集约化种植的潮土区,除控制肥料源N_(2)O排放外,还应重视土壤本底N_(2)O排放风险。 展开更多
关键词 外源氮 土壤-作物系统 土壤本底 n_(2)O ^^(15)n示踪
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储存条件对气态和液态样品^(15)N丰度的影响
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作者 何梦秋 温腾 张金波 《土壤学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第3期797-807,共11页
^(15)N稳定同位素技术已经广泛应用于土壤、水体氮循环研究中,不同形态样品的^(15)N丰度是该类研究的关键数据。样品储存是实验过程中最基础也是极其重要的一步,储存过程中的不确定性可能影响样品^(15)N丰度。以不同气态和液态样品为对... ^(15)N稳定同位素技术已经广泛应用于土壤、水体氮循环研究中,不同形态样品的^(15)N丰度是该类研究的关键数据。样品储存是实验过程中最基础也是极其重要的一步,储存过程中的不确定性可能影响样品^(15)N丰度。以不同气态和液态样品为对象,研究储存容器、温度、时间、样品前处理等因素对样品^(15)N丰度的影响。结果表明:对于气态样品,铝箔气袋稳定储存N_(2)O样品的时间很短,在第10天^(15)N丰度就明显发生变化;而螺口顶空瓶+丁基塞和钳口顶空瓶+丁基塞稳定储存时间可长达200 d左右。对于自然丰度的土壤浸提液,NO_(3)^(-)的^(15)N丰度在4℃和-20℃下可稳定储存10 d无明显变化,储存30 d则明显变化;而NH_(4)^(+)的^(15)N丰度在-20℃下可稳定储存60 d后才有明显变化,但在4℃下只能稳定储存10 d。对于^(15)N富集的土壤浸提液,NO_(3)^(-)的^(15)N丰度在稳定储存160 d后发生变化;但其NH_(4)^(+)的^(15)N丰度在-20℃下仅能稳定储存30 d,4℃下仅能稳定储存10 d。对于自然丰度的河水样品,其NO_(3)^(-)和NH_(4)^(+)的δ^(15)N值在4℃或-20℃下稳定储存10 d后均发生变化。储存条件会显著影响气态和液态样品的^(15)N丰度,这些研究结果为^(15)N稳定同位素研究中样品储存提供了科学依据。 展开更多
关键词 n_(2)O 土壤浸提液 河水 储存条件 ^^(15)n
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秸秆添加量对土壤生物固氮速率和固氮菌群落特征的影响 被引量:9
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作者 李旭 董炜灵 +6 位作者 宋阿琳 李艳玲 卢玉秋 王恩召 刘雄舵 王萌 范分良 《中国农业科学》 CAS CSCD 北大核心 2021年第5期980-991,共12页
[目的]研究不同秸秆添加量对土壤固氮速率及固氮菌群落结构的影响,为我国秸秆还田及化肥减施增效提供支持。[方法]采用室内培养试验,除对照(C0:0)外共设5个秸秆添加梯度(Cl:0.2 mg·g^(-1);C2:1.0 mg·g^(-1);C3:2.0 mg·g^... [目的]研究不同秸秆添加量对土壤固氮速率及固氮菌群落结构的影响,为我国秸秆还田及化肥减施增效提供支持。[方法]采用室内培养试验,除对照(C0:0)外共设5个秸秆添加梯度(Cl:0.2 mg·g^(-1);C2:1.0 mg·g^(-1);C3:2.0 mg·g^(-1);C4:4.0 mg·g^(-1);C5:10.0 mg·g^(-1)),采用15N2标记的方法,在黑暗条件下培养28 d后收集土壤样品,进而对生物固氮速率进行定量,利用Illumina PE250高通量测序和荧光定量PCR技术分析固氮功能基因nifH的丰度及群落特征。[结果]随着秸秆添加量的增加,土壤硝态氮含量显著下降,铵态氮含量无显著变化,土壤pH有下降趋势。同时,生物固氮速率显著增加,C3、C4及C5处理在培养期间(28d)潜在固氮速率为87-96 kgN·hm^(-2)·a^(-1),相比于对照提高了38.1%-52.4%。各处理固氮微生物nifH基因拷贝数变化范围为5.48×10^(7)—9.20×10^(7) copies/(g soil),其中,相比于C0,C4及C5处理固氮微生物nifH基因拷贝数均显著提高(P<0.05)。随着秸秆添加量的增加,C4、C5水平的香农-威尔指数显著低于其他4个处理(P<0.05),其他4个处理多样性无显著差异。主成分分析(PCoA)结果显示土壤固氮微生物群落结构主要因秸秆添加量差异而聚集为不同组别。固氮微生物在门水平上分为变形杆菌(Proteobacteria),蓝细菌(Cyanobacteria),厚壁菌(Firmicutes)和放线菌(Actinobacteria)和螺旋体菌(Spirochaetes)。随着秸秆添加量的增加,蓝细菌相对丰度有先增加再降低的趋势;在属水平上,不同优势菌属对秸秆添加量的响应存在明显差异,慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)为数量最丰富菌属,随着秸秆添加量的增加,C5相较于C0、C1、C2、C3水平相对丰度差异显著(P<0.05),显著增加了12.07%-14.13%。与生物固氮速率呈正相关的贺氏伪枝藻属(Scytonema hofmanni)随着秸秆添加量的增加其相对丰度逐渐增加,但当秸秆添加量达C5水平其相对丰度反而降低(P<0.05)。同时,最小偏二乘路径分析(PLS-PM),冗余分析(RDA)及相关性分析表明生物固氮速率和土壤固氮微生物群落受秸秆添加量和MO3--N含量影响较大。[结论]土壤生物固氮速率随着秸秆添加量的增加而增加,秸秆对固氮的促进作用主要源于秸秆添加降低了土壤NO_(3)^(-)-N含量,进而促进慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)、贺氏伪枝藻属(Scytonema hofmanni)和固氮螺菌属(Azospirillum)等固氮菌属微生物的生长。根据本试验结果计算,相比于不添加秸秆,添加秸秆4.0 mg·g^(-1)后,土壤生物固氮速率约增加26 kg N·hm^(-2)·a^(-1),可显著降低我国氮肥需求。 展开更多
关键词 固氮微生物 秸秆还田 固氮速率 ^^(15)n_(2)定量 nIFH
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沼液与园林废弃物共堆肥下的氮素转化及其微生物作用机制 被引量:1
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作者 梁晓烽 王虹 +5 位作者 李玉中 杨睿 张冬冬 周晚来 戚智勇 林伟 《应用生态学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第7期1745-1753,共9页
我国每年产生大量的园林废弃物,外加尿素和菌剂的堆肥方式使其可以被大量处置和循环利用,但该方法存在严重的氮素损失和环境问题。沼液含有一定的氮源和微生物,理论上可以作为尿素和菌剂的替代物从而减少氮素损失。本研究设置了沼液+园... 我国每年产生大量的园林废弃物,外加尿素和菌剂的堆肥方式使其可以被大量处置和循环利用,但该方法存在严重的氮素损失和环境问题。沼液含有一定的氮源和微生物,理论上可以作为尿素和菌剂的替代物从而减少氮素损失。本研究设置了沼液+园林废弃物(GB)、沼液+园林废弃物+尿素(GBU)和沼液+园林废弃物+尿素+菌剂(GBUM)处理,研究堆肥过程的腐熟、氮素转化及损失情况。结果表明:与GBU和GBUM处理相比,GB处理的高温期更长且更稳定,同时具有更适合堆肥的pH和电导率(EC)以及最高的发芽指数(221.8%)。GB处理NH_(3)和N_(2)O的排放速率分别为2.59 mg·kg^(-1)·d^(-1)和3.65μg·kg^(-1)·d^(-1),比GBU处理分别降低99.0%和50.0%,比GBUM处理分别降低99.4%和40.7%。δ^(18)O和δ^(15)NSP双同位素图谱技术分析显示,GB和GBU处理以反硝化作用为主,且GB处理反硝化作用贡献高于GBU处理,而GBUM处理以硝化作用为主;GB处理的N_(2)O还原程度(83.7%)大于GBU和GBUM处理。可见,与GBU和GBUM处理相比,GB处理的腐熟度更好、氮素损失更低,并通过增强反硝化作用的N_(2)O还原过程减少了N_(2)O排放。综上,沼液与园林废弃物可以在不受C/N与微生物的限制下直接共堆肥,这种方式既保护了环境,又节约了资源,在实际生产中可以实现废弃物的循环再利用。 展开更多
关键词 园林废弃物 沼液堆肥 nH_(3) n_(2)O还原 ^δ^(15)nSP
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Heterotrophy-coordinated diazotrophy is associated with significant changes of rare taxa in soil microbiome 被引量:1
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作者 Wei GAO Lianfeng WANG Zhongjun JIA 《Pedosphere》 SCIE CAS CSCD 2022年第3期402-413,共12页
Soil heterotrophic respiration during decomposition of carbon(C)-rich organic matter plays a vital role in sustaining soil fertility.However,it remains poorly understood whether dinitrogen(N_(2))fixation occurs in sup... Soil heterotrophic respiration during decomposition of carbon(C)-rich organic matter plays a vital role in sustaining soil fertility.However,it remains poorly understood whether dinitrogen(N_(2))fixation occurs in support of soil heterotrophic respiration.In this study,^(15)N_(2)-tracing indicated that strong N_(2)fixation occurred during heterotrophic respiration of carbon-rich glucose.Soil organic ^(15)N increased from 0.37 atom%to 2.50 atom%under aerobic conditions and to 4.23 atom%under anaerobic conditions,while the concomitant CO_(2)flux increased by 12.0-fold under aerobic conditions and 5.18-fold under anaerobic conditions.Soil N_(2)fixation was completely absent in soils replete with inorganic N,although soil N bioavailability did not alter soil respiration.High-throughput sequencing of the 16S rRNA gene further indicated that:i)under aerobic conditions,only 15.2%of soil microbiome responded positively to glucose addition,and these responses were significantly associated with soil respiration and N_(2)fixation and ii)under anaerobic conditions,the percentage of responses was even lower at 5.70%.Intriguingly,more than 95%of these responses were originally rare with<0.5%relative abundance in background soils,including typical N_(2)-fixing heterotrophs such as Azotobacter and Clostridium and well-recognized non-N_(2)-fixing heterotrophs such as Sporosarcina,Agromyces,and Sedimentibacter.These results suggest that only a small portion of the soil microbiome could respond quickly to the amendment of readily accessible organic C in a fluvo-aquic soil and highlighted that rare phylotypes might have played more important roles than previously appreciated in catalyzing soil C and nitrogen turnovers.Our study indicates that N_(2)fixation could be closely associated with microbial turnover of soil organic C when available in excess. 展开更多
关键词 rare phylotypes DIAZOTROPHS heterotrophic respiration n_(2)fixation ^^(15)n_(2)-tracing
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