应用^(15)N自然丰度值揭示不同氮源对设施土壤氨挥发的贡献

【目的】我国设施蔬菜生产中普遍存在着氮肥施用过量、氨气(NH_(3))挥发损失严重等问题。通过^(15)N自然丰度法,研究不同肥料类型对土壤NH_(3)挥发的影响,并定量分析其贡献率,为实现降低氮素损失的氮肥科学管理提供依据。【方法】开展为期40天的番茄盆栽培养试验,供试土壤为棕壤,未施过肥也未种植过作物,供试作物为番茄。试验设置4个处理,即不施氮肥(CK)和等量施氮(N3 g/pot)条件下单施鸡粪有机肥(M)、单施尿素(U)、有机肥半量替代尿素(MU)处理。利用被动采样器测定了土壤NH_(3)挥发速率和累积排放量,并借助^(15)N自然丰度方法估算肥料和土壤氮对NH_(3)挥发的贡献。【结果】基肥施用后3~6天内,NH_(3)挥发速率迅速增加并达到高峰,之后逐渐降低,直至第33天恢复到施肥前水平。与MU和U处理相比,M处理的净NH_(3)挥发累积量分别显著降低了60.8%和63.1%(P<0.05),MU较U处理的NH_(3)减排效果不显著(4.62%),相应的NH_(3)挥发系数分别为1.37%(U)、1.29%(MU)及0.51%(M)。施肥处理中,δ^(15)N-NH_(3)值随NH_(3)挥发的进行而迅速降低,然后逐渐增加至施肥前水平,M处理的δ^(15)N-NH_(3)均值高于MU和U处理。^(15)N同位素混合方程计算显示,在番茄生产中肥料对NH_(3)挥发的贡献比例为:M处理中鸡粪贡献30.5%,U处理中尿素贡献53.1%,MU处理中鸡粪和尿素分别贡献28.6%和56.6%。【结论】等量施氮条件下,单施鸡粪产生的NH_(3)挥发量远低于尿素,鸡粪和尿素等量氮配施对NH_(3)挥发的减排效果不显著。根据同位素分馏效应计算结果,单施鸡粪、尿素对土壤NH_(3)挥发源的贡献比例分别为30.5%、53.1%,鸡粪和尿素配施时二者对土壤NH_(3)挥发源的贡献比例分别为28.6%、56.6%,贡献比例与单施差异不大。因此,控制化肥氮施用量是减少NH_(3)挥发的关键。

二氧化碳倍增对植物叶片^(15)N自然丰度的影响

大气CO_(2)浓度上升通常会提高植物生产力并伴随叶片氮含量的下降。然而大气CO_(2)如何影响叶片^(15)N丰度及其相关机理还不清楚。以小麦和向日葵为实验材料,测定了两个CO_(2)浓度(410与820μmol•mol^(-1))处理下叶片的氮同位比值(δ^(15)N)和氮含量。结果表明:小麦和向日葵叶片氮含量随CO_(2)浓度升高呈下降趋势,然而δ^(15)N对CO_(2)浓度倍增的响应存在差异。在高CO_(2)浓度处理下小麦叶片δ^(15)N显著下降6.5‰,而向日葵叶片δ^(15)N小幅上升2.1‰,且叶片和地上部生物量显著增加。基于此,小麦的氮营养特征符合氮同化受限假说,而向日葵符合稀释效应假说。小麦叶片δ^(15)N随叶龄或者细胞年龄的增加而显著下降,因此在利用^(15)N来研究植物氮代谢时需要区分叶龄的影响。整合分析结果表明,CO_(2)浓度升高导致非豆科C_(3)植物的δ^(15)N显著下降达0.3‰,与小麦的研究结果相符。综上所述,限制硝态氮同化是CO_(2)影响植物氮代谢和^(15)N丰度的重要机制。

应用^（15）N自然丰度法测定测固氮植物的固氮量Ⅲ．参比植物的选择

本文研究了应用^（１５）Ｎ自然丰度法测定所选用的参比植物（夏季和越冬草本豆科植物和灌木豆科植物）的固氮百分率。结果表明，参比植物选择的合适与否，对^（１５）Ｎ自然丰度法尤为重要，选择的参比植物不合适，不仅有可能使计算出的固氮百分率偏高或偏低，甚至会得出极不合理的数值，这也说明该法既有其独特的优点，但亦有相当大的局限性。

长期施用家畜废弃物堆肥对土壤剖面^(15)N自然丰度的影响

通过对两个长期田间试验的研究 ,分析了日本火山灰土 (Andisols)及其溶液中15N自然丰度(δ15N)在土壤剖面的分布 ,其目的是为了评价δ15N值能否作为预测家畜废弃物氮在迁移转化过程中形成的NO3 N污染的指标。在日本中央农业综合研究中心 (NARC)进行了 6年的试验处理包括 :猪场废弃物堆肥 (猪粪堆肥 ) ,缓释尿素 (缓释肥 ) ,普通铵态氮肥 (普通化肥 ) ,及不施肥 (对照 ) ;而在日本农业研究所(NARI)进行了 1 2年的试验则包括三个施用量的牛场废弃物堆肥 (牛粪堆肥 ) ,以该地长期不施肥的森林土壤 (森林 )作为对照。研究结果表明在NARC长期施用猪粪堆肥显著改变了δ15N值在土壤剖面的分布模式 ,猪粪堆肥小区 0～ 2 0cm的δ15N值最高 ,然后按对照≥普通化肥 >缓释肥排列 ,原因主要为猪粪堆肥本身的δ15N值较高及其随后在土壤中的转化等反应 ;缓释肥处理后的土壤δ15N值最低 ,表明缓释肥施入土壤后的循环速率较慢或相对于施肥量其损失较低。在NARI,土壤δ15N值随着施肥量的增加而升高。同样不施肥条件下 ,NARI的森林土壤剖面的δ15N值比相对应的NARC的对照土壤剖面值高 1～ 2个δ单位。NARC土壤剖面 1 0 0cm收集的土壤溶液的δ15N值的大小排列为 :猪粪堆肥 >普通化肥≥对照 >缓释肥 ;并且普通化肥小区土壤溶?

主要人为排放源中氮氧化物^(15)N自然丰度的测定

氮氧化物(NO_x=NO+NO_2)因其对环境和人类健康的威胁,成为大气中需要严格控制的一种痕量组分。首次运用化学转化法,通过将主要人为排放源废气中的氮氧化物(NO_x)转化为氧化亚氮(N_2O),测定气体中NO_x的15N自然丰度,即氮稳定同位素比值(δ15N-NO_x)。利用酸性氧化剂将NO_x氧化为硝酸(NO_3^-),并通过三氯化钒(VCl_3)和叠氮钠(NaN_3)的共同作用将其转化为N_2O,利用带有自动预浓缩装置的稳定同位素比值质谱计(PT-IRMS)测定δ15N-NO_x。该方法的测量精度可达0.09‰,所需样品量仅为7μg(以氮计),对火力发电站、机动交通工具等人为排放源均适用,测量精度和准确度可满足NOx相关研究的需求。

^(15)N自然丰度法分析甘蔗及近缘属野生种固氮效率

利用^(15)N同位素自然丰度法,在连续两年不施氮肥条件下,对甘蔗及近缘属野生种(材料)的固氮效率进行对比分析,同时筛选出适宜本试验研究的参比植物。试验结果表明,河八王及其后代材料表现出明显的高固氮能力,最高固氮率达到36.13%,最低的为甘蔗栽培种ROC22,固氮率仅为5.72%。银胶菊、胜红蓟和狗尾草与河八王1-1号的δ^(15)N值之差为3.13~3.50,是分析甘蔗及近缘属野生种固氮效率较理想的参比植物。

小长山岛3种大型海藻组织碳、氮含量和δ^(15)N值的环境指示意义

大型海藻组织碳、氮含量及δ^(15)N值的变化对于指示营养盐来源及营养盐评价研究具有重要的意义。为探究大型海藻组织碳、氮含量及δ^(15)N值的变化特征,于2020年7月至2021年6月逐月分析了小长山岛潮间带孔石莼(Ulva pertusa)、角叉菜(Chondrus ocellatus)、鼠尾藻(Sargassum thunbergii)3种大型海藻组织的碳、氮含量和δ^(15)N值的变化,并对其生长环境中海水的理化因子进行了测定。结果发现:孔石莼组织的氮含量与海水中的NO_(3)-N和DIN含量之间存在显著的相关性,角叉菜组织的氮含量与海水中的NH 3-N含量之间也存在显著的相关性。然而,大型海藻组织的碳含量和C/N比值与海水中的碳、氮营养盐之间并无显著的相关性。孔石莼组织的δ^(15)N值与海水中的NO_(3)-N和DIN含量之间也存在显著的相关性。因此,孔石莼适于用作NO_(3)-N和DIN来源的指示藻种。结果指示小长山岛潮间带海水中具有供大型海藻生长利用的充足的营养盐,其主要受到生活污水和养殖排放的影响。

豆科固氮植物植株茎叶、根和根瘤的δ^(15)N值变异

由于生物固定的氮在植物体内迁移过程中存在着同位素分馏效应，导致豆科固氮植物不同部位的δ１５Ｎ值彼此各不相同，我们的结果证实，茎叶的１５Ｎ自然丰度普遍低于根，特别是低于根瘤。固氮百分率以茎叶的δ１５Ｎ值为参数计算较为合理。另外，砂培试验得到的δ１５Ｎａ值对于固氮百分率的计算也有很大的影响。

水体系中硝酸态氮的富集和δ^（15）N值的测定

用阴离子交换树脂柱研究了水体系中硝酸盐的富集及δ￣（１５）Ｎ值的测定等问题。结果表明；水体系中硝酸盐通过阴离子交换树脂柱后，可以达到富集浓缩的目的；吸附在树脂柱上的ＮＯ３－－Ｎ，可用２ｍｏｌ／ＬＨＣＩ溶液洗脱，不仅回收率高，而且测得的δ￣（１５）Ｎ值与未通过树脂柱的硝酸态氮标准溶液的δ￣（１５）Ｎ值相接近，表明水体系中Ｎ和标准溶液的Ｎ经树脂柱处理后，均来产生同位素分馏效应。

几种饲用牧草的δ^(15)N值及其固氮能力初评

不同种、不同品种豆科牧草茎叶的δ^(15)N值相差甚大,表明了它们的固氮能力的明显不同。某些禾本科牧草茎叶的δ^(15)N值很低,接近大气N_2的δ^(15)N值(0‰),表明它们很可能通过联合固氮等途径获取生长所需的N素,值得进一步研究。

同位素质谱仪测定小麦植株各器官δ^(15)N值的考察

建立了15N标记的小麦植株各器官中δ^(15)N值的元素分析仪-同位素比质谱仪联用技术(EA-IRMS)的测定方法.对仪器的稳定性和线性进行了条件优化,标准气N_2的同位素比值的标准偏差为0.03‰,在同位素信号值1e^(-9)~1e^(-8)A范围内,总体线性为0.009‰/n A.称取不同量的小麦粉标准物质(OAS/Isotope)测定δ^(15)N值,进样量为4 mg时标准偏差最小,为最佳称样量.对硫酸铵标准物质(IAEA-N2-6)、小麦粉标准物质和^(15)N标记小麦植株样品各器官进行测定,δ^(15)N值的标准偏差均小于5%,测定精度和准确度较好.方法为研究氮素在小麦体内运转及利用效率提供了有效的技术手段.

不同蛋白水平日粮对不同形态含氮化合物在血液中^15N丰度及组织中净流量的影响

本试验旨在研究不同蛋白水平日粮对不同形态含氮化合物在血液中^15N丰度及组织中净流量的影响。选择4头体况良好且装有颈动脉、颈静脉、门静脉和肠系膜静脉插管的徐淮白山羊，采用4x4拉丁方设计，配制蛋白水平分别为8．5％、11．0％、13．5％和16．0％的4种日粮。

低丰度富集^(15)N示踪研究中的几个问题

本文介绍了低丰度富集^(15)N 示踪研究中质量分析相对误差的控制办法,一般示踪试验中标记肥料合适丰度值的确定方法,以及该技术的应用前景。

增温施肥对农田土壤有机碳和全氮含量及δ^(13)C、δ^(15)N值的影响

农田土壤是重要的碳氮库,对气候变化极其敏感,但土壤碳氮循环对气候变化的响应目前还不清楚。在全球变暖背景下,为了实现我国碳达峰、碳中和目标,研究增温对土壤有机碳、全氮含量及其碳氮同位素的影响具有重要的现实意义。本研究采用红外辐射加热器模拟全球变暖,使5 cm土壤温度增加约2℃。通过测定灌溉前后土壤有机碳和全氮含量及δ^(13)C和δ^(15)N值的变化,研究增温、施氮和灌溉对华北平原小麦田土壤碳氮库的影响。试验共设4个处理:不施氮不增温(N0T0)、不施氮增温(N0T1)、施氮不增温(N1T0)和施氮增温(N1T1)。结果表明:灌溉前,增温降低了土壤有机碳含量,0~10 cm土层N1T1处理与不增温处理(N0T0和N1T0)之间差异显著(P<0.05),10~20 cm土层N1T1处理与其他处理差异均显著(P<0.05);灌溉后,增温虽有降低土壤有机碳含量的趋势,但差异不显著;施氮条件下,增温显著提升了δ^(13)C值(P<0.05)。增温降低了土壤全氮含量,并在灌溉前10~20 cm土层和灌溉后0~10 cm土层达显著水平(P<0.05);增温提升了土壤δ^(15)N值,灌溉前0~10 cm土层N0T0处理与增温处理(N0T1和N1T1)差异显著(P<0.05),灌溉后0~10 cm土层仅N0T1和N1T0处理间差异显著(P<0.05),而10~20 cm土层增温处理(N0T1和N1T1)均与N1T0处理差异显著(P<0.05)。同一处理同一时期,土壤有机碳和全氮的含量随土壤深度的增加而降低,δ^(13)C和δ^(15)N值随深度增加而升高,但土壤有机碳和δ^(13)C值的变化差异不显著,全氮含量和δ^(15)N值的变化差异显著(P<0.05)。土壤有机碳、全氮含量及δ^(13)C和δ^(15)N值在灌溉前后的差异均不显著。连续5年的增温施氮试验表明,未来气候变暖可能会加快土壤有机碳和全氮的分解,造成更多轻组有机碳损失。灌溉在短期内不会显著改变土壤碳氮含量及δ^(13)C和δ^(15)N值,但其长期影响还需进一步探究。此外,未来研究还应该重视多因素交互作用对土壤碳氮循环的影响。

洞庭湖鱼中脂肪酸的组织分布特征及其与δ15N值的相关性

为探究淡水鱼体内脂肪酸与营养级的相关性,采集了洞庭湖6种不同营养级的鱼,将其解剖为 肌肉、肝脏、肾脏、肠、鳃、眼、鳔、皮和脂肪等组织样品,采用稳定同位素和气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析 技术测定不同营养级鱼组织中氮同位素丰度比值(δ^15N值)和脂肪酸的含量.结果表明,不同鱼组织中,饱和 脂肪酸和单不饱和脂肪酸的分布较均匀,而多不饱和脂肪酸的分布却存在明显的差异.在洞庭湖鱼类的肌 肉、肝脏、鳃、皮和肠中二十二碳六烯酸与二十碳五烯酸的比值(DHA/EPA)随δ^15N值的增加而增加,表明 鱼组织中的DHA/EPA可以指示洞庭湖淡水鱼类营养级的高低.

施肥对菜地土壤、蔬菜、径流中δ^(15)N组成的影响

为了解施肥对蔬菜地土壤、蔬菜和地表水体中δ^(15)N丰度的影响,选择2012至2018内施用不同肥料的28块蔬菜地(包括13块施用化肥蔬菜地、8块施用畜禽粪蔬菜地和7块施用商品有机肥加化肥蔬菜地),采样分析表层土壤、蔬菜地上部分和地下部分及地表径流样的δ^(15)N丰度。结果表明:施肥种类对土壤、蔬菜和地表径流中δ^(15)N丰度均可产生显著影响,其丰度值由高至低依次为:畜禽肥>商品有机肥加化肥>化肥。蔬菜和地表水与土壤之间的δ^(15)N丰度存在正相关。分析认为,蔬菜产品中氮同位素组成可以作为鉴定有机蔬菜的辅助依据,地表水体中δ^(15)N丰度可作为水体中氮素污染源的指标。

自然丰度法与同位素稀释法测定植物固氮能力的比较

生物固氮是生态系统有效氮的重要来源,目前存在多种测定和计算方法。以青藏高原高寒草原豆科植物团垫黄芪(Astragalus arnoldii)为对象,对比自然丰度法和同位素稀释法的差异,探讨4种计算方法、4种参考植物和2个取样时间对团垫黄芪生物固氮百分率(%Ndfa)评估的影响。结果表明:参考植物的δ15N在自然生长状态下与7月份相比,8月份均显著降低(P<0.05);施加(^(15)NH_(4))2SO_(4)后,4种参考植物紫花针茅(Stipa purpurea)、高山嵩草(Kobresia pygmaea)、矮火绒草(Leontopodium nanum)和青藏苔草(Carex moorcroftii)24 h取样的测定值高于30 d后取样的测定值(P<0.05)。无论标记与否,团垫黄芪的^(15)N丰度在2个采样时间都无明显差异,采用原子百分超和原子百分差这2种计算方法得到的%Ndfa也没有显著差异。除矮火绒草外,以其他3种植物以及4种植物的平均值作为参考时,采用自然丰度法计算的%Ndfa都显著高于同位素稀释法(P<0.05)。取样时间不同自然丰度法的测定结果差异显著(F=89.906,P<0.01),标记后取样时长对同位素稀释法影响显著(F=496.712,P<0.01)。

我国西南地区氮饱和马尾松林土壤和植物^(15)N自然丰度对长期氮施加的响应

我国快速增长的氮沉降可能造成森林生态系统的氮饱和,进而导致一系列严重的环境后果.为了深入研究氮沉降对我国森林生态系统的影响,进而评价和预测森林生态系统的氮状态,本研究选取我国西南地区典型的马尾松林生态系统,对土壤和植物的15N自然丰度(δ15N)进行了测定,探讨用15N富集因子(εp/s)作为氮状态指标的可行性.对该马尾松林连续7 a施加NH4NO3或Na NO3的控制实验结果表明,长期的高氮输入显著增加了土壤和植物的δ15N.同时,该生态系统对不同形态的氮输入有不同的响应,即在NH+4沉降下δ15N显著高于NO-3沉降下的值.15N富集因子与氮沉降量、净硝化速率和淋溶量均呈显著的正相关关系,特别是本研究与之前研究的所有马尾松林的15N富集因子与氮沉降量之间线性相关,表明15N富集因子可用来表征氮状态.由于在相同氮沉降的情况下,NH+4的效应强于NO-3,建议我国在未来控制氮氧化物排放的同时也应当重视氨的排放控制.

不同耕作处理下大豆生物固N能力及对系统N素的贡献

2002年至2003年在黄土高原研究了4个耕作处理,传统耕作(t)、传统耕作+秸秆覆盖(ts)、免耕(nt)和免耕+秸秆覆盖(nts)下大豆的生物固N百分率(%Ndfa)、固N数量及其对春玉米-冬小麦-夏大豆轮作系统中N素的贡献。结果表明,在tt、s、nt和nts处理下2002年的生物固N百分率为17.6%、34.3%、22.4%和19.3%,2003年则为58.5%、62.4%、54.9%和43.8%,其中2003年的生物固N百分率比2002年分别高出69.9%、45.0%、59.3%和56.1%,固N数量高出56.2%、33.8%、49.5%和43.1%。大豆生物固N百分率、生物固N数量与生物量呈正相关关系,在ts处理下显著相关。土壤NO3-N含量和大豆固N数量呈负相关,大豆植株吸N量占土壤NO3-N的百分比在2002年为:t(88.1)>ts(84.6)>nts(78.7)>nt(63.6),2003年为:t(115.5)>ts(104.2)>nts(99.8)>nt(95.8)。2002年大豆对该轮作系统的N素贡献分别为6.6(t)、11.6(ts)6、.5(nt)和6.1(nts)kg/hm2,生物固N量占总N输入量的百分比为14.6(t)、21.5(ts)、14.9(nt)和12.9(nts);2003年大豆对系统的N素贡献分别为14.9(t)1、7.6(ts)、12.9(nt)和10.7(nts)kg/hm2,生物固N量占总N输入的百分比为63.2%(t)、58.5%(nt)、47.7%(ts)和39.9%(nts)。年际变异造成了大豆生物固N的年际差异,秸杆覆盖+耕作因改善水分状况,而促进了大豆的生物固N作用。

东北黑土区旱田改稻田后土壤有机碳、全氮的变化特征

【目的】分析东北黑土区旱田改稻田后土壤有机碳、全氮含量及其密度和^(13)C、^(15)N自然丰度值的动态变化,探讨旱田改稻田后土壤有机碳(氮)的固定能力及其稳定性,揭示旱田改稻田后土壤有机碳(氮)的演变规律,为东北黑土的合理利用和培肥提供理论依据。【方法】结合野外实地调查,选择典型黑土区旱田土壤(种植大豆年限大于60年)和改种不同年限的稻田土壤(3、5、10、17、20和25年,旱田改稻田前种植历史基本相同,均为大豆),利用稳定同位素分析技术,研究旱田改稻田后土壤有机碳、全氮的动态变化特征。【结果】旱田改稻田25年间,在0—60 cm土层,土壤有机碳和全氮含量的变化趋势均表现为:在改种的前3年迅速下降,降幅分别为13.60%—43.27%和10.40%—40.60%,在3—25年间随改种年限延长呈逐渐增加的趋势,且在20—60 cm土层出现累积,但在3—5年期间增加幅度较大,在5—25年期间增加较为缓慢,在改种17—25年期间,稻田土壤有机碳和全氮含量均高于旱田土壤;0—60 cm土层土壤有机碳和全氮密度的变化趋势与其含量的变化趋势大致相同,在改种的3年间0—60 cm土层土壤有机碳和全氮密度分别降低了26.53%和21.89%,在改种5—25年间0—60 cm土层稻田土壤有机碳和全氮密度均大于旱田土壤,增幅分别为9.87%—21.48%和10.2%—19.3%;旱田改稻田后,土壤全氮与有机碳的变化密切相关,土壤全氮与有机碳的含量、密度之间均呈显著线性正相关关系(P<0.01)。在0—60 cm土层,土壤δ^(13)C值在改种的3年间明显上升,在3—25年间随改种年限延长呈逐渐下降趋势,且大于5年的稻田土壤δ^(13)C值均低于旱田土壤,而土壤δ^(15)N值在改种的25年间随改种年限延长呈逐年下降趋势,各年限稻田土壤δ^(15)N值均低于旱田土壤,相同年限土壤的δ^(13)C值和δ^(15)N值均随着土层加深而增大;0—40 cm土层土壤δ^(13)C值与土壤有机碳含量之间呈显著线性负相关关系(P<0.01),但各土层土壤δ^(15)N值与土壤全氮含量之间则无显著相关性。【结论】东北黑土区旱田改稻田大于5年后,稻田土壤具有明显的固碳(氮)能力,稳定性碳(氮)在20—60 cm土层累积;改种稻田年限小于5年,应注重有机碳(氮)的补充,以维持和提高土壤有机碳(氮)水平。