标记停留时间对水稻及其生物质炭的^(13)C和^(15)N丰度的影响

稳定同位素技术是研究土壤元素循环的重要技术手段。研究同位素标记后的停留时间对水稻地上和地下部分及利用其制备的生物质炭的13C丰度(δ^(13)C)和^(15)N丰度(δ^(15)N)的影响,可为深入研究生物质炭对土壤碳、氮过程的影响提供基础。以水稻为材料,利用^(13)C-CO_(2)脉冲标记和15N-尿素叶面喷施的方法对水稻进行了13C和15N双标记,15N标记结束后设置4h、6h和24h三个停留时间,将标记后的水稻分为地上和地下部分,分别在300℃和500℃下制备成生物质炭,利用同位素质谱仪测定水稻及其生物质炭的δ^(13)C和δ^(15)N。结果表明,随着停留时间的延长,水稻地上部分的δ^(13)C由872‰逐渐降低至578‰,而地下部分的δ13C由226‰逐渐升高至869‰。与δ^(13)C不同,水稻地上部分δ^(15)N呈现先增加后降低的趋势,停留时间6 h时δ^(15)N最大(1764‰),而地下部分的δ15N呈现先降低后增加的趋势。整体而言,与水稻原料相比,生物质炭的δ^(13)C和δ^(15)N分别降低了52.1%和15.9%。而且,生物质炭的δ^(13)C和δ^(15)N均在停留时间为24h时最高,300℃生物质炭表现得更加明显。随着停留时间的延长,300℃生物质炭的热水可提取有机碳的δ^(13)C比残留固体的δ^(13)C降低的比例由4.14%提高到11.0%,而对于500℃生物质炭则由32.3%降低到18.9%,表明延长停留时间分别降低和提高了300℃和500℃生物质炭的^(13)C均匀性。综上所述,本研究发现标记后的停留时间对水稻δ^(13)C和δ^(15)N的影响不同,并且这种影响没有延续至生物质炭,停留时间和制备温度共同影响水稻生物质炭的13C均匀性。

双标记^(13)C,^(15)N_3-呋喃妥因的制备

以双标记13 C,15 N3-氨基脲为原料,先与苯甲醛缩合,继而与氯乙酸乙酯取代、环化,再经盐酸水解反应后与5-硝基糠醛二乙酯反应,最终制得双标记13 C,15 N3-呋喃妥因.产物经红外光谱、高效液相色谱及质谱表征.结果表明,所选用的合成路线反应条件温和,产物总收率高于60%,且同位素丰度不下降;目标产物的化学纯度>99.0%,13 C同位素丰度>98%,15 N同位素丰度>99%.

^(13)C,^(15)N_3-盐酸氨基脲合成方法的优化

采用13C,15N2双标记尿素和15N2标记水合肼为原料,经回流反应一步合成13C,15N3-盐酸氨基脲。通过单因素考察和正交实验对13C,15N3-盐酸氨基脲的合成工艺进行优化,得到最优反应条件为:15N2-水合肼与13C,15N2-尿素的进料摩尔比为1.4∶1,加热温度为135℃,反应时间为4.5 h。采用此优化合成条件单步合成反应收率>90%,13C,15N3-盐酸氨基脲纯度≥98%,13C丰度≥97%,15N丰度≥99%。结果显示,该方法具有反应周期短,产物收率高,后处理简便易行等优点。

发酵优化制备L-赖氨酸盐酸盐-13C6、15N2

采用北京棒杆菌(Corynebacterium pekinense)ZLD118(HS-、AECr)发酵制备稳定同位素双标记的L-赖氨酸盐酸盐-13C6、15N2。对菌种的发酵培养条件和发酵培养基配方进行优化,采用优化后的发酵工艺制备高丰度稳定同位素13C、15N双标记L-赖氨酸,经离子交换树脂提纯、活性炭脱色精制后,产品的13C丰度达98.61%,15N丰度为98.15%,纯度为98.47%,产率为88.8%。结果表明,该工艺可进一步用于放大制备。

不同施肥下根际沉积对秸秆碳氮在土壤剖面中固存的影响

【目的】秸秆还田是我国东北黑土地保护的重要措施。在实际的农业生产中秸秆与根际沉积同时存在,然而关于它们同时存在时秸秆碳氮在土壤中的固定特征仍不清楚。本研究旨在比较不同土层土壤有机碳(SOC)中秸秆碳(13C-SOC)和土壤全氮(TN)中秸秆氮(15N-TN)含量的差异,探讨不同施肥下根际沉积对秸秆碳氮在土壤中固存的影响,以期为东北黑土地的保护和利用提供依据。【方法】以沈阳农业大学长期定位试验站不同施肥处理(不施肥,CK;单施化肥,NP)为研究对象,分别仅添加13C15N双标记秸秆(S)和添加13C15N双标记秸秆结合根际沉积(以下简称“根际沉积”)(SR),即设CK+S、CK+SR、NP+S和NP+SR 4个处理。分别在田间原位试验的第50天和第150天采样,并测定不同土层SOC含量及其δ13C值、TN含量及其δ15N值。【结果】在秸秆分解前期(第50天),施肥、根际沉积及其交互作用显著影响(P<0.05)表层(0—20 cm)土壤的13C-SOC和15N-TN含量。第50天,CK+SR与CK+S处理相比,表层土壤的13C-SOC和15N-TN含量分别增加了18.6%和21.7%(P<0.05);不同施肥下,S(CK+S和NP+S)与SR(CK+SR和NP+SR)处理表层土壤13C-SOC对SOC的贡献率平均分别为10.5%和12.0%;CK下两个处理(CK+S和CK+SR)与NP下对应的处理(NP+S和NP+SR)相比,表层土壤15N-TN对TN的贡献率平均增加了27.6%(P<0.05)。第50天,深层土壤(20—50 cm)13C-SOC对SOC的贡献率和15N-TN对TN的贡献率分别为1.0%—2.2%和0.5%—0.9%。在秸秆分解后期(第150天),根际沉积和施肥分别显著影响(P<0.05)表层土壤13C-SOC和15N-TN含量。第150天,仅添加秸秆处理与根际沉积处理相比,表层土壤13C-SOC含量增加了12.6%(P<0.05);CK下两个处理与NP下对应的处理相比,表层土壤15N-TN含量平均增加了22.0%(P<0.05);CK各处理和NP各处理表层土壤15N-TN对TN的贡献率平均分别为5.5%和4.0%。第150天,深层土壤13C-SOC对SOC的贡献率和15N-TN对TN的贡献率分别为0.8%—3.2%和0.7%—1.8%。【结论】秸秆分解后期根际沉积对表层土壤中秸秆碳的固定起负反馈效应,秸秆碳氮不断从表层土壤向深层土壤迁移和累积,其对土壤有机碳和氮库稳定性的影响应予以重视。

外源水稻根系和茎叶碳氮在稻田土壤中释放的特征

东北地区气候寒冷,稻田土壤休耕期长,多处于冻结状态;水稻生长期短,土壤温度高且季节性淹水。外源水稻秸秆碳氮在东北地区稻田土壤休耕期和水稻生长期不同水热条件下的释放特征尚不完全清楚。通过室外培养试验方法,利用双标记(^(13)C和^(15)N)水稻根系和茎叶示踪技术和稳定同位素质谱分析技术,研究水稻根系和茎叶在稻田土壤中的腐解率、有机碳(氮)释放率的动态变化特征。结果表明:水稻茎叶、根系于秋季添加稻田土壤后,经过寒冷漫长的土壤休耕期(11月至次年5月),S1(标记根系+不标记茎叶)和S2(不标记根系+标记茎叶)处理的秸秆腐解率分别达30.2%和34.5%,水稻根系和茎叶碳释放率分别达30.9%和38.2%,氮释放率分别达7.4%和35.0%。添加一年时,S1和S2处理的秸秆腐解率分别达66.5%和66.6%,水稻根系和茎叶碳释放率分别为63.7%和65.8%,氮释放率分别为28.6%和51.1%,水稻根系氮释放率显著低于水稻茎叶氮释放率(P<0.05)。本试验条件下,水稻根系和茎叶添加稻田土壤1年,水稻根系和茎叶的腐解率达65%左右,其碳释放与腐解几乎同步,但氮释放相对缓慢,水稻根系氮释放速度显著低于茎叶氮释放速度,温度升高明显促进了水稻根系和茎叶的腐解及其碳氮释放。

地膜覆盖与施肥对秸秆碳氮在土壤中固存的影响

【目的】作物秸秆不仅含有较高的有机碳,而且含有丰富的矿质营养元素。秸秆还田是东北黑土地区培肥土壤和农业可持续发展的重要技术措施。然而不同地膜覆盖(简称"覆膜")及施肥方式下秸秆碳(C)和氮(N)在土壤中的固持特征还不是很明确。本研究通过定量分析秸秆碳对土壤有机碳(SOC)和秸秆氮对土壤全氮(TN)的贡献,探讨不同覆膜和施肥条件下秸秆碳和氮在土壤中固定的差异,以期为土壤肥力提升和东北黑土地保护提供依据。【方法】基于覆膜与施肥的长期定位试验,选择覆膜和不覆膜(裸地)栽培条件下不施肥(CK)、单施氮肥(N4)和有机肥配施氮肥(M2N2)处理,在表层(0—20 cm)土壤添加13C15N双标记秸秆后在田间原位培养150 d,测定SOC含量及其δ13C值、TN含量及其δ15N值,分析SOC中秸秆来源C(13C-SOC)、TN中秸秆来源N(15N-TN)和土壤碳氮比随时间的动态变化特征。【结果】施肥、覆膜及其它们的交互作用显著影响(P<0.05)13C-SOC和15N-TN含量。整个培养期间,M2N2处理秸秆碳对SOC的贡献率(13C-SOC/SOC)和秸秆氮对TN贡献率(15N-TN/TN)平均分别为10.48%和3.18%;施肥(N4和M2N2)处理13C-SOC/SOC和秸秆碳残留率在覆膜方式下平均分别为12.65%和37.14%,不覆膜方式下分别为12.08%和34.50%。同一栽培方式培养第150天,N4处理13C-SOC/SOC和秸秆碳残留率平均分别为14.33%和39.40%,其他施肥处理平均分别为11.77%和33.21%;CK处理15N-TN/TN平均为4.56%,分别比N4和M2N2处理高26.00%和44.53%。培养第150天,秸秆氮残留率在覆膜和不覆膜条件下CK处理最高,平均为10.03%;不覆膜N4处理最低,为7.87%。无论覆膜与否,N4处理13M2N2C-SOC与15N-TN比值为32—39,其他施肥处理均<30。【结论】秸秆碳氮在土壤中的固存对覆膜与施肥的响应敏感。单施氮肥有利于秸秆碳在土壤中的积累和有机碳的更新,不施肥处理秸秆氮对土壤氮库的固定起正反馈效应,而有机肥配施氮肥土壤碳氮的更新相对滞后。

不同施肥处理黑土覆膜后秸秆碳氮在团聚体中的固存特征

地膜覆盖是提高作物产量的重要措施,理解覆膜条件下黑土团聚体中外源碳和氮的固存特征,为深刻认识地膜覆盖措施的可持续应用提供理论依据。选取长期定位试验站(29年)不施肥(CK)、单施化肥(NPK)和有机肥配施化肥(MNPK)3个典型施肥处理,表层土壤(0-20 cm)添加^(13)C^(15)N双标记玉米秸秆后设置裸地和覆膜的田间原位微区培养试验,探讨不同施肥处理结合覆膜黑土团聚体中有机碳和全氮对秸秆来源碳和氮的响应。结果表明,与裸地相比,所有处理覆膜后微团聚体(<0.25 mm)中秸秆来源碳和氮的含量平均降低了26.49%和32.05%。覆膜MNPK与裸地处理相比大团聚体(>0.25 mm)中秸秆来源碳和氮的含量显著降低了35.58%和15.97%,但大团聚体中原土壤有机碳的含量提高了9.16%。在CK和NPK处理微团聚体中,秸秆来源碳占该粒级团聚体有机碳的比例表现为覆膜>裸地,而在MNPK处理各粒级团聚体中则表现为裸地>覆膜。无论覆膜与否,秸秆来源碳对团聚体有机碳和秸秆来源氮对团聚体全氮的贡献率受施肥处理的影响表现为CK>NPK>MNPK。且秸秆来源碳和氮占微团聚体中有机碳和全氮的比例大于大团聚体。总之,单施化肥处理结合覆膜促进了微团聚体中有机碳的更新;而有机肥配施化肥结合覆膜加快了各粒级团聚体中秸秆来源碳和氮的损失,也促进大团聚体中原土壤有机碳积累。

稻秆碳氮在黑土种稻土壤颗粒有机质中的分配特征

颗粒有机质是土壤活性有机质的重要组成部分,是评估土壤有机质变化的敏感指标。东北地区气候寒冷,稻田土壤淹水期短,非淹水期长且多处于冻结状态,水稻秸秆碳氮在黑土不同种稻年限土壤颗粒有机质中的分配如何尚不清楚。通过室内培养试验,将1%双标记(13C/15N)水稻秸秆添加到不同种稻年限(0、12、35、62和85 a)土壤,淹水培养150 d(培养温度20℃,淹水层1 cm),去除淹水层后冻结培养150 d(培养温度–15℃,饱和水分状态),研究水稻秸秆碳(氮)在不同种稻年限土壤颗粒有机碳(Particulate organic carbon,POC)和颗粒有机氮(Particulate organic nitrogen,PON)中的分配特征。结果表明,在培养过程中,未添加和添加水稻秸秆处理,各年限稻田土壤POC和PON含量均低于对照土壤(0 a),添加秸秆处理的各年限土壤POC和PON含量在淹水培养5 d时明显增加,但其后并未表现出一致的增加趋势。秸秆碳(氮)对各年限土壤POC(PON)的相对贡献率为0.2%~13.9%(0.4%~3.8%),分配进入到各年限土壤POC(PON)中的比率为0.7%~13.8%(1.4%~9.9%);经随后150 d冻结后,秸秆碳分配进入到0 a和12 a土壤POC和PON中的比率明显下降,秸秆氮分配进入到0 a和85 a土壤PON中的比率明显下降,而分配进入到其他年限土壤POC(PON)中的比率仍有增加。秸秆碳在土壤POC中的分配比率与土壤有机碳、全氮和碱解氮含量呈显著负相关,与土壤C/N、有效磷和微生物生物量碳含量呈显著正相关,秸秆氮在土壤PON中的分配比率与土壤有机碳含量呈显著负相关。研究表明东北典型黑土开垦种稻年限越长,土壤有机碳、全氮和碱解氮含量相对较低,而土壤C/N、有效磷和微生物生物量碳含量相对较高,秸秆碳氮在土壤颗粒有机质中的分配比率越大,土壤颗粒有机质对水稻秸秆添加的响应越为敏感。

茶树对可溶性有机和无机态氮的吸收与运转特性

【目的】揭示亚热带茶树能否直接吸收利用分子态可溶性有机氮,探讨茶树吸收可溶性有机和无机氮后的运转特性差异。【方法】采用^(13)C、^(15)N双标记甘氨酸、^(15)N标记硫酸铵和^(15)N标记硝酸钾为同位素示踪剂,采用茶树(黄金桂)幼苗为试验材料进行同位素示踪盆栽试验,用同位素质谱仪测定茶树植株地上和地下部的^(13)C、^(15)N丰度。【结果】供试土壤施用^(13)C、^(15)N双标记甘氨酸态有机氮后,2 h和6 h茶苗地下部和整株中的^(13)C增量/^(15)N增量比值均接近于1∶1的理论值;2 h和6 h茶苗地上部未检出^(13)C增量,而72 h地上部^(13)C增量达0.284μmol/(g,DW);施用铵态氮2 h、6 h和72 h茶苗地下部、地上部和整株中的^(15)N增量均极显著高于施用硝态氮和甘氨酸态有机氮;施用铵态氮6 h茶苗地上部^(15)N增量/地下部^(15)N增量比率分别比硝态氮和甘氨酸态有机氮的比率高34.7%和65.0%,72 h茶苗地上部^(15)N增量/地下^(15)N增量比率分别比硝态氮和甘氨酸态有机氮的比率高88.6%和133.0%,差异均达极显著水平。【结论】黄金桂茶苗具有从土壤中直接吸收利用甘氨酸分子态有机氮的能力,但吸收量不及铵态氮和硝态氮;吸收的可溶性分子态有机氮可以从茶树根系运转至地上部;不同形态氮素在茶树植株体内的迁移能力高低表现为:铵态氮>硝态氮>甘氨酸态氮,该研究结果进一步证明陆地生态系统植物直接吸收利用可溶性有机氮是普遍存在的现象。

覆膜栽培与施肥对秸秆碳氮在土壤团聚体中固持特征的影响

【目的】土壤中秸秆碳氮的分解与固定受栽培方式(包括覆膜)和施肥的影响。关于不同覆膜与施肥下秸秆碳氮在团聚体中固持特征仍不很明确。【方法】将表层土壤(0-20 cm)与^(13)C^(15)N双标记秸秆混合后在田间进行原位培养150 d,分析土壤团聚体有机碳中秸秆来源碳(^(13)C-SOC)和氮中秸秆来源氮(^(15)N-TN)的含量。【结果】施肥、栽培方式及二者交互作用显著影响(P <0.05)> 0.25 mm团聚体中有机碳含量和<0.053 mm团聚体中有机碳和氮含量。不覆膜栽培下,与有机肥配施氮肥(M_(2)N_(2))处理和不施肥(CK)处理相比,单施氮肥(N_(4))处理使> 0.25 mm团聚体中^(13)CSOC含量分别增加了36.36%和20.69%。覆膜栽培下,N_(4)与其他处理(M2N2和CK)相比,各级团聚体中^(13)C-SOC含量增加了22.87%-53.37%。不覆膜CK与覆膜CK处理相比,0.25-0.053 mm和<0.053 mm团聚体中^(13)C-SOC含量增加了16.00%和46.15%(P <0.05)。不覆膜栽培下,CK和M2N2处理与N4处理相比,<0.053 mm团聚体^(15)N-TN含量分别增加了44.85%和28.60%。同一施肥处理,不覆膜栽培下秸秆来源碳氮对<0.053 mm团聚体中有机碳和氮的贡献率平均分别比覆膜栽培增加了55.06%和21.35%。秸秆碳氮在团聚体中的分配比例随团聚体粒径的增加而增加,其中秸秆碳和氮分配到> 0.25 mm团聚体比例平均分别为22.22%和42.14%。【结论】土壤添加秸秆后秸秆碳氮主要固定于> 0.25mm团聚体,且单施氮肥促进了秸秆碳在各级团聚体中固存,不覆膜有利于<0.053 mm团聚体中碳氮的更新。