环境因子对水稻土硝酸根异化还原过程速率和分配的影响

以五常、常熟和雅安水稻土为研究对象,通过室内泥浆培养,利用基于膜进样质谱仪(Membrane Inlet Mass Spectrometer,MIMS)的15N示踪技术,探究了温度、pH、NO_(3)^(–)浓度、C/N、Fe^(2+)和S2–浓度对三种水稻土反硝化和硝酸根异化还原成铵(Dissimilatory nitrate reduction to ammonium,DNRA)速率及二者占硝酸根还原过程相对贡献的影响。结果表明,在所研究的稻田土壤中,反硝化是NO_(3)^(–)异化还原过程的主导途径,占比87.97%~91.73%,而DNRA仅占8.27%~12.03%。反硝化和DNRA速率随温度升高均呈指数增长,且DNRA占NO_(3)^(–)异化还原的比例(RDNRA)也随温度升高呈增长趋势。反硝化和DNRA速率分别在pH为7或者8.5时最高,相对于碱性环境(4.92%~14.67%),酸性环境中RDNRA(6.24%~15.56%)更高。反硝化和DNRA速率与NO_(3)^(–)浓度之间关系符合米氏方程,且反硝化的最大速率(Vmax)和米氏常数(Km)均大于DNRA。与未加碳源对照组相比,C/N为2.5时,反硝化速率显著提高了22%~35%;C/N大于2.5时,DNRA速率显著提高了74%~199%。三种土壤中,Fe^(2+)添加和S2–添加处理中呈现出类似的趋势,均在低浓度电子供体(即Fe^(2+)和S2–浓度分别为300~500μmol·L^(-1)和50~62.5μmol·L^(-1))时呈现出最高的反硝化速率,而DNRA速率达到峰值则需要更高浓度的电子供体(即Fe^(2+)和S2–浓度分别为800~1000μmol·L^(-1)和100~125μmol·L^(-1))。综上可知,环境因子可显著影响NO_(3)^(–)异化还原过程的速率及分配,其中高温、高C/N、高浓度Fe^(2+)和S2–有利于更多的NO_(3)^(–)分配给DNRA过程,而高浓度NO_(3)^(–)会提高NO_(3)^(–)向反硝化过程的分配。上述研究结果深化了对水稻土NO3–异化还原过程分配的认识,对于探寻潜在农学措施提高DNRA过程的分配比例,进而提高土壤中氮素的固持和提高稻田氮肥利用率具有重要的科学意义。

利用膜进样质谱仪测定水稻土几种厌氧氮转化速率

:为了在同一体系下区分和测定水稻土反硝化、厌氧氨氧化(Anammox)和硝酸根异化还原成铵(DNRA)过程发生速率和相互关系,并获取近似原位情况下的净脱氮速率,本研究通过将15NH4^+化学氧化法测定DNRA速率和添加尿素模拟原位土柱测定净脱氮速率与膜进样质谱法(MIMS)进行联用,完善了一套基于膜进样质谱法(MIMS)的稻田硝态氮转化测定方法体系,利用该方法测定了5种典型的水稻土[辽宁营口(YK)、江苏宜兴(YX)、浙江金华(JH)、广西桂林(GL)和四川广安(GA)]的反硝化、Anammox、DNRA和净脱氮4种氮转化速率。结果显示:基于MIMS的方法体系可实现对水稻土中反硝化、Anammox、DNRA和净脱氮速率的测定,5种水稻土反硝化、Anammox、DNRA和净脱氮速率范围分别为(358.63±25.37)^(479.96±22.12)、(-14.81±0.22)^(5.29±1.22)、(25.76±12.71)^(109.87±3.88)g N·hm^-2·h^-1和(33.33±11.16)^(72.74±14.18)g N·hm^-2·h^-1,相关结果与其他方法研究结果具有可比性。相关性分析显示:水稻土NO-3、可溶性有机碳(DOC)和土壤Fe^2+含量是反硝化过程的主要限制因素;NO3-是Anammox的关键限制因素;而土壤DOC和Fe^2+含量是DNRA过程的主要限制因素。基于MIMS的方法体系可以在短时间内(1周)测定水稻土四种厌氧氮转化速率,且所需样品量低、精确度高,在稻田或湿地土壤厌氧氮转化过程研究中有很好的应用前景。