施肥对土壤及黄瓜中稳定性氮同位素丰度的影响

研究不同肥料配施对土壤、黄瓜及其叶片中稳定性氮同位素丰度(1δ5N‰)及硝酸盐和硝酸还原酶活性的影响。结果表明,随着配施有机肥比例的降低,黄瓜中1δ5N呈现先低后高再低的趋势;各处理单施化肥初期时黄瓜中1δ5N与有机肥60%和40%配施处理间差异显著(P<0.05),中期时与有机肥60%、40%配施处理及对照间的差异显著(P<0.05),末期时与有机肥60%配施处理间有差异(P<0.05),与其他不同配施时差异不显著(P>0.05);相同处理的不同采摘时期黄瓜中1δ5N差异不显著(P>0.05)。不同处理时叶片与黄瓜间的1δ5N呈正相关(r=0.9836),其1δ5N主要受不同肥料配施处理的影响。随着有机肥比例的降低,黄瓜中硝酸盐含量逐渐降低,与黄瓜中1δ5N间的线性相关性差(r=0.6568);而叶片中硝酸还原酶活性逐渐提高,其中对照处理、100%、80%和60%有机肥处理时与叶片中δ15N丰度呈正相关(r=0.9187);60%、40%、20%有机肥和100%化肥处理时与叶片中1δ5N呈负相关(r=-0.9773)。总体来看,可以初步利用1δ5N作为标记来区分有机肥和化肥种植的黄瓜,但需要进一步研究1δ5N在作物中的分馏和分布规律。

基于稳定性同位素的有机质分解测定在生态学实验教学中的应用

稳定性同位素技术是生态学的重要研究手段,该文将稳定性同位素技术应用于生态学开放实验教学,设计了基于稳定性同位素的有机质分解测定实验。该实验探究性强,学生参与度高,拓宽了学生对生态学研究方法的认知,有助于学生了解稳定性同位素技术在生态学研究领域中的应用,同时大大提高了学生设计、参与相关生态学实验的能力。

稳定性同位素技术在生态学上的应用

稳定性同位素技术早在 2 0世纪 70年代末期就被引入到生态学领域。最初是利用植物稳定性碳同位素的差异 ,开展了许多有关营养流动方面的研究 ;到 90年代 ,稳定性碳和氮同位素被用来分析动物的食性、营养级位置关系以及食物链结构 ;本世纪初 ,由于技术的进步 ,稳定性同位素 (特别是氢同位素 )被用来开展动物迁徙习性方面的研究。到目前为止 ,国内有关这方面的研究还鲜有报道 ,而且对自然界存在的稳定性同位素的理解还存在一定偏差。本文主要介绍了稳定性同位素效应及其分馏原理、稳定性同位素在示踪动物食性信息、确定营养级位置关系、分析食物网结构以及研究动物迁徙生态学中的作用等方面的内容。

广西北海市南岸滩涂主要大型植物及表层沉积物的稳定性碳和氮同位素丰度

为调查广西北海市南岸滩涂主要大型植物和表层沉积物的稳定性碳和氮同位素丰度,并为沿海滩涂动物食物与营养来源研究提供数据,采用野外现场采样和室内样品处理检测结合的方法,对山口镇英罗村、北暮盐场、营盘镇青山头村、竹林盐场、大冠沙等5个地点采集到的红树落叶(秋茄Kandelia candel和白骨壤Avicennia marina)、互花米草Spartina alterniflora、条浒苔Enteromorpha clathrata、细基江蓠Gracilaria tenuistipitata及表层沉积物样品进行处理,测定总有机碳(TOC)、总氮(TN)、稳定性碳同位素丰度(δ13C)和稳定性氮同位素丰度(δ15N),并进行统计分析与比较。结果显示,山口镇英罗村和大冠沙红树落叶的δ13C和δ15N均没有显著差异,北暮盐场和营盘镇青山头村互花米草的δ13C和δ15N也没有显著差异。5个地点表层沉积物的TOC、TN、δ13C、δ15N均没有显著差异,表明北海市南岸滩涂表层沉积物的TOC、TN、δ13C、δ15N分布较为均匀。沿海滩涂高等植物的δ13C主要受均匀的大气影响,不同区域和地点间差异较小,因此不同地点高等植物红树和互花米草的δ13C变幅也较小。本次调查的北海南岸沿岸较为开阔,并且没有大型河流注入,因此滩涂沉积物中δ15N差异较小。由于植物对氮同位素吸收没有分馏作用,本次调查中不同地点的红树和互花米草δ15N差异也很小。山口镇英罗村、北暮盐场、竹林盐场和大冠沙的条浒苔δ13C没有显著差异,但δ15N有显著差异,竹林盐场的条浒苔δ15N显著低于北暮盐场。北暮盐场和营盘镇青山头村的细基江蓠δ13C没有显著差异,竹林盐场的细基江蓠δ13C显著低于另外两个地点;3个地点的δ15N均没有显著差异。不同地点大型海藻的δ13C或δ15N差异出现的原因有待进一步研究。本研究结果为分析北海南岸大型植物和沉积物对滩涂饵料和营养来源的影响提供了参考数据。

基于咖啡碱和氨基酸中碳氮稳定同位素比率的不同年份普洱生茶真实性认证

采用咖啡碱和氨基酸中碳氮稳定同位素比率分析方法(气相色谱-燃烧-同位素比值质谱,GC-C-IRMS)开展不同年份普洱生茶真实性认证研究。化学计量学分析表明,基于茶叶咖啡碱和氨基酸中碳氮稳定同位素比率结合化学计量学模型可以对不同年份普洱生茶进行有效区分,预测和验证准确率均达到80%以上,其中BP-ANN认证性能最优,预测和验证准确率均达到100%;进一步筛选和鉴定,得到不同年份普洱生茶的3种化学标记,包括δ^(15)N_(Thea)、δ^(13)CG_(lu)和δ^(15)NG_(lu)。因此,基于GC-C-IRMS分析的咖啡碱和氨基酸中碳氮稳定同位素比率分析方法可以用于不同年份普洱生茶的真实性认证。本研究初步建立了普洱生茶产品认证的指标体系及技术体系,也为其他食品的认证研究提供研究思路和方法参考。

基于咖啡碱和氨基酸中碳氮稳定同位素比率的茶叶地理溯源

采用咖啡碱和氨基酸中碳氮稳定同位素比率分析方法,基于气相色谱-燃烧-同位素比值质谱(gas chromatography combustion isotope ratio mass spectrometry,GC-C-IRMS)开展不同产地茶叶地理溯源技术研究。结果表明,基于GC-C-IRMS特异性化合物稳定同位素比值分析方法可以用于茶叶地理溯源;化学计量学分析表明,本方法可以对不同产地茶叶进行有效区分,预测和验证准确率均达到85%以上,BP人工神经网络认证性能最优,预测和验证准确率均达到100%;经过进一步筛选和鉴定,得到不同产地秀芽的2种特征标识化合物——δ^(15)N_(丙氨酸)和δ^(13)C_(茶氨酸)。本研究可为茶叶地理溯源提供一定技术支撑,有利于茶叶产品的认证体系的建立和完善。

利用氮稳定同位素指纹技术验证市售有机食品真伪

稳定氮同位素具有“自然指纹”特性。为探索利用氮稳定同位素指纹技术验证市售有机食品真伪的可行性,以全球知名某大型超市贵阳人民广场分店售卖的标有“有机食品”字样的蔬菜食品为例,选取“有机食品”蔬菜样品和对应的“普通食品”蔬菜样品各5种,分别对其稳定氮同位素组成进行了测定分析。结果表明:(1)供试样品的δ15 N值变化范围为1.98‰^+13.79‰,有46.7%的数据分布在-3‰^+3‰之间,“有机蔬菜”的δ15 N值平均值为+6.34‰,“普通蔬菜”的δ15 N值平均值为+2.15‰。(2)火葱、姜、苦瓜的δ15 N值在“普通蔬菜”与“有机蔬菜”之间均存在显著差异(P<0.05),白菜和番薯在栽培过程中均使用过化肥的可能性极高。(3)火葱、姜的标识与实际相符,苦瓜的标识与实际基本相符,白菜和番薯的标识与实际不相符,抽检验证的5种“有机食品”中有3种与实际相符或基本相符,有机食品标识符合度为60%。(4)利用氮稳定同位素指纹技术可以甄别食品生产过程中是否施用过化学合成氮肥,一定程度上可以为市场监管体系中有机食品的认证提供技术支持。

施肥对大白菜中氮同位素及硝酸盐含量的影响

研究不同肥料配施处理对土壤和大白菜中稳定性氮同位素丰度(δ15N‰)及硝酸盐含量的影响。结果表明,随着有机肥比例的降低,大白菜中δ15N和硝酸盐含量分别呈现逐渐降低和增加的趋势,对照大白菜中δ15N和硝酸盐含量分别为+9.355‰和1459mg/kg;纯有机肥(100%-O)和纯化肥(100%-C)处理大白菜中δ15 N分别为+6.898‰和+4.098‰(P>0.05),而硝酸盐含量分别为1658和2138mg/kg(P<0.05);不同肥料配施处理时大白菜中δ15 N和硝酸盐含量间存在负相关(R=-0.9064)。土壤中δ15N的变化受不同施肥处理的影响较小,其变化范围为+7.706‰～+9.903‰;而大白菜中δ15N的变化影响较大,其范围为+4.098‰～+9.355‰。研究表明不同肥料配施处理能够影响大白菜中δ15N的变化趋势,可以初步利用δ15N作为标记来判断肥料来源,但需要进一步研究不同肥料配施时δ15N的分布规律。

喀斯特高原黄壤区退化植物群落常见植物叶片氮同位素组成

氮是植物需求量最大的矿质营养元素。由于氮循环诸过程中的化学转化、物理运输等都有可能使其发生同位素分馏,植物稳定氮同位素组成是土壤-植物-大气连续体综合作用的整体响应,能较好的反映流域内与植物生理生态过程相联系的一系列环境信息,具有示踪、整合和指示等多项功能。为探讨喀斯特环境下黄壤区植物稳定氮同位素组成变异的影响因素及其相关关系,以喀斯特高原贵州省清镇市王家寨峰丛洼地小流域为例,选取流域内黄壤区退化植物群落3种植被类型中的4种常见植物为研究对象,分别对其叶片C、N、P、K、Ca、Mg元素含量和稳定氮同位素进行了测定分析。结果表明:(1)研究区植物叶片δ^(15)N值的变化范围为-3. 25‰～0. 69‰,平均值为-1. 04‰,变异程度较高,离散程度较大,呈负偏态分布。(2)植物叶片δ^(15)N值在群落间和坡位间的差异均不显著(P>0. 05);(3)植物叶片δ^(15)N值的种间变化趋势为小果蔷薇(-0. 03‰)>火棘(-0. 24‰)>过路黄(-1. 58‰)>粉枝莓(-2. 29‰),差异显著(P<0. 05)。(4)研究区植物叶片δ^(15)N值受群落类型和物种因素的交互影响显著(P=0. 016,R2=0. 870)。(5)研究区植物叶片δ^(15)N值受叶片K营养含量的影响较大,同时与C、N、P、K、Ca元素化学计量比之间的关系密切,叶片K、Ca营养含量间的调控是影响黄壤区植物叶片δ^(15)N值的主要因素。

喀斯特高原石灰土区退化植物群落常见灌木叶片的氮同位素组成研究

为探讨喀斯特高原石灰土区植物稳定氮同位素组成的变异特征及其影响因素,以贵州省清镇市王家寨小流域为例,选取流域内石灰土区退化植物群落3种植被类型中的4种灌木植物,分别对其叶片的氮同位素和C、N、P、K、Ca、Mg元素含量进行了测定。结果表明,研究区常见灌木叶片的δ^15N值为-5.86‰^-0.54‰,均值为-2.31‰;植物叶片的δ^15N值在不同群落间的差异显著(P<0.05),但种间差异仅在灌丛群落中显著(P<0.05);物种因素和群落类型的交互作用对研究区灌木叶片δ^15N值有显著影响(P=0.021,R^2=0.860);植物叶片δ^15N值与叶片K含量之间具有显著负相关(P<0.05),而与叶片N含量之间并非正相关,这可能与喀斯特地区严酷的生境条件有关。

喀斯特山地不同退化植被下烟管荚蒾氮同位素组成的季节变化

为探讨喀斯特灌木丛优势树种烟管荚蒾(Viburnum utile)叶片稳定氮同位素组成的季节变异特征及其影响因素,以喀斯特高原贵州省清镇市王家寨峰丛洼地小流域为例,选取流域内稀疏灌草丛、草灌丛、灌丛3种植被类型下的常绿树种烟管荚蒾为具体研究对象,分别在4月(生长初期)、7月(生长旺盛期)、9月(生长晚期)和12月(生长停滞期)对其叶片稳定氮同位素组成和N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn元素含量进行测定分析。结果表明:研究区烟管荚蒾叶片的δ^15N在不同群落间和不同坡位间均无显著差异(P>0.05),群落间的变化趋势为灌丛<稀疏灌草丛<草灌丛,坡位间的变化趋势为中坡<下坡<上坡,变化范围为-3.28‰^-0.59‰,平均值为-2.22‰;烟管荚蒾叶片δ^15N值在不同群落中均表现出9月最负而12月最正的特征,变化趋势均为9月<7月<12月,但仅在草灌丛群落中的7月与12月间和9月与12月间有显著差异(P<0.05),在其他群落中各月份间的差异均不显著(P>0.05),同一生长期内不同群落间、不同坡位间的差异也不显著;研究区植被类型、坡位和季节对烟管荚蒾叶片δ^15N的交互影响均不显著,说明烟管荚蒾对生境恶劣的喀斯特环境具有特殊的适应能力;烟管荚蒾叶片的δ^15N与Fe、Mn含量密切相关,同时受N、P、K、Fe、Mn、Cu、Zn元素化学计量比的影响,说明其叶片δ^15N值的变化主要受自身氮生理代谢过程的控制;研究区9月温暖湿润和12月干旱寒冷的气候特征可能是导致烟管荚蒾叶片δ^15N在9月最负和12月最正的主要原因。

连续施用不同量污泥堆肥对土壤氮组分及δ^(15)N的影响

为探明连续施用无害化污泥堆肥(以下简称堆肥)对土壤全氮(TN)、不同活性氮组分含量及土壤δ^(15)N的影响,为堆肥改良和培肥沙质潮土提供理论依据。本研究以河南省小麦-玉米轮作区沙质潮土为研究对象,通过2013-2016年田间连续定位试验,基于不同土壤活性氮组分分组技术和氮稳定性同位素技术,分析土壤活性氮组分和土壤δ^(15)N对堆肥施入量的响应特征。结果表明,1)连续施用堆肥显著增加了土壤碳氮含量,随施入量增加而显著增加,其中施堆肥量达45t·hm-2时效果最为显著,较单施化肥(CK)处理分别增加了265.83%和284.31%(P<0.05)。施用堆肥可以提高活性有机氮组分含量,其中颗粒态有机氮(PON)增加了104.57%~280.91%;处理间各活性氮组分含量呈现:颗粒态有机氮(PON)>轻组有机氮(LFON)>水溶性有机氮(DON)>微生物量氮(SMBN)。增加堆肥施入量提高了PON/TN和SMBN/TN分配比例,显著降低了LFON/TN和DON/TN分配比例(P<0.05),从而降低土壤活性氮组分在全氮中的分配比例,说明高堆肥施用量促进土壤氮素以稳定态有机氮形式储存,有利于土壤氮素的累积。2)施用堆肥显著降低了土壤δ^(15)N,通径分析和主成分分析表明,土壤δ^(15)N与土壤氮含量受堆肥施入量影响显著;相关性分析表明,δ^(15)N与土壤TN、PON和LFON含量呈显著相关性,表明土壤δ^(15)N变化特征可指示土壤氮组分受堆肥处理作用的响应。3)冗余分析表明,土壤pH、土壤水分及土壤肥力水平(IFI)均会对土壤氮组分含量、活性氮组分分配比例及δ^(15)N产生影响,其中对土壤IFI和土壤pH作用显著(P<0.05),解释率分别达48.2%和17.5%。综上可知,施用堆肥提高了土壤有机物含量,施用量达45t·hm-2时,显著提高了土壤氮储量和活性氮组分含量,对沙质潮土的培肥效果明显,同时,土壤稳定性同位素δ^(15)N变化特征可作为堆肥对沙质土壤质量提升效果的指示指标。

凉水和宝天曼地区乔木叶片氮素再吸收过程中δ^(15)N的变化

植物自然丰度的稳定性N同位素(δ15N)在植物N吸收和N转运过程中会发生变化,但植物叶片在凋落之前的N素的再吸收如何影响δ15N变化还不清楚。本研究以凉水地区的14个常见树种和宝天曼地区的16个常见树种为研究对象,测定各树种新鲜叶和凋落叶及其对应土壤中的C、N质量分数和δ15N值。结果表明,凉水树种新鲜叶N质量分数和δ15N值显著高于宝天曼树种,这与凉水土壤的N质量分数和δ15N值都高于宝天曼土壤相对应。此外,凉水树种叶片N吸收率(47%)与宝天曼树种(40%)无显著差异。宝天曼树种凋落叶中的δ15N显著高于新鲜叶中的δ15N值,即叶片N再吸收过程中存在N同位素的分馏效应,而凉水树种凋落叶与新鲜叶中的δ15N无显著性差异。本研究首次报道在植物叶片N再吸收过程中存在显著的同位素分馏效应,而且分馏效应的程度与N再吸收率显著负相关。此外,植物叶片N再吸收过程中是否存在同位素分馏效应可能取决于叶片的N再吸收率;乔木新鲜叶片N质量分数和δ15N值在地区间的差异可能取决于土壤N质量分数和δ15N值的地区差异;叶片N再吸收率可能与N在叶片中的存在形态有关,而与土壤N质量分数不相关。

控制灌溉下秸秆还田对稻田土壤氮素组成的影响

为探明控制灌溉模式下秸秆还田与不同施氮量对稻田表层土壤氮素组成的影响,以黑龙江省寒地黑土为研究对象,于2017—2018年进行了田间连续定位试验,试验秸秆还田量设置为有秸秆还田(还田量为6 t/hm^2)和无秸秆还田2个水平,全生育期施氮量设置N0(0 kg/hm^2)、N1(85 kg/hm^2)、N2(110 kg/hm^2)和N3(135 kg/hm^2)4个水平,共8个处理。基于氮稳定性同位素技术,分析了秸秆还田后,稻田土壤表层总可溶性氮组分分配比例,铵态氮(NH4^+-N)、硝态氮(NO3^--N)、可溶性有机氮(SON)、δ15 N含量变化以及与土壤表层总可溶性氮含量的相关性。2年结果表明:控制灌溉模式下,秸秆还田提高了土壤表层可溶性有机氮占总可溶性氮的比例、氮矿化量以及δ15 N含量。施加秸秆各施氮量处理土壤表层SON含量均低于无秸秆处理,其中N3处理土壤表层NH4^+-N与NO3^--N含量较无秸秆N3处理分别降低40.3%、38.7%。与无秸秆处理相比,秸秆还田不仅提高了土壤供氮能力,而且促进了土壤表层总可溶性氮以较稳定的可溶性有机氮形态存在,当施氮量仅为0 kg/hm^2时,土壤表层氮矿化量与无秸秆处理最高氮矿化量无显著性差异,且随着施氮量的增加,土壤表层氮矿化量显著高于无秸秆处理(P<0.05)。秸秆中δ15 N含量高,促使土壤表层富集δ15 N,施加秸秆N1、N2处理土壤表层δ15 N含量与无秸秆N2、N3处理无显著性差异,N3处理土壤表层δ15 N含量显著高于无秸秆处理(P<0.05),而且连续2年秸秆还田,导致土壤表层总可溶性氮与铵态氮(NH4^+-N)、硝态氮(NO3^--N)、可溶性有机氮(SON)以及δ15 N的相关性发生变化。研究结果可为东北地区推行秸秆还田的可行性提供科学依据,对保障东北地区农业水土资源可持续利用具有重要意义。

内蒙古草原常见植物叶片δ13C和δ15对环境因子的响应

在中国东北样带沿线的内蒙古草原地区采集了一些常见植物的叶片样品,并测定其δ^(13)C和δ^(15)N值,分析了其统计学特征以及对环境因子(年平均降雨量和温度)的响应模式。发现东北样带草原区同时存在C_3和C_4两种不同光合途径的植物,但是C_3植物占主导地位,C_4植物数量有限。C_3植物叶片δ^(13)C随着年平均降雨量和年平均温度的升高而显著降低,反映了此区域C_3植物δ^(13)C受控于降水量和温度。C_4植物的叶片δ^(13)C值随着降雨量的增多而有轻微升高的趋势,但是C_4植物的叶片δ^(13)C值对年平均温度的响应不敏感。不论对C_3植物还是C_4植物而言,叶片δ^(15)N都随降雨量增加而显著降低,即干旱区的植物叶片δ^(15)N大于湿润地区,这说明降水是影响植物叶片δ^(15)N的一个重要因素。然而两者叶片δ^(15)N对温度的响应不敏感。

三峡库区干流鱼类食物网动态及季节性变化

为了解三峡大坝蓄水后库区干流鱼类食物网结构及营养关系的构成,应用碳(δ13C)、氮(δ15N)稳定性同位素技术,分别于2010年夏季(7月份)和冬季(12月份)对三峡库区巫山至万州段干流鱼类食物网结构及营养关系的季节变化进行了探讨,并与2005年夏季该区域鱼类食物网结构和营养关系组成情况进行了比较。结果显示:本次(2010年)调查颗粒有机物(POM)和固着藻类样品δ13C值分别为-25.62‰～-23.72‰、-19.81‰～-19.47‰,且无显著性季节(夏季和冬季)差异。POM和固着藻类(内源性营养物质)是三峡库区巫山至万州段干流鱼类食物网基础能量的主要来源,但外源性营养物质输入也是其基础能量来源的重要补充途径。与2005年相比,2010年该区域鱼类食物网中消费者δ13C值富集度和食物网营养级长度均有所增加。该研究结果对三峡库区鱼类资源增殖放流和生态修复有重要指导意义。

东北森林两种典型阔叶树种子和幼苗对^(15)N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^(15)N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^(15)N富集的影响.结果表明:浸泡浓度和浸泡时间对两树种种子δ^(15)N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^(15)N总量的富集,花曲柳和色木槭种子^(15)N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);δ^(15)N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^(15)N总量降低,表明6叶幼苗更适合追踪幼苗的来源;幼苗叶片δ^(15)N值与种子浸泡浓度、浸泡时间和种子的δ^(15)N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^(15)N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.

大气沉降氮在土壤-植物系统中的留存机制

大气沉降氮在土壤和植物中的留存特征,是陆地生态系统氮截获和持续供应的关键。采用稳定性氮同位素技术标记15NO3-和15NH4+,可以量化两种形态沉降氮的归趋动态。国内外氮同位素示踪试验的主要特点是氮添加量小(多小于250 mg15N·m^(-2)),运行时间短(少于48个月),15NO3-和15NH4+归趋的对比研究少。大气沉降氮中NO3-和NH4+在生态系统中的留存,会因植物吸收偏好、微生物-植物氮竞争状况和生物-非生物固定过程的差异而不同。已有的研究表明,持续周转的微生物生物量氮是外源氮转化和固持的主要场所之一,土壤微生物偏好吸收利用NH4+,而非NO3-;多数植物物种偏好吸收NO3-,且能更快地转移到根表而被固定;团聚体组成对植物-土壤的氮留存量和土壤氮饱和过程具有重要的调节作用。大气活性氮在生态系统各组分分布与稳定的时空格局,不同粒径土壤团聚体对沉降氮的留存机制方面尚需要系统研究。相关研究可为完善生态系统氮循环理论,优化氮循环模型提供科学依据和数据支持。