15N同位素稀释技术和示踪技术在森林土壤N素研究中的应用

森林土壤N素形态、N库动态及其运移转化特征备受关注。采用稳定性^(15)N同位素稀释技术和示踪技术测定森林土壤总N转化速率和^(15)N回收率,可以揭示森林土壤N素特别是无机N的运移转化规律和持留机制。由此可见,稳定性^(15)N同位素技术在森林土壤N循环研究中的作用举足轻重。基于此,介绍^(15)N同位素稀释技术测定土壤总N转化速率的基本原理和^(15)N同位素示踪技术研究土壤N素运移规律的基本思路,并简要列举了稳定性^(15)N同位素技术和示踪技术在森林土壤N素转化、运移和持留机制研究中的应用实例,同时指出此法的不足和应用前景。

氮同位素分馏机制、分析测试与示踪技术及其在生态环境中的应用

【研究目的】氮(N)是地球陆地生态系统中的关键营养元素,也是引起水体富营养化的污染元素之一。随着分析测试技术的不断提高,氮稳定同位素技术已经发展成为一种常用的研究方法和分析手段,在氮的生物地球化学循环、水体富营养化和地下水污染来源识别等方面广泛应用。【研究方法】本文查阅近年来国内外生态环境领域氮稳定同位素的相关文献,综述了氮同位素分馏机制、氮同位素分析技术以及氮同位素在生态环境中应用的研究现状。【研究结果】(1)氮同位素质谱分析技术与氮同位素示踪技术目前已经建立了成熟体系。(2)硝化作用与反硝化作用是土壤氮转化循环的主要机制,生物固氮实现氮的输入,而植物或微生物产生含氮气体或矿化作用是氮输出的主要途径,并伴随着不同程度的氮同位素分馏效应。(3)氮同位素可以用来测定土壤氮素周转速率、N2O排放途径与生物固氮量、指示大气氮沉降变化、探究植物与土壤的相互作用及确定植物对氮素的吸收利用、识别农作物产地与水体、大气的氮污染来源。【结论】未来应将研究重点放在提升氮循环过程中不确定性来源的定量检测能力,确定未被发现的氮输入、积累和损失途径,完善并发展生态系统氮循环模型。

^(15)N同位素稀释法研究固氮菌接种对甘蔗生物固氮的影响

利用15N同位素稀释法,研究接种固氮菌klebsiella L03对甘蔗品种B8和ROC22的生物固氮的影响。结果表明:B8的固氮百分率最高为31.28%Ndfa,从苗期开始就显著高于ROC22,分蘖期和伸长初期的固氮量和固氮百分率与ROC22相比差异达到极显著水平。B8和ROC22的根、茎、叶都可发生固氮,以伸长初期(60d)叶片中的固氮能力最强。接种L03能显著提高B8和ROC22各器官的含氮量,其中对ROC22叶片和B8茎的含氮量提高作用最明显。不同甘蔗品种、相同品种的不同器官甚至相同器官的不同生长时期固氮作用有很大差异。

^(15)N同位素稀释法测定土壤氮素总转化速率研究进展

同位素稀释法是测定土壤中N素总转化速率最重要的方法之一。自从上世纪50年代Kirkham和Bartholomew提出同位素稀释法的基本原理以后,随着分析技术的长足发展,一些更精确的分析和数值优化方法被广泛使用,N转化概念模型已经日益完善,使测定N的总转化速率成为现实,对土壤N素循环机制的深入研究提供了可能性。然而,^(15)N标记方法研究土壤中N的总转化速率仍然存在较大的不确定因素。本文综述了^(15)N同位素稀释法测定土壤N素总转化速率的原理和计算方法,以期推动同位素稀释法的研究和发展。

^(15)N同位素稀释法测定燕麦根际固氮菌固氮量的研究

用15N同位素稀释法对接种到燕麦上的不同固氮菌的固氮能力进行了测定,结果表明:固氮菌处理的地上植株15N原子百分超为1.0871%～1.3791%,其中Pseudomonas spN4最低(1.0871%);植株地下部分为1.0921%～1.2751%,Pseudomonas spN4也是最低(1.0921%)。Pseudomonas spN4、A.lipoferumO6和Zoogloea spW6固氮能力较好。植株全氮含量增加2.08%～39.58%,A.lipoferumO6处理的全氮含量最高(39.58%)。接种固氮菌能够提高燕麦的全氮含量、固氮百分率和固氮量。

采用^(15)N同位素稀释法研究不同层次土壤氮素总转化速率

采用15N同位素稀释方法,开展短期(7天)室内培养实验,估算了一水稻土0~20、20~60和60~90 cm土层土壤主要N素转化过程的总转化速率,结果表明,标记N溶液加入后2 h内各土层土壤的总矿化、硝化、固定速率显著高于其他时间段(p<0.01)。2 h后,矿化速率在小范围内起伏。0~20 cm土层土壤N素的硝化速率随培养时间延长而降低,另外两层土壤则基本保持稳定,硝化速率的变化与硝化作用底物NH4+-N浓度的变化呈显著正相关。值得注意的是,外源无机N溶液加入后2 h内,大量NH4+-N和NO3--N被固定,并认为N素的非生物固定起主导作用。2 h后,出现了N素在固定与再矿化间反复转换的现象。实验结果表明,与净转化速率相比总转化速率能更好地描述单个N素转化过程,但由于外源N加入对N素转化的影响、再矿化作用以及忽略了N素转化过程中的气体损失、DNRA(硝态氮异化还原为铵)过程等,本研究结果与真实值间存在一定差异。

^(15)N同位素稀释法评估甘蔗的生物固氮量

为评估甘蔗生物固氮量,采用15N同位素稀释法,以木薯为参比植物,进行温室桶栽试验。结果表明:甘蔗全生育期植株固氮11.3514%Ndfa,固氮量每桶0.9269g。甘蔗根、茎、叶的固氮百分率和固氮量大小依序为叶>茎>根。叶的固氮百分率(13.2668%Ndfa)略高于植株,但两者差异不显著。甘蔗植株全氮量中来自空气氮(生物固氮)、肥料氮和土壤氮的比例分别为11.3514%、7.6857%、80.9629%。甘蔗的氮肥利用率为58.7583%。甘蔗根、茎、叶各部位均有固氮现象,生产上可以用叶代替植株来评估甘蔗的生物固氮量。

稳定同位素^(15)N技术在高寒草甸生态系统应用展望

稳定同位素技术是了解生物与其生存环境相互关系的强有力手段,在生态学的研究中应用广泛,稳定同位素^(15)N技术作为一种新方法和新技术,在生态系统氮素研究方面具有极为美好的应用前景,并显示出其强大的生命力。综述了国内外稳定同位素^(15)N技术研究进展,并对其在高寒草甸生态系统中的应用进行了展望,以期进一步发挥其在高寒草甸生态系统中的重要作用,从而在高寒草甸生态系统研究中取得重大进展。

地下水NH_4^+-^(15)N同位素测试技术进展

本文根据铵离子的物理化学性质,建立了各种测试分析技术。传统的NH4+-15N同位素测试过程包括样品中NH4+的收集、转化为适于质谱分析的气态N2以及用15N同位素质谱进行分析。其中NH4+的收集方法较多,包括蒸馏法、扩散法、离子交换柱法和沸石萃取法等。适于质谱分析气态N2的转化方法可分为化学湿法和干燃烧法。笔者就同位素分析测试过程中NH4+的收集、转化及15N测试各个步骤加以总结,分析各自方法的优缺点和适用范围,寻求问题的解决途径。并评述了最近出现的色谱-质谱联合分析法和叠氮法。最后对地下水NH4+-15N同位素测试技术的发展进行了展望,以期能够更广泛地应用于环境和水文地质领域。

用^(15)N同位素稀释法研究牧草的氮素营养

利用同位素示踪技术研究不同施肥处理对黑麦草单播及黑麦草与白三叶混播条件下不同时期牧草茎叶N %与对白三叶的共生固氮的影响。结果表明 :( 1 )混播或单播黑麦草的N %在施肥后 67d达到最高值 ,其后随时间的推移逐渐降低 ;( 2 )混播白三叶的N %在施肥后 67d达到最高 ,随后稍有降低 ,其后又有所增加 ,这与白三叶固氮活性逐步提高有关 ;( 3 )施N水平较低时 ( 1 64kg硫铵 /hm2 ) ,不同时期刈割的混播黑麦草的N %均高于单播黑麦草的N % ,显然是由于白三叶共生固氮所产生的N素为黑麦草提供了新的氮源 ;( 4 )混播白三叶中N素的主要来源是共生固氮 ,混播黑麦草和单播黑麦草中N素的主要来源是土壤 ;( 5)施N处理对黑麦草和白三叶N %的影响差异显著。

用^(15)N同位素稀释法研究沸石对氮肥利用率的影响

通过15N示踪研究不同沸石水平处理对玉米氮肥利用率的影响。结果表明 :( 1 )沸石和肥料混合使用促进了玉米的生长 ,第一茬玉米氮肥利用率以 0 7g kg土沸石用量为最高 ,其次是 1g kg土 ;( 2 )第二茬玉米的氮肥利用率则是以 0 1 %的沸石用量最高 ,其次是 0 1 3 %的沸石用量水平 ,与对照相比 ,沸石处理使两茬玉米的氮肥利用率分别提高了 2 3 2 %～ 3 3 1 % ;( 3 )沸石处理可以显著降低土壤中氮肥的损失 ,与对照相比 ,降低率达 2 5 9%～3 0 6% 。

^(15)N同位素示踪技术研究辣椒器官氮素分配特性和基质氮素运移规律

为探究日光温室蔬菜基质栽培氮肥在栽培基质中运移和累积规律及其在辣椒植株各器官中吸收和分配特性。以辣椒(品种:陇椒10号)为试验材料,利用K^(15)NO_3同位素示踪法,将K^(15)NO_3分别标记于栽培基质剖面向下5～10 cm和15～20 cm深处,并设2个灌水下限60%(W60)和80%(W80),研究了日光温室基质栽培辣椒的生物量、辣椒各器官对氮素吸收与分配及栽培基质中氮素的运移规律。结果表明,60%灌水下限条件下较80%灌水下限显著增加了辣椒植株总生物量和氮的吸收量。在空间分布上,^(15)N标记施肥深度越深,则辣椒植株对^(15)N利用率下降;同时,^(15)N在基质层(0～20 cm)中的累积量也明显下降,损失量显著增加。其中60%灌水下限条件下基质中^(15)N的损失量少于80%灌水条件,且^(15)N在5～10 cm处的损失量较少,此时,减小了基质层15～20 cm处^(15)N的向下迁移量,并增加了60%灌水下限条件下辣椒植株各器官对全氮的吸收利用率。因此,W60F5处理可以提高辣椒植株的总生物量和氮肥的吸收量,减弱基质深层氮素向下运移量,有利于辣椒植株更好地吸收与利用,且辣椒植株各器官生物积累量与氮肥吸收量依次为叶>果>茎。

^(14)N-^(15)N同位素交换技术及其在冶金动力学研究中的应用

氮对钢材性能影响很大,研究氮的溶解动力学对于控制钢中的氮含量很有必要.新的^(14)N-^(15)N同位素交换技术通过气相质谱仪在线监测反应过程中气体组分变化,可以消除传统研究方法中液相传质的影响,准确测定氮在钢液和熔渣表面溶解的速率常数,深入分析反应的动力学机理.简要介绍了^(14)N-^(15)N同位素交换技术的原理、实验过程、已有的研究成果,讨论了存在的问题.

15N同位素在华北冬小麦夏玉米氮营养来源研究中的应用

小麦-玉米一年两作是华北平原最主要的种植方式之一,对保障国家粮食安全至关重要。阐明该种植体系作物氮营养来源定量组成对区域养分资源管理、施肥制度优化、作物营养状况调控都具有十分重要的意义。15N作为氮元素的一种稳定同位素,其示踪技术在农田氮肥去向,作物氮营养来源等农业生产领域得到广泛应用。本文主要概述了15N同位素技术在研究当季施入化肥氮、前茬残留化肥氮、播前土壤固有硝态氮对华北冬小麦-夏玉米氮营养贡献中的具体应用方法、实例及相关研究结果,并对叶面肥氮、还田秸秆氮、大气沉降氮等其他氮营养来源的研究进行了展望,以期为该种植体系养分资源管理以及施肥制度优化提供理论参考。

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.

用^(15)N同位素稀释法研究沸石对氮肥利用率的影响

通过同位素15N示踪技术研究不同沸石水平处理对玉米氮肥利用率的影响。结果表明 :①沸石和肥料混合使用促进了玉米的生长 ,第 1造玉米氮肥利用率以每kg土施用 0 7g沸石用量为最高 ,其次是每kg土施用 1g沸石 ;②第 2造玉米的氮肥利用率则是以质量分数为 0 1%的沸石用量最高 ,其次是 0 13%的沸石用量水平 ,和对照相比 ,沸石处理使两造玉米的氮肥利用率分别提高了 2 3 2 %～ 33 1% ;③沸石处理可以显著降低土壤中氮肥的损失 ,与对照相比 ,降低率达 2 5 9%～ 30 6 % ,但对土壤中氮肥的残留量没有影响。

^(15)N示踪技术在湿地氮素生物地球化学过程研究中的应用进展

稳定性同位素技术是现代生态学研究中的一门应用技术,它几乎在生态学研究的各个领域都有着广泛的应用。其中15N技术由于具有示踪和区分氮素物质的源与去向等优越性而在生态系统氮循环研究中发挥了极为重要的作用。文章主要从湿地氮素的输入过程、转化过程以及归趋过程三方面综述了该技术在当前国内外湿地氮素生物地球化学过程研究中的应用进展,特别指出当前基于该技术的湿地氮素生物地球化学过程研究尚缺乏一定的系统性、深入性和广泛性。最后,文章就该技术在湿地氮素生物地球化学过程研究中的应用前景进行了展望研究。

用^(15)N示踪技术研究高产小麦、玉米的施氮规律

利用稳定性同位素15N示踪技术 ,探索小麦、玉米在高N施肥下的N素营养规律。结果表明 :小麦、玉米对追加15N化肥的吸收利用率为 2 8 42 %～ 46 2 8% ,向籽粒运转量为 5 4 %～68% ,追施N的有效期可连续 3茬作物 ,累计利用率为 5 2 0 7%～ 60 39%。在较高土壤肥力基础上 ,小麦、玉米年产量达 1 5 0 0 0kg hm2 ,小麦最佳氮肥施量为 1 5 0～ 1 87 5kg hm2 ,玉米为 30 0～375kg hm2 。

具有动态稀释功能的EA-IRMS联机系统在δ^(13)C和δ^(15)N测定中的应用

自然界的样品中C、N元素含量或C/N变化极大,以往的元素分析-稳定同位素比值质谱仪(EAIRMS)大多采用固定比例稀释样品气,不仅需要预先了解样品中元素含量及C/N等信息,还需要精确控制取样量。为了提高样品分析效率,本实验初步建立了具有动态稀释功能的EA-IRMS联机系统,快速分析有机碳、总氮稳定同位素比值(δ^(13) C和δ^(15) N)。结果表明,该联机系统与传统的固定比例稀释方法的δ^(13) C和δ^(15) N测定结果一致性较好(p>0.05)。对于C/N差异较大或难以精确称重的9种样品,该联机系统的δ^(13) C和δ^(15) N测定结果具有良好的重复性。通过动态稀释,δ^(13) C和δ^(15) N的测定精度分别为0.07‰～0.32‰和0.05‰～0.27‰。该联机系统在不同时间(间隔45天)的测定结果再现性良好(p>0.05),δ^(13) C和δ^(15) N的测定偏差分别小于0.2‰和0.3‰。结合动态稀释功能的EA-IRMS,无需精确控制样品质量,省时、省力,具有一定的应用前景。

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)。