15N稳定同位素成对标记方法在土壤氮转化研究中的应用

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1、土壤研究所同位素交流会2015.11，南京15N稳定同位素成对标记方法在土壤氮转化研究中的应用报告内容土壤氮初级转化速率研究方法土壤N2O来源定量方法有机氮有机氮铵态氮铵态氮硝态氮硝态氮NH3N2植物氮植物氮微生物氮微生物氮吸收吸收吸收吸收同化同化同化同化根分泌根分泌腐殖化腐殖化矿化矿化硝化硝化氨挥发氨挥发DNRA土土壤壤中中转转化化过过程程土壤氮转化过程在氮生物地球化学循环中起“调配器”的作用淋溶径流决定氮的保持能力控制氮的有效性控制氮的损失途径、形态土壤氮转化过程在氮生物地球化学循环中起“调配器”的作用反硝化反硝化再矿化再矿化关注问题：关注问题：氮转化速率、N2O来源及影响因素氮氧化物净转

2、化速率净转化速率(Net transformation rate)通过测定单位时间内氮含量净变化。初级转化初级转化速率速率(Gross transformation rate)土壤氮从一种形态转化为另一种形态的实际转化率。氮转化速率研究方法氮净转化速率氮库的净变化量氮库的变化量传统方法氮初级转化速率5NO3-植物吸收反硝化微生物固定非生物固定淋溶自养硝化有机氮NH4+有机氮氧化氮转化速率研究方法氮净转化速率氮库的净变化量氮库的变化量传统方法算术方法氮初级转化速率同位素稀释法途径数量有限Kirkham and Bartholomew,1954 6氮转化速率研究方法NH3volatilisatio

3、ndepositionN-Fert.N fixationSoil Organic MatterresiduemineralisationNH4+NO2-NO,N2ON2leachingdenitrificationimmobilisationDNRAN uptakeN uptakeN additionN lossheterotrophic nitrificationnitrificationNO2-NO3-NO2-N transformation氮循环氮循环1515N N标记方法标记方法标记方法标记方法+MCMC+MCMC方法方法方法方法计算土壤氮总转化速率计算土壤氮总转化速率计算土壤氮总转化

4、速率计算土壤氮总转化速率采用马尔柯夫链-蒙特卡洛方法计算15NH4NO3NH415NO31.成对标记2.数值模型NH4，NO3，土壤有机氮含量和丰度好气培养厌氧培养反硝化植物-土壤植物反硝化氨挥发含量变化研究含量变化研究氮净转化速率过程研究过程研究氮初级转化速率15N成对标记研究方法更好的认识土壤氮转化特点及影响因素。从土壤氮转化过程角度，阐明土壤氮去向的机理，制定调控措施。Explanation of N addition on C storages in temperate and moist tropical forests(Matson et al.,1999,Biogeochemis

5、try,46,67-83)与温带相比，湿润热带-亚热带森林土壤无机氮相对富集，能够满足植物生长需要。富氮机理？亚热带森林土壤保氮机理131.有机氮矿化速率大4.反硝化弱3.显著的NO3-微生物同化2.自养硝化小14矿化1.800.50自养硝化1.071.57NO3微生物同化0.040.11温带森林土壤SOMNH4+NO3-亚热带酸性森林土壤矿化3.421.83NO3微生物同化0.640.42自养硝化0.210.21SOMNH4+NO3-NH4微生物同化0.590.96DNRA0.050.04DNRA0.090.09NH4微生物同化1.951.76有机氮氧化0.250.30亚热带森林土壤保氮机理

6、农业利用破坏亚热带森林土壤保氮机理NH4+NO3-报告内容土壤氮初级转化速率研究方法土壤N2O来源定量方法N2O是一种重要的长寿命的温室气体N2O温室效应破坏臭氧层酸雨光化学烟雾环境问题全球平均温度变化N2O浓度变化自然植被土壤贡献了N2O总排放量的36%自然植被土壤贡献了N2O自然源的60%p土壤对N2O排放的贡献N2O排放的“管道漏气”概念模型Hole-in-the-pipe(Firestone and Davidson,1989)通过“管道”的N量“管道”上漏洞的大小N2O“管道漏气模型”NH4+NO3-N2N2O硝化作用反硝化作用N2O产生量通过管道的总氮量？各“管道”对N2O排放的贡

7、献率(N2O的产生途径)？各“管道”的N2O产生量？各“管道”的N2O产生率？(漏洞大小)影响因素？N2O“管道漏气模型”存在的问题问题1.定量化NO3-N2N2ODenitrification1980年代以前NH4+NO3-N2N2ONitrificationDenitrification1980年代以后NH4+Org-NNO3-N2N2OHeterotrophic NiAutotrophic NiDenitrification完善N2O排放模型？问题2.土壤N2O来源土壤N2O产生途径自养硝化反硝化硝化细菌反硝化异养硝化DNRAn乙炔抑制方法(between 0.1 and 10 Pa)n

8、稳定同位素方法自然丰度方法l18O,15N富集标记方法15N成对标记标记(H218O,15NH4,15NO3)各来源对土壤中N2O贡献的区分方法nStevens et al.(1997)方法分别标记15NH4和15NO3测定15NH4、15NO3、15N2O区分硝化和反硝化的贡献N2ON2ON2O排放的“管道漏气”概念模型N2ON2ON2ON2ONH4NO3NH4NO3N2On很多15N稳定同位素标记研究结果表明，一些土壤中N2O主要来源于未标记氮库，而不是NH4和NO3 库(Rtting et al.,2010)NH4NO3有机氮土壤N2O产生途径自养硝化反硝化硝化细菌反硝化异养硝化DNRA

9、NO3-N2N2ODenitrification1980年代以前NH4+NO3-N2N2ONitrificationDenitrification1980年代以后NH4+Org-NNO3-N2N2O完善N2O排放模型土壤N2O来源N2O排放的管道漏气模型NH4+Org-NNO3-N2N2OHeterotrophic NiDenitrificationAutotrophic Nip来源分析法p反向标记法p示踪模型法定量方法p通过“管道”的N量p“管道”上漏洞的大小初级转化速率l解析方法l数值方法N2O产生量/总转化N量N2O产生速率*时间/初级转化速率*时间N2O产生速率/初级转化速率p各“管道

10、”对N2O排放的贡献率来源分析法定量方法p通过“管道”的N量p“管道”上漏洞的大小初级转化速率l解析方法l数值方法N2O产生量/总转化N量N2O产生速率*时间/初级转化速率*时间N2O产生速率/初级转化速率p各“管道”对N2O排放的贡献率15N标记方法区分N2O产生过程“管道漏气模型”的定量化u15NH4NO3和NH415NO3成对标记或增加15NH415NO3l测定NH4+(aNH4)、NO3-(aNO3-)、有机氮(aorg)和N2O（aN2O）15N丰度。(其中：d+n+h=1)p各“管道”对N2O排放的贡献率p各“管道”的N2O排放量p各“管道”的N2O产生率土壤N2O来源及其定量化N2O排放的管道漏气模型NH4+Org-NNO3-N2N2OHeterotrophic NiDenitrificationAutotrophic Nip来源分析法p反向标记法p示踪模型法初级转化速率l解析方法l数值方法N2O产生量/总转化N量N2O产生速率*时间/初级转化速率*时间N2O产生速率/初级转化速率定量化15N同位素示踪测定各来源对土壤N2O产生的贡献pH 4-8SOC 4-60 g/kgTN 0.4-4 g/kgC/N 6-22土壤理化性质37谢谢感谢南京土壤研究所各位老师的支持