酸性森林土壤亚硝态氮转化及其主要影响因素
发布时间：2020-08-15 00:19
【摘要】：在土壤的众多氮库中,NO_2~--N浓度通常很低,因此长期以来NO_2~--N的转化过程被大多数学者忽视,但是在土壤氮转化过程的研究中发现,No2--N是多数氮转化过程中非常重要的中间产物,包括自养硝化、异养硝化、反硝化等过程,显然阐明土壤NO_2~--N的转化过程及影响因素,对于深入认识土壤氮转化过程具有重要的意义。本研究利用15N稳定同位素成对标记技术,研究了酸性森林土壤NO_2~--N的来源和去向,定量了其产生和消耗速率,并分析了其主要影响因素。针对酸性条件下提取过程中NO_2~--N不稳定的问题,本研究首先改进了酸性土壤中NO_2~--N的提取方法。结果表明,在强酸性土壤NO_2~--N的提取过程中,土壤/KCl悬浮液的pH值保持在5.0-6.0,振荡时间为30 min时,能同时保证土壤NH_4~+-N和NO_2~--N的提取效率。对于强酸性土壤(pH6.0),推荐使用KCl溶液和pH 8.4的缓冲液混合溶液(KCl溶液/缓冲液比为4/1)作为提取液(土/液比为1/5)。对于pH值在7.5以上的土壤样品,推荐使用KCl溶液和pH 7.5的缓冲液混合溶液(KCl溶液/缓冲液比为4/1)作为提取液(土/液比为1/5)。对于pH值在6.0-7.5的土壤样品,可以直接使用2 M KCl溶液提取。与对照相比,改进方法后强酸性土壤中NO_2~--N的回收率从21%-63%增加到90%以上,同时也能保证土壤NH_4~+-N的提取效率。土壤中NO_2~--N浓度通常很低,导致其15N丰度的测定也非常困难。针对这一问题,我们参照国外文献介绍,改良了测定NO_2~--N、NO_3~--N、NH_4~+-N中15N丰度的前处理方法,在本实验室建立了 N_2O产生法替代传统的蒸馏分离和扩散分离法测定提取液无机氮15N丰度的方法。结果表明,三种无机态氮制备成N_2O后,15N的测定值与标准样品值的线性关系很好.R2均能达到0.99以上,标准样品和土壤示踪试验样品在测定中均获得很好的测定精度。N_2O产生法的操作过程简单、需要样品量少、反应快速、结果准确且灵敏度高,解决了酸性土壤中NO_2~--N含量较低不易检测的难题,为更准确地研究氮土壤转化过程提供了技术支撑。在建立以上研究方法的基础上,采用15N示踪技术首先研究了 KCl溶液提取酸性土壤无机态氮过程中NO_2~--N的动态,评估提取过程中NO_2~--N的变化对于土壤氮转化过程速率测定的可能影响。结果表明,在KCl溶液提取酸性土壤无机态氮过程中,如果不调节提取液pH值,NO_2~--N会发生快速、剧烈的化学反应,导致NO_2~--N较高的消耗速率,同时也会有明显的NO_2~--N产生过程。土壤有机氮是振荡提取过程中NO_2~--N的主要来源,土壤pH是调节此过程的关键因素,在此过程中消耗速率显著高于产生速率。土壤有机氮库也是NO_2~--N的主要去向。提取过程中NO_2~--N的产生和消耗与NO_3~--N还原和NH_4~+-N氧化过程无关,所以并不影响以前的研究中使用同位素稀释法和成对标记法计算NH_4~+-N和NO_3~-N有关的初级转化速率研究结果的准确性,但是NO_2~--N含量和15N丰度的显著降低会明显影响酸性土壤中NO_2~--N的转化研究,建议在研究NO_2~-N动态时,调节KCl提取溶液的pH值。在我国温带和亚热带地区分别采集三种酸性森林土壤样品,采用本研究建立的方法,研究了酸性森林土壤中NO_2~--N的转化过程及其影响因素。结果发现NO_2~--N转化非常迅速,是酸性森林土壤氮转化的关键驱动力。在所研究的酸性森林土壤中,土壤有机氮是NO_2~--N的主要来源,说明NO_2~--N是有机氮异养硝化过程的重要中间产物,土壤pH是调节此过程的关键因素,同时NO_2~--N的平均初级消耗速率显著高于初级产生速率。NO_3~--N和土壤有机氮库是NO_2~--N的主要去向。DON是亚热带强酸性森林土壤中NO_2~--N另外一个重要的去向,而在温带酸性森林土壤DON库中并未检测到标记的15N。在亚热带强酸性森林土壤中NO_2~--N也可能通过化学分解转化为NO和N02。研究NO_2~--N库的转化过程及其影响因素对于深入认识土壤氮转化过程具有重要的意义,因此,我们强烈建议在研究氮转化过程时需要考虑NO_2~--N的转化过程。以上研究表明,pH和有机质可能是影响N02--N动态的重要因素,为了深入研究pH和C/N对土壤NO_2~--N动态的影响,我们选取两种酸性土壤,设定了不同pH和C/N梯度,研究不同pH和C/N条件下NH_4~+-N、NO_3~--N和有机氮对NO_2~--N产生的贡献。结果表明,C/N明显影响土壤NO_2~--N来源。随着C/N的增加,NO_3~--N库对NO_2~--N产生的贡献逐渐减小,农田土壤从10%左右减少到4%左右,林地土壤从初始的14%左右减少到2%左右。有机氮异养硝化对NO_2~--N产生的贡献则正相反,其随着C/N的增加而增大,这与已有的报道一致。两种酸性土壤在pH 4.5和pH 5.5时NO_3~--N库对NO_2~--N的贡献高于其他pH梯度,而pH 3.5时有机氮库对NO_2~--N产生的贡献率超过了 97%,在林地土壤中这一比例几乎达到100%。在本试验的所有处理中,NH_4~+-N库对NO_2~--N的产生几乎没有贡献。通过本项研究,我们改进了酸性土壤中的NO_2~--N的提取方法,提高了 NO_2~--N的提取效率;优化了NO_2~--N中15N丰度的测定方法,有效地解决了酸性土壤中NO_2~--N含量较低而15N丰度不易检测的难题。首次详细研究了我国六种酸性森林土壤中NO_2~--N的动态,定量了 NO_2~--N的初级产生和消耗速率,明确了 NO_2~--N的来源和去向,并分析了主要影响因素,为深入认识土壤氮转化过程提供了技术支持和数据支撑。
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S714
【图文】：
２００２）。过去几十年的研究显示，氮循环是土壤中重要的生物地球化学循环，逡逑也是影响全球气候变化的一个重要因素。氮循环过程包括土壤氮输入、输出过程逡逑和氮形态转化过程（图１．１）。土壤中的氮以有机和无机形态存在，并且以有机态逡逑氮为主，占９５％以上，而无机态氮包括铵态氮（ＮＨ／－Ｎ）、硝态氮（ＮＣＶ－Ｎ）、逡逑亚硝态氮（Ｎ０２＿－Ｎ）、一氧化氮（ＮＯ）、氧化亚氮（Ｎ２０）和氮气（Ｎ２）等（Ｓｐｒｅｎｔ，逡逑］９８７）。土壤中不同形态的l#可以相互转化（Ｓｐｏｔｔｅ／ｏ／．，邋２０１１；邋Ｂｕｔｔｅｒｂａｃｈ－Ｂａｈｌ逡逑２０１３；邋Ｍｉｉｉｌｅｒ和Ｃｌｏｕｇｈ，邋２０１４），氮转化的过程众多，非常复杂，目前并没有被完逡逑全认识清楚。逡逑ＴＶ逦逦—＞１１ＵＩＨＨ邋Ｉ邋邋ｍｉｌＪ．＿．逡逑．Ｙ邋ｆｉｘａｔｉｏｎ逦、—逡逑孕逦ｆ邋ｎ0Ｌ0邋ｊ逡逑ｊ￣￣￣￣￣｜逦ｓｊｌ邋：逡逑ｔｉ逦Ｈｉ逡逑ｒｗｉ逦逡逑Ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ逦？邋ｔ．逡逑Ｌｃａｃｆｕｎｇ逡逑／逦Ｎ邋：逦＊%煎义希苠澹幔洌洌椋簦椋铮铄危模粒遥铃义希摺觥觥觥镥澹唬皱澹欤铮螅箦义闲腻澹掊澹埽蝈澹簦颍幔睿螅妫铮颍恚幔簦椋铮铄澹掊义贤迹保甭降氐饭蹋ǖ淙耄躺
本文编号：2793735
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S714
【图文】：
２００２）。过去几十年的研究显示，氮循环是土壤中重要的生物地球化学循环，逡逑也是影响全球气候变化的一个重要因素。氮循环过程包括土壤氮输入、输出过程逡逑和氮形态转化过程（图１．１）。土壤中的氮以有机和无机形态存在，并且以有机态逡逑氮为主，占９５％以上，而无机态氮包括铵态氮（ＮＨ／－Ｎ）、硝态氮（ＮＣＶ－Ｎ）、逡逑亚硝态氮（Ｎ０２＿－Ｎ）、一氧化氮（ＮＯ）、氧化亚氮（Ｎ２０）和氮气（Ｎ２）等（Ｓｐｒｅｎｔ，逡逑］９８７）。土壤中不同形态的l#可以相互转化（Ｓｐｏｔｔｅ／ｏ／．，邋２０１１；邋Ｂｕｔｔｅｒｂａｃｈ－Ｂａｈｌ逡逑２０１３；邋Ｍｉｉｉｌｅｒ和Ｃｌｏｕｇｈ，邋２０１４），氮转化的过程众多，非常复杂，目前并没有被完逡逑全认识清楚。逡逑ＴＶ逦逦—＞１１ＵＩＨＨ邋Ｉ邋邋ｍｉｌＪ．＿．逡逑．Ｙ邋ｆｉｘａｔｉｏｎ逦、—逡逑孕逦ｆ邋ｎ0Ｌ0邋ｊ逡逑ｊ￣￣￣￣￣｜逦ｓｊｌ邋：逡逑ｔｉ逦Ｈｉ逡逑ｒｗｉ逦逡逑Ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ逦？邋ｔ．逡逑Ｌｃａｃｆｕｎｇ逡逑／逦Ｎ邋：逦＊%煎义希苠澹幔洌洌椋簦椋铮铄危模粒遥铃义希摺觥觥觥镥澹唬皱澹欤铮螅箦义闲腻澹掊澹埽蝈澹簦颍幔睿螅妫铮颍恚幔簦椋铮铄澹掊义贤迹保甭降氐饭蹋ǖ淙耄躺
本文编号：2793735
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