15N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,15N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15N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.     

利用15N揭示滴灌区盐旱胁迫对土壤氮素分布与棉花生长的影响

为了探究盐旱胁迫对土壤中氮素分布和棉花生长的影响,通过测坑试验研究滴灌区不同盐分、干旱条件下土壤全氮、硝氮、氨氮的分布和棉花生长情况。试验设置3种盐分梯度的土壤（电导率,EC）：3,6,9 dS/m,分别用T1、T2、T3表示;3个灌水量：2 700,3 600,4 500 m³/hm²,分别用W1、W2、W3表示（4 500 m³/hm²为当地推荐灌水量）。结果表明：当土壤盐分梯度> 3 dS/m时土壤全氮累积量显著高于低盐土壤（P<0.05）,且土壤盐分对棉花花期生长影响较大。土壤的氨氮挥发量和土壤盐分梯度成正比。土壤硝态氮的淋失与灌水量呈正比,与正常灌水量的硝态氮淋失相比,水分胁迫对棉花产量的影响更为严重（P<0.01）。随土层深度的增加,土壤碱解氮以每20 cm土层8%的速度减少。各处理土壤¹⁵N残留率为11%~40%,随土壤盐度增加而增加,随灌水量增加而减少,与土壤全氮含量呈正比,与棉花产量呈反比。综上所述,T1W3处理更有利于棉花对氮肥的利用和产量的提高,推荐滴灌区棉花土壤盐度<3 dS/m,灌水量4 500 m³/hm²,可在花期适当提高施肥量以稳定产量。     

N2O产生法测定土壤无机态氮15N丰度

用化学方法分别将土壤中微量的铵、硝酸盐和亚硝酸盐转化为N2O气体,然后用带自动预浓缩装置的同位素比值质谱仪测定N2O中的15N丰度.N2O中的15N丰度测量值完全符合铵、硝酸盐和亚硝酸盐的15N参考值.方法快速、简单和准确,不受空气氮的污染.特别是方法的检测限很低,每批次样品中只需含5～ 20μg N.它将有助于土壤氮素的矿化作用、硝化作用和反硝化作用的研究.     

采用15N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。     

一种直接测定硝化—反硝化气体的15N示踪—质谱法

本文对¹⁵N示踪—质谱法的可靠性进行了检验。结果表明,在不同的¹⁵N丰度气体样品的测定中,用两种方法(反硝化作用源的¹⁵N丰度法和气样的¹⁵N丰度法)计得的反硝化损失量基本一致,故建立起来的¹⁵N示踪—质谱法是可靠的。该方法的测定偏差随气样¹⁵N丰度的降低而增大。此外,回收率结果表明,(N₂+N₂O+NO_x)-¹⁵N累积释放量占加入NO₃-¹⁵N量的94.1％。因此,这一方法可用于直接测定氮肥的硝化—反硝化损失的研究中。     

土壤C/N对苹果植株生长及氮素利用的影响

土壤C/N是土壤氮素循环的重要影响因素。本研究以2年生"富士"/平邑甜茶为试验材料, 应用¹⁵N示踪技术研究了不同土壤C/N[6.21(CK)、10、15、20、25、30、35和40]对苹果植株生长及氮素利用和损失的影响。结果表明: 随着土壤C/N比值的逐渐增大, 苹果新梢长度和植株鲜重均呈先升高后降低的变化趋势, C/N=15、20和25的3个处理苹果新梢长度和植株鲜重最大, 三者间无显著差异, 但均显著高于其他处理。不同C/N处理间植株15N利用率存在差异, 土壤C/N=25时, 植株¹⁵N利用率最大, 为22.87%, 与C/N=20的处理间无显著差异, 但两者均显著高于其他处理; 土壤C/N=40时, 植株¹⁵N利用率最低, 仅为15.43%, 低于CK处理的16.65%。土壤C/N处于15~25时, 植株吸收的氮素来自于肥料氮的比例较高; 而土壤C/N较低(<15)或太高(>25)时, 植株吸收的氮素来自于土壤氮的比例较高。土壤氮素残留量随土壤C/N的增大逐渐增加, C/N=40处理的土壤氮素残留量是CK的1.32倍。随着土壤C/N比值的逐渐增大, 肥料氮损失量呈先减少后增加的变化趋势, 以C/N=25时最少, 仅为施氮量的49.87%, 而对照最大, 为61.54%。因此, 综合土壤C/N对苹果植株生长及氮素平衡状况来看, 土壤C/N为15~25时, 能促进植株的生长发育, 降低氮肥损失, 提高肥料利用率。     

盆栽和田间条件下土壤15N标记肥料氮的转化

利用¹⁵N在盆栽条件下研究了铵的矿物固定作用对肥料氮在三种土壤中转化的影响.结果表明,红壤性水稻土不固定肥料铵,但在白土和夹沙土中,56-77%的肥料氮被土壤矿物所固定,这些“新固定”的固定态铵的有效性很高,其中90%以上在30-50天内即被水稻所吸收,或者为微生物所利用转变为生物固定态氮.生物固定态氮对当季作物的有效性远较“新固定”的固定态铵的低.田间微区试验的结果还表明,甚至第二、三季作物吸收的残留肥料氮中,20-86%的氮也系来自固定态铵.作者认为,对具有较强固铵能力的土壤来说,只有了解铵的矿物固定作用,才能正确了解肥料氮的其它转化过程.     

长期施用家畜废弃物堆肥对土壤剖面15N自然丰度的影响

通过对两个长期田间试验的研究,分析了日本火山灰土(Andisols)及其溶液中15N自然丰度(δ 15N)在土壤剖面的分布,其目的是为了评价δ15N值能否作为预测家畜废弃物氮在迁移转化过程中形成的NO3-N污染的指标.在日本中央农业综合研究中心(NARC)进行了6年的试验处理包括猪场废弃物堆肥(猪粪堆肥),缓释尿素(缓释肥),普通铵态氮肥(普通化肥),及不施肥(对照);而在日本农业研究所(NARI)进行了12年的试验则包括三个施用量的牛场废弃物堆肥(牛粪堆肥),以该地长期不施肥的森林土壤(森林)作为对照.研究结果表明在NARC长期施用猪粪堆肥显著改变了δ15N值在土壤剖面的分布模式,猪粪堆肥小区0～20cm的δ15N值最高,然后按对照≥普通化肥＞缓释肥排列,原因主要为猪粪堆肥本身的δ15N值较高及其随后在土壤中的转化等反应;缓释肥处理后的土壤δ15N值最低,表明缓释肥施入土壤后的循环速率较慢或相对于施肥量其损失较低.在NARI,土壤δ15N值随着施肥量的增加而升高.同样不施肥条件下,NARI的森林土壤剖面的δ15N值比相对应的NARC的对照土壤剖面值高1～2个δ单位.NARC土壤剖面100 cm收集的土壤溶液的δ15N值的大小排列为猪粪堆肥＞普通化肥≥对照＞缓释肥;并且普通化肥小区土壤溶液δ15N最低值出现在剖面深度200～250 cm左右.以上结果显示土壤表层或土壤溶液中的δ15N值将有助于我们在火山灰土地区定性地预测污染物来源.     

农耕地土壤137Cs与210Pbex深度分布过程对比研究

探讨了137Cs与210Pb_ex在农耕地土壤深度分布过程的差异。基于137Cs与210Pb_ex的不同沉降过程,考虑到核素由犁耕层向犁底层的扩散,对农耕地土壤137Cs、210Pb_ex的深度分布过程进行了理论推导,并以杨凌符家庄麦田剖面的实测数据予以验证,同时讨论了实测符家庄麦田剖面137Cs、210Pb_ex深度分布的规律特征及其原因,以此阐明了137Cs与210Pb_ex在农耕地土壤深度分布过程的差异。137Cs源于大气核试爆,没有持续沉降补充,犁耕层和犁底层土壤137Cs深度分布一直处于随时间变化的非稳定态;而210Pb_ex是天然核素,存在大气沉降的持续补充,犁耕层和犁底层土壤210Pb_ex深度分布最终呈稳定态。农耕地土壤137Cs、210Pb_ex深度分布的实测值曲线与理论值曲线的差异,尤其210Pb_ex,可能与耕作深度的变化历史或土地利用(覆被)变化有关。     

青贮玉米-牛粪尿体系的15N标记及氮素转化研究

15N示踪技术已开始应用于畜禽粪便氮素循环与利用研究领域,而15N在畜禽粪便不同组分和不同形态氮素中的丰度与数量将直接影响到畜禽粪便15N示踪去向与氮素实际去向的一致性。为了解15N在畜禽粪便标记过程的转化特点和在标记粪尿的分布特征,本文首先采用改进的、含有15N标记硫酸铵(60 atom%15N)的Hoagland营养液砂培种植15N玉米,然后将15N玉米和普通玉米以55∶45的氮配比作为混合青贮饲料饲喂1头已空腹2 d的2龄黄牛,饲喂4 d后停喂2 d,收集全部牛粪尿并对其不同组分和形态氮素的15N丰度和数量进行分析。结果表明:标记玉米、混合青贮饲料、牛粪尿的15N丰度分别为48.024%、26.579%和8.044%;标记玉米对硫酸铵15N的回收率为26.3%,牛粪尿对标记玉米15N回收率为36.0%。在收集的牛粪尿氮中,牛粪全氮、牛尿全氮、牛粪铵态氮和牛尿铵态氮量分别占70.25%、29.75%、5.44%和0.03%,其15N丰度分别为9.223%、5.261%、6.505%和5.419%。在短期内通过饲喂黄牛15N青贮饲料制备的标记牛粪尿中,15N丰度在不同组分和形态氮素中的分布并不相同,牛尿氮的15N丰度低于牛粪氮,矿质态和易于矿化态氮的15N丰度低于不易矿化态氮。     

Estimates of Gross Transformation Rates of Dairy Manure N Using 15N Pool Dilution

Abstract

Most measurements of dairy manure nitrogen (N) availability depend on net changes in soil inorganic N concentration over time, which overlooks the cycling of manure N in the soil. Gross transformations of manure N, including mineralization (m), immobilization (i), and nitrification (n), can be quantified using ¹⁵N pool dilution methods. This research measures gross m, n, and i resulting from application of four freeze‐dried dairy manures that had distinctly different patterns of N availability. A sandy loam soil (coarse‐loamy, mixed, frigid Typic Haplorthod) was amended with four different freeze‐dried dairy manures and incubated at 25°C with optimal soil water content. The dilution of ¹⁵ammonium (NH4⁺) during a 48‐h interval (7–9 d and 56–58 d after manure application) was used to estimate m, whereas the dilution of ¹⁵nitrate (NO₃ ^?) was used to estimate n. Gross immobilization was calculated as gross minus net mineralization. Gross mineralization in the unamended soil was similar at 7‐ to 9‐d and 56‐ to 58‐d intervals and was significantly increased by the application of manures. For both amended and unamended soil, m was much greater (i.e., three‐ to nine‐fold) than estimated net mineralization, illustrating the degree to which manure N can be cycled in soil. At the early interval, both m and i were directly related to the manure C input, demonstrating the linkage between substrate C availability and N utilization by soil microbes. This research clearly shows that the application of dairy manures stimulates gross N transformation rates in the soil, improving our understanding of the impact of manure application on soil N cycling.     

固态13C和15N核磁共振法研究15N标记土壤的腐殖质组分

Five humic fractions were obtained from a uniformly ^15N-labelled soil by extraction with 0.1 mol L^-1 Na4P2O7,0.1mol L^-1 NaOH ,and HF/HCl-0.1 mol L^-1 NaOH,consecutively,and analyzed by ^13C and ^15N CPMAS NMR (cross polarization and magic angle spinning nuclear magnetic resonace).Compared with those of native soils humic fractions studied as a whole contained more alkyls ,methoxyls and O-alkyls,being 27%-36%,17%-21%and 36%-40%,respectively,but fewer aromatics and carboxyls(bein 14%-20% and 13%-90%,respectively),Among those humic fractions ,the humic acid(HA)and fulvic acid(FA) extracted by 0.1 mol L^-1 Na4P2O7 contained slightly more carboxyls than corresponding humic fractions extracted by 0.1 mol L^-1 NaOH ,and the HA extacted by 0.1 mol L^-1 NaOH after treatment with HF/HCl contained the least aromatics and carboxyls.The distribution of nitrogen functional groups of soil humic fractions studied was quite similar to each other and also quite similar to that of humic fraction from native soils.More than 75% of total N in each fraction was in amide from,with 9%-13% present as aromatic and /or aliphatic amines and the remainder as heerocyclic N.     

应用15N核磁共振技术对苯聚合物结合蛋白中氮形态的研究

Phenolic polymers synthesized by reactions by reactions of p-benzoquinone with 15N-labelled protein or (15NH4)2SO4 were studied by using 15N CP-MAS NMR technique in combination with chemical approaches.Results showed that more than 80% of nitrogen in quinone-protein polymers was in the form of amide with some present as aromatic and /or aliphatic amine and less than 10% of nitrogen occurred as heterocyclic N.The nitrogen distribution in the non-hydrolyzable residue of the quinone-protein polymers was basically similar to that of soil humic acid reported in literature with the exception that a higher proportion of N as heterocyclic N and aromatic amine and a lower proportion of N as amide and aliphatic amine were found in the former than in the latter,More than 70% of total nitrogen in quinone-(NH4)2OS4 polymer was acid resistant ,of which about 53% occurred as pyrrole,nitrile and imion type N.The possible roles of the reactions of phenols or quinones with proteins in the formation of humic acid.especially the non-hydrolyzable nitrogen in humicacid,are discussed.     

施氮量对嘎啦幼苗~(15)N、~(13)C分配利用特性影响

【目的】采用15N、13C同位素示踪技术,通过对不同施氮量下嘎啦幼苗生长状况及氮、碳分配、利用特性等的研究,以期为苹果生产合理施肥提供依据。【方法】将2年生盆栽嘎啦幼苗进行低、中、高三个氮水平处理,同时进行15N标记。在新梢旺长初始期、新梢旺长期、新梢缓长期分别进行整株13C标记,72小时后,整株解析为叶、梢、根三部分,进行15N、13C测定。样品全氮用凯氏定氮法测定,15N丰度用ZHT-03质谱计测定。13C丰度用DELTA V Advantage同位素比率质谱仪测定。【结果】1)中、高氮水平的施肥处理可在不同程度上提高整株及叶片干物质量和新梢长度。新梢旺长初始期和新梢缓长期嘎啦幼苗整株干物质量、新梢旺长期叶片干物质分配比率在中、高氮水平处理间差异不显著,中氮水平经济有效。新梢旺长期以后新梢长度以中氮高氮低氮,三者间差异性显著,中氮处理有利于新梢生长。2)在新梢旺长初始期,低氮处理植株叶片15N分配率达50%,比其他处理高出13个百分点左右,表明低氮处理更多的氮被叶片所利用,中氮和高氮处理间差异不显著,说明在本试验施氮条件下中氮供应水平已能满足氮素营养需求。3)新梢旺长期和新梢缓长期幼苗13C固定量均以中氮处理最高,新梢旺长初始期3个处理间根系13C分配率中氮高氮低氮,表明中氮处理有利于碳同化物在嘎啦幼苗中的分配。4)不同施氮量处理的嘎啦幼苗,15N利用率随施氮水平提高而降低,高氮处理对碳同化物分配没有显著贡献。【结论】低、中、高氮不同处理新梢缓长期碳同化物在各器官间的分配比较均衡,氮素水平不能影响碳同化物的分配。盆栽试验表明,中氮水平在保证营养供应的同时,能够促进新梢生长和树势健壮。     

Gross N transfer rates in field soils measured by 15N-pool dilution

Abstract

A micro-plot ¹⁵N-tracer experiment was established in three different soils of a long-term soil fertility field experiment. The nutrient-poor loam sand has been subjected to various treatments over the years and this has resulted in different organic C (0.35% – 0.86%), microbial biomass (38.3 – 100.0 µg C _mic g^?1 soil), clay and fine silt contents. Using the ¹⁵N-pool dilution technique, we assessed gross N-transfer rates in the field. Gross N mineralization rates varied strongly among the three plots and ranged between 0.4 and 4.2 µg N g^?1 soil d^?1. Gross nitrification rates were estimated to be between 0 and 2.1 µg N g^?1 soil d^?1. No correlation between gross N mineralization rates and the organic matter content of the soils was established. However, gross nitrate consumption rates increased with increasing soil C content. The ¹⁵N-pool dilution technique was successfully used to measure gross N transfer rates directly in the field.     

根际施肥空间大小对15N吸收利用及桃幼树生长的影响

【目的】探讨树盘施肥区域大小对氮素吸收与分配的影响以及适合桃园的施肥模式,以期为桃树栽培生产提供有益的参考。【方法】在大田栽培条件下,以2年生春雪桃为试材,以主干为中心,在水平方向把树盘均匀分为东西南北4个区,设置1/4、 2/4、 3/4、 4/4根区施肥以及固定根区施肥和根区交替施肥,以不施肥处理为对照,共7个处理。生长季定期测定桃树干茎,试验结束时,破坏性整株取样,解析为各施肥区与非施肥区对应的地上部和地下部,地上部解析为对应根区的枝、 叶和干; 地下部解析为对应根区的粗根（直径＞0.2 cm）和细根（直径0.2 cm）,烘干后测定各部分干重。应用15N同位素示踪技术,研究树盘施肥区域大小对15N吸收利用及桃幼树生长的影响。【结果】4/4根区（全树盘）施肥氮肥吸收利用率为4.16%,分别为1/4、 2/4、 3/4根区施肥的3.62倍、 1.65倍和1.24倍; 固定根区施肥氮肥吸收利用率是根区交替施肥的1.24倍。局部施肥处理,施肥区根系的Ndff值高于非施肥区根系的Ndff,差异显著; 施肥区根系的15N分配率高于非施肥区根系的15N分配率,差异显著; 施肥区对应的地上部新生器官的15N分配率和Ndff值与非施肥区对应的地上部新生器官的15N分配率和Ndff值均无显著差异。施肥区的根系总干重均小于非施肥区根系的总干重。总体以全树盘施肥处理植株生长速率最大,4/4根区（全树盘）施肥植株生长速率为0.57 cm/month,分别为1/4、 2/4、 3/4根区施肥的1.19倍、 1.14倍和1.04倍; 根区固定施肥与根区交替施肥处理植株生长速率无显著差异。【结论】全树盘施肥氮肥吸收利用率最高,植株生长速率最大,即均匀施肥有利于桃幼树对养分的吸收利用,利于桃幼树形态建成,促进树体生长发育。     

黄土高原旱地夏季休闲期~(15)N标记硝态氮的去向

夏季休闲是黄土高原旱地小麦常见的蓄纳雨水、恢复地力的措施。随着氮肥用量的增加,一季小麦收获后,旱地土壤剖面累积的硝态氮量不断增加,休闲期间降雨量高,残留硝态氮的去向是值得研究的问题。利用~(15)N标记法研究小麦收获后残留肥料氮在黄土高原旱地(陕西长武)夏季休闲期间的去向,即小麦收获后在微区土壤表层(0~15 cm)施入~(15)N标记的硝态氮肥(30 kg hm~(-2)(以纯氮计),约相当于当地小麦一季作物收获后土壤残留肥料氮量),休闲结束后,采集0~200 cm土壤样品,测定了土壤全氮、硝态氮含量及其~(15)N丰度。结果表明,小麦收获(即休闲开始)时0~200 cm土壤剖面硝态氮累积量在205~268 kg hm-2之间(平均244 kg hm~(-2)),累积量较高。夏季休闲期间降水量为157 mm,属欠水年,但休闲结束后,~(15)N标记肥料氮向下迁移已达80 cm土层,下移深度在45~65cm之间,说明,旱地休闲期间硝态氮的淋溶作用不可忽视。夏季休闲结束后,加入的~(15)N标记肥料氮平均损失率为28%,损失机理值得进一步研究。     

开垦年限对黑土氮初级转化速率和净转化速率的影响

以东北黑土区开垦2 a和开垦30 a的典型旱作土壤为研究对象,采用15N同位素成对标记技术开展室内培养试验,利用数值计算模型(FLUAZ)计算不同开垦年限土壤的氮初级转化速率,以比较不同开垦年限黑土氮初级转化速率和净转化速率的差异,明确开垦年限对黑土氮转化过程的影响。结果表明,与开垦2a土壤相比,开垦30a土壤的有机碳和水溶性有机碳含量显著降低,导致土壤氮初级矿化速率和初级固定速率也显著降低。但开垦30a土壤的初级硝化速率、净硝化速率和净氮矿化速率却显著高于开垦2a土壤。两个开垦年限土壤的初级硝化速率分别为净硝化速率的1.15倍和1.02倍,说明土壤微生物对硝态氮的固定很少。开垦30a土壤的m/i值(氮初级矿化速率与初级固定速率之比)和n/ia值(初级硝化速率与初级铵态氮固定速率之比)均显著大于1,而开垦2 a土壤的m/i值和n/ia值均接近1。表明开垦2 a土壤的氮矿化与固定过程紧密偶联,氮素损失的风险较小,而开垦30 a土壤中氮矿化量超过了固定量,这为硝化作用的进行提供了底物,增加了硝酸盐反硝化和淋溶风险。