土壤中碳酸盐的碳氧同位素分析

本文采用磷酸法分析土壤中碳酸盐的碳、氧同位素组成,对分析方法和制样装置作了叙述,比较了经不同预处理土壤的碳、氧同位素值,指出土壤有机碳的存在不影响碳酸盐同位素组成的精密测定,有氧灼烧预处理土壤样品对分析结果有明显影响,使δ~13C和δ~18O值降低。测定多种标准样品表明,此方法准确、可靠,重复制样测定的标准偏差在0.1‰以内。     

基于同位素特征的华北平原菜地N2O排放监测中取样时间的探讨

【目的】为了长期监测土壤释放N2O的通量和同位素变化规律,了解产生N2O的微生物过程,提高对N2O排放量和排放系数估计的准确性,需要对N2O的日变化规律做深入研究,以便获得具有代表性的取样时间点及密闭时间。【方法】采用田间原位试验对华北平原的莴苣菜地进行了N2O排放监测,选取N2O排放高峰期即施肥灌溉后5~6 d为监测时间段,采用静态气体箱收集土壤释放的N2O气体,结合气相色谱和质谱技术测定N2O的含量及其同位素值(δ15N-N2O,δ18O-N2O和SP)。试验设2种取样间隔,即2 h和10 min,分别对N2O日变化规律和密闭时间进行研究。【结果】 1)在莴苣菜地N2O排放高峰期内,N2O通量日变化范围为34.65~131.45 μg/(m2·h),最大和最小的通量分别发生在13: 00和次日5: 00,9: 00的N2O通量为83.66 μg/(m2·h),与日通量平均值82.81 μg/(m2·h)相接近。N2O通量产生日变化的原因与土壤温度有关,相关分析表明,N2O通量与地下5 cm处土壤温度呈显著正相关(R2=0.82, P＜0.01),而与土壤充水孔隙度(WFPS)无显著相关性。2)24 h内,δ15Nbulk-N2O和δ18O-N2O随着时间呈现先降低后增加的变化趋势,变化范围分别为－31.22‰~－11.09‰和－7.45‰~-0.68‰; SP值随时间呈现先增加后降低的变化趋势,变化范围为16.13‰~26.41‰。N2O各个同位素值随时间的变化表明产生N2O的微生物过程随之变化,但SP值在9: 00~17: 00较稳定,变化范围为23.26‰~26.21‰,极显著高于其他时刻(P＜0.01),表明硝化作用在这一时间段内对N2O的产生起主导作用。3)扣箱40 min后, N2O含量、 δ15N-N2O和SP值都达到稳定状态,因此选取40 min作为单次观测N2O含量和同位素变化的密闭时间。4)24 h内N2O通量加权SP值为22.54‰。根据前人总结的规律,本研究中N2O主要由细菌硝化作用产生,且估计60.92%的N2O来自于细菌硝化作用, 39.08%的N2O来自于反硝化作用。【结论】华北平原莴苣菜地的N2O通量和同位素值具有较大的日变化,综合N2O通量和同位素值,建议选取9: 00作为观测莴苣菜地N2O排放通量和同位素特征值变化规律的时刻,建议静态气体箱密闭时间为40 min。     

硅胶管气样原位采集技术研究土壤N_2O浓度及通量变化

箱法被广泛用于监测土壤N_2O排放通量,但在原位采集高浓度土壤N_2O、全天候监测N_2O通量变化、动态研究土壤剖面N_2O的行为等方面存在弊端.本研究通过室内模拟硅胶管对N_2O的通透性,探索硅胶管用于原位采集土壤气样的理论可行性.田间试验设施用铵态氮肥(NH_4~+)、施用硝态氮肥(NO_3~-)及施用硝态氮肥加葡萄糖(NO_3~-+C)等3个处理,同时安置硅胶管和采样箱,验证硅胶管法在原位采集高浓度土壤N_2O气样、监测土壤N_2O浓度以及排放通量的实际效果,并与箱法进行比较.结果表明,硅胶管内外的N_2O气体经2.9 h达到95%的平衡,完伞能满足大田采样要求;用硅胶管法原位采集高浓度土壤N_2O气样的效果显著优于箱法采样.其浓度变化表现出明显的时间规律,浓度梯度法计算的N_2O排放通量与箱法测定结果呈显著正相关,但数值偏低;偏低的程度取决于采样位置和土壤中N_2O产生位置的匹配程度.建议采用埋于土壤表层的硅胶管计算地面N_2O排放通量,或在不同土层埋人硅胶管研究土壤剖面N_2O行为的时空变异.     

黄土丘陵区不同土地利用类型土壤CO_2,N_2O通量特征

以黄土丘陵区园则沟小流域农地、撂荒草地、红枣林3种土地利用类型为单元,采用静态箱—气象色谱法对生长季土壤CO_2,N_2O两种温室气体进行定位监测,研究退耕还林(草)工程实施后不同土地利用类型土壤CO_2,N_2O排放通量特征。结果表明:生长季农地、撂荒草地、红枣林土壤CO_2排放通量均值分别为300.39,273.31,173.80mg/(m~2·h),季节变化均呈单峰型;农地、撂荒草地、红枣林N_2O通量均值分别为7.08,9.26,0.52μg/(m~2·h),土地利用类型未明显改变N_2O通量的季节特征,各处理均于6—7月出现较大值,其他时期均较低或出现负排放并呈现较为复杂的源汇特征。土壤10cm温度与土壤CO_2,N_2O相关关系高于土壤水分,而3种土地利用类型下N_2O通量与土壤水分均不相关,二元线性回归结果显示水热双因子解释了54%~78%的土壤CO_2通量变异。综合分析表明黄土丘陵区退耕还草后土壤CO_2未有显著变化,土壤N_2O则随土壤基质条件的改善呈现上升趋势(p0.01);坡耕地改为经济林后土壤CO_2,N_2O通量均有一定程度减少(42.1%~92.7%),且更容易出现N_2O的负排放。     

向日葵根系对~(14)CO_2的吸收与运转

试验结果表明,向日葵根系能够吸收并运转~(14)CO_2。根系所吸收CO_2的运输形式既可以是~(14)CO_2,也可以是~(14)C-同化物,但木质部汁液中的游离~(14)CO_2是主要的~(14)C运输形式。     

基于氘盈余分析季节性降水对浅层地下水的补给——以鹰潭孙家农田小流域为例

本研究基于氢氧稳定性同位素技术,分析了2012年4月至2014年3月孙家农田小流域降水、灌溉水和地下水的氢氧同位素季节变化规律,并应用δD-δ18O关系图和氘盈余质量平衡法分别确定了研究区浅层地下水的主要补给来源和季节性降水对地下水补给的贡献率。结果表明,研究区大气降水线方程为:δD=8.49δ18O+16.7(n=110,R2=0.98)。降水中δD(–113.3‰~7.5‰)和δ18O(–14.9‰~–0.9‰)季节性差异明显;地下水δD和δ18O(–45.3‰~–40.4‰和–7.29‰~–6.44‰)相对稳定;灌溉水δD和δ18O分别介于–66.2‰~–28.3‰和–9.17‰~–5.00‰,变化范围小于降水,大于地下水。在δD-δ18O关系图中,地下水各水样点主要分布在当地大气降水线附近,说明地下水主要受大气降水补给。降水中氘盈余(dexcess)介于1.3‰~23.7‰,夏半年(4—9月)dexcess平均值(10.8‰)显著低于冬半年(10—3月)dexcess平均值(17.1‰)。地下水氘盈余相对稳定,介于8.75‰~14.9‰,平均值为11.9‰。通过氘盈余质量平衡法计算得出,夏半年降水对地下水的贡献率为83%,而冬半年的贡献仅有17%,表明季节性降水对地下水补给的贡献差异显著,夏半年降水对地下水补给具有主导性作用。     

铵态氮源和碳源对土壤N_2O、CO_2释放的影响

在田间持水量WFPS为70%、温度为20℃的条件下,通过室内静态培养方法研究铵态氮源与不同碳源结合,对华北平原典型小麦-玉米轮作体系土壤N_2O、CO_2释放的影响。其中,碳源种类分别为葡萄糖、果胶、淀粉、纤维素、木质素和秸秆。结果表明添加葡萄糖和果胶有效促进了土壤N_2O的释放,并在第1 d达到最大值,分别为4 039.85μg N_2O-N·kg~(-1)·d~(-1)和2 533.44μg N_2O-N·kg~(-1)·d~(-1);添加纤维素和只施秸秆处理降低了N_2O释放。施入碳源增加了CO_2释放,顺序为纤维素淀粉葡萄糖果胶秸秆木质素。培养结束后土壤中铵态氮几乎消耗完全,除添加葡萄糖处理外,其他施碳土壤的硝态氮含量均有所增加。在培养前3d,土壤NH~+_4和NO~-_3总含量与N_2O释放量显著相关。     

庐山毛竹扩张及模拟氮沉降对土壤N_2O和CO_2排放的影响

毛竹是我国南方广泛分布的一种典型的森林资源,其扩张已引发了多方面的生态问题,但是目前关于氮沉降背景下毛竹扩张引起的土壤N_2O和CO_2气体排放变化的研究甚少,且无原位观测数据。采用静态箱-气相色谱法,分析江西庐山毛竹纯林、毛竹扩张形成的毛竹-日本柳杉混交林及日本柳杉纯林3种林分土壤的N_2O和CO_2排放速率和累积排放量及其对模拟氮沉降的响应。结果表明:(1)混交林土壤的NH_4~+-N含量、NO_3~--N含量及pH分别为14.39mg·kg~(-1)、8.65mg·kg~(-1)、4.88,显著高于日本柳杉纯林的9.75 mg·kg~(-1)、5.58 mg·kg~(-1)、4.05,但是混交林土壤DOC含量(236.5 mg·kg~(-1))却显著低于日本柳杉纯林(382.0mg·kg~(-1))。(2)混交林土壤N_2O累积排放量(393.6mg·m~(-2))显著高于毛竹纯林(202.5mg·m~(-2))和日本柳杉纯林(192.8mg·m~(-2)),混交林土壤CO_2累积排放量(4 655 g·m~(-2))显著高于日本柳杉纯林(2 815 g·m~(-2))。(3)模拟氮沉降未对3种林分类型土壤的CO_2排放速率和累积排放量产生显著影响,但明显增加了混交林和日本柳杉纯林的N_2O累积排放量。本研究表明:毛竹扩张不同阶段土壤的理化性质、N_2O及CO_2排放表现出不同特征。毛竹扩张过程中一定程度上增大了土壤N_2O和CO_2的排放量,但是完全扩张后N_2O排放出现明显下降趋势,而CO_2的排放未发生显著变化。同时,氮沉降促进了毛竹未扩张和扩张初期土壤的N_2O排放,而对CO_2排放未产生显著影响。表明在未来气候变化条件下管理亚热带毛竹扩张时,必须明确考虑这些生态系统组成、结构和影响因子之间的影响。     

有机物对红外光谱技术测定植物叶片和茎秆水δ18O和δD的影响

植物叶片、茎秆和土壤水δ18O和δD是研究土壤植被大气系统生态水文循环过程的重要示踪剂。与传统的稳定同位素质谱(IRMS)技术相比,稳定同位素红外光谱(IRIS)技术具有测量速度快、运行成本低等优势,将促进稳定同位素生态学的发展。但是利用低温真空蒸馏抽提技术获得的植物叶片和茎秆水中含有甲醇和乙醇类有机污染物,造成δ18O和δD的IRIS测量值偏离IRMS测量值(2.64±0.43)‰和(3.6±0.8)‰,超过了仪器精度。本研究利用纯水混入不同浓度的色谱纯甲醇或乙醇,结合Los Gatos公司的光谱分析软件确定甲醇(NB)和乙醇(BB)类物质污染程度的光谱度量值,建立了δ18O和δD的光谱污染校正方法。研究表明,同一台分析仪建立的校正曲线无明显的时间漂移;不同分析仪建立的校正曲线存在显著差异;IRIS校正值与IRMS测量值的交叉验证表明,IRIS测定冬小麦和夏玉米叶片和茎秆水的δ18O和δD可以被准确地校正,与IRMS的差值分别为(0.11±0.12)‰和(0.7±0.4)‰。     

~(15)N示踪-质谱计法直接定量稻田土壤反硝化作用氮素损失的可行性研究

采用自行设计的气样前处理装置 ,包括进样口、还原铜管、高效脱氧管和液氮冷阱 ,建立了1 5N示踪 质谱计法直接测定反硝化作用气态氮素损失 (N2 +N2 O)的方法。测得空气中N2 的1 5N自然丰度平均为 0 36 5 9% (理论值为 0 36 6 0 % )、绝对误差的平均值为 0 0 0 0 2 %、C V %为 0 0 9% ,与质谱计的设计精度完全吻合 ;不同气样1 5N丰度测定的C V %在 0 0 3%～ 1 0 8%之间 ,反硝化作用源丰度测定的C V %在 1 2 2 %～ 5 2 1 %之间 ,表明本研究所用的前处理装置对气样中O2 、CO2 及H2 O等杂质气态的清除是十分有效的。另一方面 ,由于1 5N损失的计算是以1 5N原子百分超为基础的 ,计算结果表明 ,当气样的1 5N原子百分超小于 0 0 1 4% (相应的1 5N丰度为 0 380 % )时 ,测得的1 5N损失的C V %有可能大于 5 % ,为此建议气样1 5N丰度最好能大于 0 380 % ,以确保测定结果的精确度。     

双孢菇高氧动态气调保鲜参数优化

为提高双孢蘑菇保鲜效果,在(2±1)℃下采用高氧动态气调方法对双孢蘑菇进行贮藏试验,选取第1阶段不同O_2/CO_2比例的气体组分、换气时间、第2阶段不同O_2/CO_2比例的气体组分作为影响因素,考察双孢蘑菇贮藏过程中总色差ΔE、硬度以及感官品质的变化,对双孢蘑菇的动态气调参数进行优化。研究结果显示,第1阶段O_2比例高于80%时,可显著抑制双孢蘑菇ΔE的上升(P0.05);第2阶段80%O_2+20%CO_2气体组分,可使双孢蘑菇的ΔE显著低于其他处理,硬度显著高于其他处理(P0.05);而换气时间则影响较小。最优的动态气调条件为:第1阶段气体组分100%O_2,第3天换气,第2阶段气体组分80%O_2+20%CO_2,双孢蘑菇的ΔE、硬度值和感官品质评分分别为:19.40、6.84×105 Pa和9.52。将此最优动态气调运用于双孢蘑菇的保鲜,研究发现,与静态气调相比,该动态气调显著抑制了双孢蘑菇的呼吸速率与膜结构的损坏,维持了较高的过氧化物酶、抗坏血酸过氧化物酶活性与较低的多酚氧化酶活性,有效抑制了贮藏过程中的酶促褐变,保持了较高的可溶性蛋白含量,并延长其保鲜期至28 d,提高了双孢蘑菇的耐贮性。     

The δ18O signatures of HCl‐extractable soil phosphates: methodological challenges and evidence of the cycling of biological P in arable soil

Soil phosphates exchange oxygen atoms rapidly with soil water once recycled by intracellular enzymes, thereby approaching an equilibrium δ¹⁸O_P signature that depends on ambient temperature and the δ¹⁸O_W signature of soil water. We hypothesized that in the topsoil, phosphates reach this equilibrium δ¹⁸O_P signature even if amended by different fertilizers. In the subsoil, however, there might be phosphates with a smaller δ¹⁸O_P value than that represented by the isotopic equilibrium value, a condition that could exist in the case of limited biological P cycling only. We tested these hypotheses for the HCl‐extractable P pool of the Hedley fractionation scheme of arable soil in Germany, which integrates over extended time‐scales of the soil P cycle. We sampled several types of fertilizer, the surface soil that received these fertilizer types and composites from a Haplic Luvisol depth profile under long‐term agricultural practice. Organic fertilizers had significantly smaller δ¹⁸O_P values than mineral fertilizers. Intriguingly, the fields fertilized organically also tended to have smaller δ¹⁸O_P signatures than other types of surface soil, which calls into question full isotopic equilibrium at all sites. At depths below 50 cm, the soil δ¹⁸O_P values were even depleted relative to the values calculated for isotopic equilibrium. This implies that HCl‐extractable phosphates in different soil horizons are of different origins. In addition, it supports the assumption that biological cycling of P by intracellular microbial enzymes might have been relatively inefficient in the deeper subsoil. At depths of 50–80 cm, there was a transition zone of declining δ¹⁸O_P values, which might be regarded as the first evidence that the degree of biological P cycling changed at this depth interval.     

Natural abundance of 18O of sugar biomarkers in topsoils along a climate transect over the Central Scandinavian Mountains,Norway

Precipitation and topsoil samples from a climate transect over the Scandinavian Mountains, Norway, were analyzed for bulk and compound‐specific δ¹⁸O values. The natural abundance of ¹⁸O in the plant‐derived hemicellulose biomarkers arabinose and xylose correlates positively with δ¹⁸O of bulk soil, but not with δ¹⁸O of precipitation. This suggests that other factors than δ¹⁸O_prec, such as evaporative ¹⁸O enrichment of leaf water, exert a strong influence on the natural abundance of ¹⁸O in soils.     

温室蔬菜高架栽培CO2供气负荷计算与设备选型方法

针对温室CO2供给设备容量设计缺乏相关理论和设备配置的相关规范,在分析CO2恒定浓度控制模型、低浓度控制模型、恒定供气流量控制模型的基础上,探索建立了温室内CO2平衡模型,结合作物对CO2的需求和大型连栋温室蔬菜高架栽培的土壤CO2释放量低等特点,提出了温室CO2施肥供气负荷计算方法;以天然气锅炉的回收烟气和液态CO2为气源,提出了以CO2供应为目标的天然气锅炉功率和液态CO2储液罐容积计算方法,为相应设备的设计选型提供了理论依据。以栽培面积49 200 m2,容积329 640 m3的文洛型温室为案例,采用该文建立模型进行计算表明,在CO2施肥恒定流量控制模式下,设定最低控制CO2体积分数为600×10-6 m3/m3条件下,白天仅需运行1台额定蒸发量为10 t/h的天然气锅炉就可满足CO2施肥需求;用液化CO2施肥,在CO2低浓度控制模式下,设定最低控制CO2体积分数为500×10-6 m3/m3条件下,则需要配备容积为20 m3的储液罐。实际运行情况表明,该文建立的CO2施肥供气负荷计算与设备选型方法切实可行,满足实际生产的要求。     

农田土壤N2O排放的连续自动测定方法

本文介绍了农田N2O排放连续自动测定系统的方法原理、系统整体构造和气路配置,并通过对华北平原旱地土壤夏玉米季N2O排放的连续观测,比较了连续自动测定方法与传统手动间歇取样测定方法的差异。结果表明,夏玉米季N2O排放具有明显的日排放规律,且在三叶期和十叶期施肥后存在明显的释放高峰;通过选取7:20、8:30、9:40、10:50、12:00、13:20、14:30、15:40、16:50和18:00不同采样时间的测定结果,分别模拟了间隔为3d和6d的排放总量,结果表明,间隔取样的累积排放结果与连续观测结果的差异,与采样当天中具体的采样时间紧密相关,间隔估算结果随着采样时间的延后具有先升高后降低的趋势,与N2O的日排放规律相一致。本研究中,不同时间间隔对估算结果影响不明显。     

毛乌素沙地不同地下水位埋深下土壤水补给特征及影响因素

土壤水分是毛乌素沙地植被恢复与生态重建的关键因子,揭示不同地下水位（Groundwater Level,GWL）埋深下土壤水的补给与转化特征对于提高水资源利用效率和植被可持续建设具有重要意义。试验通过定期测定毛乌素沙地东南缘圪丑沟流域沙柳（GWL范围253～260 cm）、樟子松（GWL范围87～93 cm）和长柄扁桃林地（GWL范围172～176 cm）降水、土壤水及地下水δ2H和δ18O,分析了不同GWL埋深下3种林地土壤水补给特征及其影响因素。结果表明：沙柳、樟子松及长柄扁桃林地土壤水δ2H和δ18O均位于当地大气水线的下方,且3种林地土壤水线斜率（5.69～7.13）均小于当地大气水线斜率（7.79）,表明各林地土壤水均在不同程度上受当地降水的补给。监测期间沙柳林地0～20 cm土壤水、樟子松和长柄扁桃林地0～40 cm土壤水均表现出重组分同位素贫化轻组分同位素富集的现象,且与降水同位素呈显著正相关关系（P < 0.05）,表明不同林地浅层土壤水（< 40 cm）更易受降水补给的影响。不同林地深层土壤水（沙柳林地180 cm以下,樟子松林地60 cm以下,长柄扁桃林地120 cm以下）δ2H和δ18O的均值与地下水接近,且随深度增加土壤水重组分同位素逐渐贫化并趋于稳定（变异系数 < 10%）。根据不同深度土壤水δ18O和地下水δ18O之间的相关关系,得出监测期间3种林地（沙柳、樟子松和长柄扁桃林地）地下水向上补给土壤水的深度范围分别为73～80、27～33和52～56 cm。因此,毛乌素沙地浅层地下水对深层土壤水的补给可在一定程度上缓解旱季土壤水分亏缺,为保障该区人工固沙植被生长提供潜在的水分来源。