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大庆大明湖沉积物氮素的迁移转化规律及强化除氮研究

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大庆大明湖沉积物氮素的迁移转化规律及强化除氮研究

作者：徐艺铭哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

氮循环在生物地球化学循环中具有重要地位,工农业的迅速发展导致了大量氮、磷营养盐的排放,氮素循环严重失衡,从而导致水体富营养化、温室气体排放等破坏生态环境影响人类健康的环境问题。大庆大明湖近年的外源污染得到有效控制,但由于... 详细信息

氮循环在生物地球化学循环中具有重要地位,工农业的迅速发展导致了大量氮、磷营养盐的排放,氮素循环严重失衡,从而导致水体富营养化、温室气体排放等破坏生态环境影响人类健康的环境问题。大庆大明湖近年的外源污染得到有效控制,但由于其具有水力停留时间长,污染物截留比高等特点,导致湖泊沉积物积累大量污染物成为内源污染源,使氮素释放至上覆水中造成二次污染。本研究采用大庆大明湖的沉积物样品作为研究对象,采用分子生物学技术手段分析不同深度沉积物中微生物的群落结构并预测微生物群落功能,探究沉积物中氮素转化相关途径的薄弱环节;通过室内模拟沉积物氮素释放和响应面实验探究环境因素对氮素迁移转化的影响,估算氮素的年平均量同时预测最不利的释放条件;基于短程硝化耦合厌氧氨氧化的新型脱氮工艺,优化Anammox污泥应用工艺参数以及对实际沉积物的强化除氮效能。主要的研究成果如下:本研究对春夏季和秋冬季的大明湖水质和沉积物的理化指标进行分析,大明湖p H为7.25～9.2、溶解氧为6.0～12.6 mg/L、温度为7.6～22C、TN为12.52～26.44 mg/L和NH-N为1.052～2.096 mg/L,为劣Ⅴ类水质。沉积物p H为8.34～8.78,TN为2.5～3.68 g/kg和NH-N为81～240 mg/kg,且在春夏季各项指标数值较高。沉积物作为氮素的“源”,具有较高的释放风险。通过室内模拟实验探究环境因子温度、pH和溶解氧对沉积物氮素的释放影响,结果表明,TN、NH-N、NO-N释放浓度随温度的升高显著增加。TN和NH-N随着p H增高而降低,NO-N的释放浓度在中性条件下较高。TN在曝气和缺氧条件下释放浓度较高,而曝气能够降低NH-N的释放浓度,NO-N释放浓度随着溶解氧浓度的升高而增加。实验结束后发现上覆水中的TN浓度超过了Ⅴ类水质标准。基于响应面实验可知p H和溶解氧对TN释放速率具有极显著影响。当温度=4℃、溶解氧=5.2 mg/L、p H=9.4时TN释放速率达到最小值35.163 mg/(m·d),估算大明湖沉积物TN年平均释放量为0.347 t。沉积物不同深度的分层中,0～15 cm内表层沉积物中细菌的丰富度和多样性较高,古菌则主要分布在15～20 cm的深层沉积物中。通过FAPROTAX和PICR USt分别预测了物种主要的代谢功能和氮素循环中相关功能酶的功能基因丰度,沉积物中细菌主要代谢功能为利用有机物进行化能异养和发酵,而古菌主要为产甲烷型代谢,细菌和古菌的氮素代谢功能相对丰度较低,且主要集中在表层沉积物中。在沉积物氮素循环途径中,固氮的功能基因相对丰度较高,参与固氮作用主要菌属为Desulfobulbus、Desulfomicrobium、Thiocapsa等。其次为反硝化作用,反硝化菌属主要为unclassified＿o＿Rhodocyclales、unclassified＿o＿Burkholderiales、unclassifie d＿c＿Betaproteobacteria等。硝化作用丰度较低,氨氧化细菌属组成主要为norank＿f＿Nitrosomonadaceae,其次为Nitrosospira、Nitrosomonas,氨氧化古菌主要属为N itrososphaera。由此推测,沉积物氮素循环过程中,硝化作用的薄弱限制了氮素的物质循环。采用短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺富集得到的Anammox污泥作为强化除氮功能污泥对沉积物氮素的内源释放进行控制,通过对Anammox特性的影响因素研究,当NO-N/NH-N=1,C/N=3,30℃,p H=8,DO为0.5 mg/L,TN的去除率分别达到63.45%、68.09%、60.75%、62.44%、57.87%,NO-N/NH-N=1,C/N=0.5,30℃,p H=9,DO为0.5 mg/L,NH-N的去除率分别达到55.52%、56.74%、72.37%、68.84%、66.44%。针对实际沉积物除氮进行强化实验时,得到5%为An ammox污泥最佳的接种量,对沉积物TN和NH-N释放量的去除率分别达到45.02%和93.96%。

关键词：沉积物内源释放氮素循环微生物群落结构生物除氮

稻作系统有机肥替代部分化肥的土壤氮循环特征及增产机制

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应用生态学报 2020年第3期31卷 1033-1042页

作者：陈香碧胡亚军秦红灵章晓芳苏以荣李辉信中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态重点实验室长沙410125 中国科学院大学北京100049 南京农业大学资源与环境科学学院南京210095

采用有机肥替代部分化肥是实现化肥使用零增长和作物稳产增产的重要途径。基于近年来的研究进展,探讨了稻作系统有机肥替代部分化肥对水稻产量、氮素利用效率、土壤氮库组分和微生物固氮、氨化、硝化和反硝化等氮循环关键过程的影响。同... 详细信息

采用有机肥替代部分化肥是实现化肥使用零增长和作物稳产增产的重要途径。基于近年来的研究进展,探讨了稻作系统有机肥替代部分化肥对水稻产量、氮素利用效率、土壤氮库组分和微生物固氮、氨化、硝化和反硝化等氮循环关键过程的影响。同时,就单施化肥与有机肥替代部分化肥的氮素循环特征进行了比较。有机肥替代部分化肥通过改变稻田土壤氮素循环多个环节(增强氨化过程、协调硝化和反硝化过程、降低氨挥发和减少氮素损失等),改善土壤氮素供给状态(提高小分子有机氮供给、协调无机氮组分与比例、提高土壤微生物量氮和总氮固持),进而促进水稻氮素吸收并协调植株氮素分配过程,最终实现水稻稳产增产。

关键词：有机肥替代部分化肥氮素循环氮素利用效率微生物功能群稻作系统增产机制

珠三角养殖水体中参与氮循环的微生物群落结构

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微生物学报 2012年第5期52卷 645-653页

作者：蔡小龙罗剑飞林炜铁田国梁华南理工大学生物科学与工程学院广州510006

【目的】为了研究珠三角地区养殖水体中各种含氮化合物循环转化的特征及其相关功能微生物的群落结构。【方法】构建人工模拟养殖系统,采用15N-稳定性同位素探测技术(stable isotope probing,15N-SIP)标记参与氮素迁移的微生物,通过氯化... 详细信息

【目的】为了研究珠三角地区养殖水体中各种含氮化合物循环转化的特征及其相关功能微生物的群落结构。【方法】构建人工模拟养殖系统,采用15N-稳定性同位素探测技术(stable isotope probing,15N-SIP)标记参与氮素迁移的微生物,通过氯化铯-溴化乙锭密度梯度超高速离心法分离15N标记的DNA,并以此构建含15N-DNA的细菌和古菌16S rRNA基因克隆文库。【结果】15N标记的基因组DNA经过超高速密度梯度离心后成功与14N-DNA分离;对克隆文库序列的分析表明:细菌文库得到的19个可操作分类单元(Operational TaxaUnits,OTUs)分别归为变形菌门(Proteobacteria)和浮霉菌门(Planctomycetes)。变形菌门为绝对优势类群,占整个细菌克隆文库的99.2%,其中优势菌群为丛毛胞菌属(Comamonas)(15.7%)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)(12.4%)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)(11.5%)和硝化杆菌属(Nitrobacter)(11.5%);古菌文库得到的9个OTUs归为奇古菌门(Thaumarchaeota)、泉古菌门(Crenarchaeota)和广古菌门(Euryarchaeota)。【结论】将15N-SIP技术应用于珠三角养殖水体氮素循环微生物群落结构的研究中,得到了丰富的氮素循环微生物群落的组成,这些信息为进一步分离纯化氮素降解微生物提供了重要的参考,为营造健康的水产养殖环境提供科学依据。

关键词：氮素循环 15N-稳定性同位素探测技术 16S rRNA基因克隆文库

有机无机肥配施提升冷浸田土壤氮转化相关微生物丰度和水稻产量

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植物营养与肥料学报 2016年第5期22卷 1267-1277页

作者：解开治徐培智蒋瑞萍卢钰升顾文杰李文英李夏孙丽丽广东省农业科学院农业资源与环境研究所农业部南方植物营养与肥料重点实验室广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室广东广州510640

【目的】以南方典型冷浸田为对象,研究化肥配施不同有机肥对冷浸田水稻产量以及土壤氮相关功能微生物群落丰度的影响,旨在为冷浸田土壤氮素活化和转化过程的定向调控,氮素利用效率提高及水稻高产施肥提供科学依据。【方法】通过连续3年... 详细信息

【目的】以南方典型冷浸田为对象,研究化肥配施不同有机肥对冷浸田水稻产量以及土壤氮相关功能微生物群落丰度的影响,旨在为冷浸田土壤氮素活化和转化过程的定向调控,氮素利用效率提高及水稻高产施肥提供科学依据。【方法】通过连续3年6季的定位试验,采用土壤理化分析、酶学分析和荧光实时定量PCR技术深入探讨化肥配施不同堆肥原料有机肥对冷浸田养分活化、水稻产量提升及土壤氮相关功能微生物群落丰度的效应。本试验设4个处理,分别为单施化肥(CK)、化肥配施猪粪(PIM)、化肥配施牛粪(CAM)、化肥配施鸡粪(CHM)。【结果】CHM、CAM处理水稻产量显著高于化肥处理(P氮素循环相关功能微生物基因丰度,其中细菌、古细菌总群落16s r DNA丰度和氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的氨单加氧酶(amo A)基因丰度提高趋势一致,以CHM处理最高,但细菌总群落16s r DNA丰度增幅较小。亚硝酸盐还原酶(nir K、nir S)基因和一氧化二氮还原酶(nos Z)基因丰度对不同处理的响应并不一致。相关性分析表明,土壤有机碳和全氮含量是影响AOA、AOB、nir K、nir S型反硝化细菌的重要因子。【结论】化肥配施鸡粪有机肥能显著提高冷浸田土壤铵态氮、速效磷含量,增加细菌、古菌、AOA和AOB氨单加氧酶(amo A)的基因丰度,增强土壤脲酶、蛋白酶和磷酸酶的活性,提升冷浸田土壤生产力。

关键词：堆肥冷浸田水稻氮素循环功能微生物

利用N-15自然丰度法研究固氮植物生物固氮量

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干旱地区农业研究 2004年第1期22卷 132-137页

作者：何道文孙辉黄雪菊西华师范大学生物系四川南充637002 四川大学环境科学与工程系四川成都610065

生物固氮对全球生态系统氮素循环和全球变化有着重要影响,但是由于测定方法的原因,过去对生物固氮,特别是多年生固氮植物的共生固氮的定量研究不足。在对目前国际上日益受到重视的用N-15自然丰度法研究固氮植物生物固氮量的研究进展进... 详细信息

生物固氮对全球生态系统氮素循环和全球变化有着重要影响,但是由于测定方法的原因,过去对生物固氮,特别是多年生固氮植物的共生固氮的定量研究不足。在对目前国际上日益受到重视的用N-15自然丰度法研究固氮植物生物固氮量的研究进展进行初步总结的基础上,探讨了影响该方法准确性的一些主要因素。N-15自然丰度法克服了传统的差值法、N-15同位素稀释法和乙烯还原法等的不足,可野外原位定量研究生物固氮,如果对各影响因子加以系统考虑,合理解决参比植物选择和固氮植物取样部位等方面的问题,该方法可较为准确地原位测定人工生态系统中固氮作物和固氮树种的生物固氮量。但是在天然生态系统中由于植物有效氮源的多样性以及其它影响因素较复杂,应用难度较大。

关键词：农林复合经营生物固氮 N-15自然丰度法氮素循环

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土壤硝化─反硝化作用研究进展

土壤 1997年第6期29卷 281-286页

作者：李振高俞慎中国科学院南京土壤研究所南京210008

硝化-反硝化作用是氮素循环的重要环节，涉及到气态氮的损失和污染生态环境的问题．是当今氮素研究的热点之一。本文综述了近年来土壤硝化一反硝化作用的损失量、机理、研究方法及控制对策等方面的研究进展和展望。

关键词：硝化反硝化作用氮素循环损失机理土壤

旱作地膜覆盖农田土壤有机碳平衡及氮循环特征

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中国农业科学 2015年第23期48卷 4630-4638页

作者：李小刚李凤民兰州大学生命科学学院干旱农业生态研究所/草地农业生态系统国家重点实验室

近10余年来随着应用面积的迅速增加,地膜覆盖对中国北方旱作农田生产力可持续性的影响受到越来越多的关注。文章对地膜覆盖栽培技术增产效果作了简要评述,重点综述了近年来关于地膜覆盖对农田土壤有机碳平衡和氮循环过程影响的研究进展... 详细信息

近10余年来随着应用面积的迅速增加,地膜覆盖对中国北方旱作农田生产力可持续性的影响受到越来越多的关注。文章对地膜覆盖栽培技术增产效果作了简要评述,重点综述了近年来关于地膜覆盖对农田土壤有机碳平衡和氮循环过程影响的研究进展。地膜覆盖沟垄栽培技术有效减轻了旱作农业区水热条件不足对粮食生产造成的限制,从而对提高耕地生产力发挥了重要作用。对大量文献分析发现,地膜覆盖沟垄栽培技术的增产效果具有明显的地域性,在中国北方半干旱区范围内,水热限制越强烈的地区增产效应越明显。地膜覆盖对农田土壤有机碳平衡和氮循环影响的研究还比较薄弱。目前的研究结果表明,地膜覆盖促进土壤有机碳矿化但同时增加作物根系有机碳输入,初步显示地膜覆盖对土壤有机碳含量的影响可能是中性的。地膜覆盖促进土壤有机氮矿化,提高氮素的有效性,增加作物对氮素的吸收,影响化肥氮的作物利用效率、淋溶和挥发损失,但并不明确是否增加反硝化作用。基于目前研究现状,文章提出了旱作地膜覆盖农田需要加强研究的主要领域:(1)土壤有机质稳定性及其增强机制研究;(2)农田养分管理的系统性研究;(3)在水热条件相对较好的旱作农业区,建议结合秸秆覆盖开展更多研究。

关键词：旱作农业地膜覆盖土壤有机碳氮素循环

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氮足迹研究进展

中国生态农业学报 2011年第2期19卷 462-467页

作者：秦树平胡春胜张玉铭王玉英董文旭李晓欣中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心石家庄050022 中国科学院研究生院北京100049

自19世纪工业革命以来,由于氮肥施用、化石燃料燃烧等人类活动带入全球生态系统的活性氮逐年增加。这些流入生态系统的活性氮造成了严重的环境问题,例如水体富营养化、地下水硝态氮污染、平流层臭氧层破坏等。氮足迹模型是在全球活性氮... 详细信息

自19世纪工业革命以来,由于氮肥施用、化石燃料燃烧等人类活动带入全球生态系统的活性氮逐年增加。这些流入生态系统的活性氮造成了严重的环境问题,例如水体富营养化、地下水硝态氮污染、平流层臭氧层破坏等。氮足迹模型是在全球活性氮污染日趋严重的背景下提出的。氮足迹研究在定量评价人类生产生活方式对活性氮排放的影响,调整人类的生产生活方式,减少活性氮危害等方面有重要的理论价值与实践意义。近年来,氮足迹的研究日益受到西方各国科学家的关注,其中已有少量相关研究发表。相比较而言,国内科学界对氮足迹研究的关注还不多,目前为止还没有有关氮足迹研究的文献资料。本文综述了氮足迹的概念、研究意义、主要模型方法、国外研究进展以及未来研究热点。并指出氮足迹计算模型的改进与发展、主要活性氮在氮足迹计算中的权重以及活性氮污染严重区域或国家的氮足迹评价将是未来氮足迹研究的热点。

关键词：活性氮氮足迹氮素循环氮素污染生命周期分析水体富营养化

基于物质流分析的农业土地利用系统氮素效应分析——以湖南省桃江县为例

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中国生态农业学报 2016年第10期24卷 1371-1381页

作者：袁承程刘黎明付永虎殷冠羿周德中国农业大学资源与环境学院北京100193 浙江工商大学土地资源管理系杭州310018

为系统分析和评价农业土地利用环境效应,了解农业系统中物质循环规律,提高物质利用效率,本文采用物质流分析方法,通过构建区域尺度农业土地利用系统的物质流分析框架和评价指标体系,以湖南省桃江县为案例区,综合评价了该区域农业土地利... 详细信息

为系统分析和评价农业土地利用环境效应,了解农业系统中物质循环规律,提高物质利用效率,本文采用物质流分析方法,通过构建区域尺度农业土地利用系统的物质流分析框架和评价指标体系,以湖南省桃江县为案例区,综合评价了该区域农业土地利用系统中氮素利用效率及环境健康状况。结果表明:(1)1980—2013年,桃江县农业土地利用系统生产输入氮素量和环境输入氮素量显著增加,2013年比1980年分别增加了1.2倍和0.4倍;其中,生产输入方式是桃江县氮素输入总量的主要来源,占2013年总输入量的77%。(2)1980—2013年,桃江县氮素输出总量逐年波动增长,而产品输出氮素量却增加不多,但环境输出氮素量比1980年增长了1.4倍。(3)与此同时,桃江县农业土地利用系统氮肥投入强度逐年增长,至2013年其值达到328.4 kg·hm^(-2),超过了警戒值(250.0 kg·hm^(-2));此外,桃江县氮素物质利用效率逐年降低,物质生产效率还处于较低水平,还需进一步采取措施,调整农业结构,提高农产品附加值。(4)1980—2010年桃江县农业土地利用系统生态稳定性和环境健康质量逐年恶化,然而,在2010—2013年桃江县的环境健康质量有所好转,其氮素养分负荷由2010年的208.8 kg·hm^(-2)回落至2013年的154.1 kg·hm^(-2)。

关键词：物质流分析农业土地利用系统氮素循环环境质量物质利用效率