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利用标记氮同位素示踪技术探究生物滞留系统氮的迁移转化规律研究

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利用标记氮同位素示踪技术探究生物滞留系统氮的迁移转化规律研究

作者：邹子介北京建筑大学

学位级别：硕士

中国雨水径流氮污染日益严重,水体中过量的氮输入是导致城市湖泊、河湖等水质恶化的首要因素,氮素形态不同,其生态功能、对水生生物的毒理作用也不同,溶解性氮迁移性更强,控制难度更大。因此,实施城市降雨径流氮污染的有效控制至关重要... 详细信息

中国雨水径流氮污染日益严重,水体中过量的氮输入是导致城市湖泊、河湖等水质恶化的首要因素,氮素形态不同,其生态功能、对水生生物的毒理作用也不同,溶解性氮迁移性更强,控制难度更大。因此,实施城市降雨径流氮污染的有效控制至关重要。生物滞留系统利用土壤和植物通过物理、化学及生物作用可以有效改善雨水径流的水质,逐渐得到广泛研究与应用。然而,对于如何能够有效提高系统的脱氮效能尚未达成统一的结论,主要表现为不同研究结果中对氮的去除果差距很大,尚未确定生物滞留设施氮控制的理论极限能力和影响因素。因此,本研究利用n同位素示踪技术深入到原子的层次来考察氮素的迁移转化,通过室内模拟生物滞留设施,通过配水时添加KnO3和nH4Cl使实验系统中n-nO3-和n-nH的丰度显著高于生态系统中未标记的本底值,结合渗滤水、土壤和植物中不同形态n含量变化分析不同环境条件对生物滞留系统中氮迁移转化的影响。主要研究内容和结果如下:(1)通过是否种植植物,对生物滞留系统中硝态氮的迁移转化机制和影响进行研究,选择丹麦草作为种植植物,对比种植和不种植丹麦草两种工况,探讨植物在生物滞留系统中脱氮的作用。结果表明丹麦草对nO3-的直接吸收对nO3-的去除有部分贡献,同时有助于间接提高反硝化作用促进脱氮,提高径流雨水脱氮效果;在根系周围形成生物圈增加微生物的生物量,从而促进微生物对nO3-的固定作用;还能通过增加土壤中的含氧量,影响生物滞留系统中硝氮异化还原为铵(DnRA作用)和反硝化作用之间的协同竞争关系。实验还通过夏季和冬季两个时间段的不同环境温度,探讨温度对生物滞留系统中硝氮的迁移转化影响,得出不同季节温度下生物滞留系统对雨水径流中的硝态氮的去除效果。结果表明夏季植物对nO3-的吸收以及反硝化作用效果皆高于冬季,DnRA作用效果受温度的影响较大,在冬季低温条件下,不利于DnRA作用进行。(2)实验通过对比分析不同氧化还原电位(Eh225mV00mV区间、0mV120mV区间和-225mV340mV区间),土壤pH值(pH=5)、碳源浓度(葡萄糖浓度50mg/L、100mg/L、0mg/L、200mg/L、250mg/L)条件下生物滞留系统中DnRA作用的影响。结果表明,随着Eh的降低,DnRA作用效果越明显,DnRA作用易在强还原性土壤中进行;在酸性土壤环境下,随着pH值的增加,DnRA作用效果越明显,在碱性环境下,随着pH值上升,DnRA作用效果随之下降,但效果仍比酸性土壤环境下显著,由此可见,DnRA作用易在中性偏碱性的环境下进行。葡萄糖作为碳源条件下,在低浓度50mg/L、100mg/L情况下,随着添加碳源浓度的增加,DnRA作用效果越明显。在高浓度0mg/L、200mg/L和250mg/L情况下,随着添加碳源浓度的增加,DnRA作用越弱。当碳源过低时,可能因无法支持菌体生长而抑制DnRA作用;当碳源相对过剩时,反硝化作用表现出竞争优势,从而抑制DnRA作用。(3)实验通过夏季和冬季两个时间段的不同环境温度,探讨温度对生物滞留系统中氨氮的迁移转化影响,得出不同季节温度下生物滞留系统对雨水径流中的氨氮的去除效果。在夏季高温条件下,生物滞留系统中土壤对nH的吸附低于冬季;微生物对nH的固定作用高于冬季;硝化作用对nH去除效果高于冬季,导致了生物滞留系统中氨氮出水浓度降低,硝态氮的出水浓度升高。在生物滞留系统中,氨氮的挥发受温度的影响较大,在低温条件下,不利于氨氮挥发去氮。实验还对比分析不同土壤pH值(pH=5)条件下,pH值对生物滞留系统中氨氮的迁移转化影响,结果表明在pH=7的中性偏碱性环境下有利于生物滞留系统中氨氮的去除;随着pH值的升高,土壤吸附氨氮的量增加,pH值和土壤吸附氨氮量呈正相关;随着pH值的升高,生物滞留系统中硝化作用效果越明显,当pH值超出一定范围时,硝化反应会被抑制;氨氮的挥发受pH的影响,随着pH值得升高,氨氮挥发量增加。在酸性环境下,不利于氨氮的挥发。

关键词：生物滞留 15n同位素示踪迁移转化 DnRA作用

环境因子对水稻土硝酸根异化还原过程速率和分配的影响

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土壤学报 2023年第4期60卷 1035-1046页

作者：金科魏志军马小芳李承霖单军颜晓元土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所) 南京210008 中国科学院大学北京100049 中国科学院常熟农业生态实验站江苏常熟215555 南京大学环境学院南京210023

以五常、常熟和雅安水稻土为研究对象,通过室内泥浆培养,利用基于膜进样质谱仪(Membrane Inlet Mass Spectrometer,MIMS)的15n示踪技术,探究了温度、pH、nO_(3)^(–)浓度、C/n、Fe^(2+)和S2–浓度对三种水稻土反硝化和硝酸根异化还原成... 详细信息

以五常、常熟和雅安水稻土为研究对象,通过室内泥浆培养,利用基于膜进样质谱仪(Membrane Inlet Mass Spectrometer,MIMS)的15n示踪技术,探究了温度、pH、nO_(3)^(–)浓度、C/n、Fe^(2+)和S2–浓度对三种水稻土反硝化和硝酸根异化还原成铵(Dissimilatory nitrate reduction to ammonium,DnRA)速率及二者占硝酸根还原过程相对贡献的影响。结果表明,在所研究的稻田土壤中,反硝化是nO_(3)^(–)异化还原过程的主导途径,占比87.97%~91.73%,而DnRA仅占8.27%~12.03%。反硝化和DnRA速率随温度升高均呈指数增长,且DnRA占nO_(3)^(–)异化还原的比例(RDnRA)也随温度升高呈增长趋势。反硝化和DnRA速率分别在pH为7或者8.5时最高,相对于碱性环境(4.92%~14.67%),酸性环境中RDnRA(6.24%~15.56%)更高。反硝化和DnRA速率与nO_(3)^(–)浓度之间关系符合米氏方程,且反硝化的最大速率(Vmax)和米氏常数(Km)均大于DnRA。与未加碳源对照组相比,C/n为2.5时,反硝化速率显著提高了22%~35%;C/n大于2.5时,DnRA速率显著提高了74%~199%。三种土壤中,Fe^(2+)添加和S2–添加处理中呈现出类似的趋势,均在低浓度电子供体(即Fe^(2+)和S2–浓度分别为300~500μmol·L^(-1)和50~62.5μmol·L^(-1))时呈现出最高的反硝化速率,而DnRA速率达到峰值则需要更高浓度的电子供体(即Fe^(2+)和S2–浓度分别为800~1000μmol·L^(-1)和100~125μmol·L^(-1))。综上可知,环境因子可显著影响nO_(3)^(–)异化还原过程的速率及分配,其中高温、高C/n、高浓度Fe^(2+)和S2–有利于更多的nO_(3)^(–)分配给DnRA过程,而高浓度nO_(3)^(–)会提高nO_(3)^(–)向反硝化过程的分配。上述研究结果深化了对水稻土nO3–异化还原过程分配的认识,对于探寻潜在农学措施提高DnRA过程的分配比例,进而提高土壤中氮素的固持和提高稻田氮肥利用率具有重要的科学意义。

关键词：水稻土反硝化硝酸根异化还原成铵 15n同位素示踪膜进样质谱仪

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不同株高夏玉米品种的氮素吸收与利用特性

作物学报 2014年第10期40卷 1830-1838页

作者：范霞张吉旺任佰朝李霞赵斌刘鹏董树亭作物生物学国家重点实验室/山东农业大学农学院山东泰安271018

选用鲁单981（LD981）、郑单958（ZD958）和登海661（DH661）3个不同株高玉米品种,在大田和栽培池条件下分别设67500株hm–2和82500株hm–2 2个种植密度,0和180 kg hm–2 2个施氮量。大田试验的氮肥以开沟方式施入,栽培池试验氮肥分别以... 详细信息

选用鲁单981（LD981）、郑单958（ZD958）和登海661（DH661）3个不同株高玉米品种,在大田和栽培池条件下分别设67500株hm–2和82500株hm–2 2个种植密度,0和180 kg hm–2 2个施氮量。大田试验的氮肥以开沟方式施入,栽培池试验氮肥分别以5、20和40 cm深度分层施入,利用15n同位素示踪技术研究不同株高夏玉米对氮素的吸收与利用特性。结果表明,与67500株hm–2种植密度比较,82500株hm–2种植密度夏玉米籽粒产量及氮素偏生产力显著提高。夏玉米吸收的氮素69.3%~77.3%来自土壤,22.7%~30.7%来自肥料;土壤氮和肥料氮收获指数分别为54.6%和57.5%。与67500株hm–2种植密度比较,82500株hm–2种植密度矮秆品种DH661氮素积累来自肥料的比例显著降低,中品种ZD958和高秆品种LD981没有显著变化;中、高秆品种肥料氮收获指数显著降低,矮秆品种增加。5 cm土层施氮对植株肥料氮积累量贡献率最大,40 cm土层施氮对植株肥料氮的贡献率最小,随着株高增加,深层（40 cm）氮对植株肥料氮积累量的贡献率逐渐增加,浅层（5 cm）氮对植株肥料氮积累量的贡献率逐渐降低。中、高秆品种对土壤深层40 cm施氮的氮肥回收率较高,而矮秆品种对土壤浅层20 cm施氮的氮肥回收率较高;20 cm和40 cm15n在20~40 cm和40~60 cm土层残留量分别达到60%,说明矮秆品种对20~40 cm土层氮素回收率较高,中、高秆品种对40~60 cm土层氮素回收率较高。

关键词：株高夏玉米土层深度氮素回收率 15n同位素示踪

麦棉套作复合根系群体对棉株氮素吸收与分配的影响

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应用生态学报 2006年第12期17卷 2341-2346页

作者：王瑛周治国陈兵林孟亚利束红梅蒋光华南京农业大学作物生长调控农业部重点开放实验室南京210095

在盆栽麦棉套作条件下，于2003～2004年设置麦棉自然根系（麦棉根系和肥水均可相互通过）、麦棉纱网隔根（肥水可相互通过，麦棉根系不能相互通过）和麦棉塑膜隔根（麦棉根系和肥水均不能相互通过）3种麦棉根系处理，运用小麦叶片15n富... 详细信息

在盆栽麦棉套作条件下，于2003～2004年设置麦棉自然根系（麦棉根系和肥水均可相互通过）、麦棉纱网隔根（肥水可相互通过，麦棉根系不能相互通过）和麦棉塑膜隔根（麦棉根系和肥水均不能相互通过）3种麦棉根系处理，运用小麦叶片15n富积标记法和15n同位素稀释法，研究麦棉复合根系群体对棉花氮素吸收与分配的影响．结果表明，在麦棉套作群体中，既存在麦棉共处期小麦对棉花根区氮素的竞争，又存在小麦根区及其所吸收氮素向棉花的转移．棉花根系吸收的15n肥料大多分配到地上部，根系分配的量较少，且麦棉自然根系处理地上部的15n标记肥料氮的吸收率（nUR）最大，纱网隔根处理次之，塑膜隔根处理最少．在麦棉共处期，麦棉自然根系处理棉花的植株从15n标记肥料中吸收的氮占其全氮的百分率（ndff）和nUR均低于隔根处理．至棉花初花期（小麦已收获，秸秆原位埋入土壤中），麦棉自然根系处理棉花吸收的氮素主要来源于化学肥料而非秸秆降解物．棉株不同器官所分配的15n标记肥料比例不同，棉花生殖器官中15n含量明显高于其他器官．麦棉自然根系处理棉株生物量也高于隔根处理．

关键词：麦棉套作棉花氮素吸收与分配 15n同位素示踪

一株异养硝化-好氧反硝化地衣芽孢杆菌的脱氮特性及机制研究

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2020年第8期50卷 43-52页

作者：赵坤田相利董双林蒋雯雯李海东海水养殖教育部重点实验室(中国海洋大学) 山东青岛266003 青岛海洋科学与技术试点国家实验室山东青岛266237

分离自对虾养殖池塘的地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)MP15具有高效的异养硝化-好氧反硝化性能。为了进一步研究菌株MP15的脱氮特性和脱氮机制,本研究采用氮同位素标记法,对其在氮基础降解液中的脱氮特性和机制进行了深入的研究... 详细信息

分离自对虾养殖池塘的地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)MP15具有高效的异养硝化-好氧反硝化性能。为了进一步研究菌株MP15的脱氮特性和脱氮机制,本研究采用氮同位素标记法,对其在氮基础降解液中的脱氮特性和机制进行了深入的研究。研究结果显示:在初始无机氮浓度为42 mg/L的氮基础降解液中,其对nH+4-n、nO-2-n和nO-3-n的最大去除速率分别为1.03 mg nH+4-n/(L·h)、1.74 mg nO-2-n/(L·h)和1.02 mg nO-3-n/(L·h)。氮代谢过程中羟胺氧化还原酶、亚硝酸盐还原酶和硝酸盐还原酶的酶比活力分别为0.5406、0.1578和0.1609 U/mg。对菌株MP15脱氮过程中的15n同位素示踪结果显示,以nH+4-n作为唯一氮源时,仅产生15n2O;当菌株MP15分别以nO-2-n和nO-3-n作为唯一氮源时,可同时检测到15n2O和15n2。综合上述结果,菌株MP15对无机氮的去除主要包括:同化作用、硝化作用和反硝化作用。其中对nH+4-n的硝化途径为:nH+4-n→nH2OH→n2O;对nO-2-n的硝化-反硝化途径为:nO-3-n←nO-2-n→n2O/n2;其对nO-3-n的反硝化途径为:nO-3-n→nO-2-n→n2O/n2。

关键词：地衣芽孢杆菌异养硝化好氧反硝化酶活性 15n同位素示踪

生物炭与氮肥配施对玉米叶片氮素利用及代谢的影响

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江苏农业科学 2022年第20期50卷 86-94页

作者：常青濮阳职业技术学院河南濮阳457000

采用盆栽试验,设置3个生物炭(BC)施用比例,分别为BC0(0)、BC3(3%)、BC9(9%),3个氮(n)水平,分别为n100(100%)、n80(80%)、n60(60%),采用^(15)n同位素标记、代谢组学及实时荧光定量聚合酶链式反应(qT-PCR)手段探索生物炭与氮肥配施对玉米... 详细信息

采用盆栽试验,设置3个生物炭(BC)施用比例,分别为BC0(0)、BC3(3%)、BC9(9%),3个氮(n)水平,分别为n100(100%)、n80(80%)、n60(60%),采用^(15)n同位素标记、代谢组学及实时荧光定量聚合酶链式反应(qT-PCR)手段探索生物炭与氮肥配施对玉米叶片氮素利用及代谢的影响。结果表明,玉米氮素利用率(nUE)为14.71%~29.40%,不添加BC(BC0)处理下,玉米植株的nUE随着施n量的降低而降低,BC(BC3、BC9)处理下,nUE随着施n量减少而明显增加,以BC3n60处理的nUE最高、氮肥损失率最低。BC可通过介导氨基酸、糖和有机酸库的代谢,上调相关代谢基因(ZmGS1、ZmAS1)的表达水平,从而影响玉米叶片代谢组学和n组分(nH_(4)^(+)-n、nO_(3)^(-)-n、nO_(2)^(-)-n、Tn、TC)含量。此外,典范对应分析(CCA)、网络相关性分析结果表明,代谢物间的网络连接密度、植物矿质n组分与代谢组密切相关;双因素方差分析结果进一步表明,供n水平与BC施用比例存在交互作用。综上所述,减少n供应水平玉米氮素利用率显著降低,在此基础上施用生物炭可通过调节n代谢及上调n代谢基因改善玉米氮素吸收,以3%生物炭比例和60%施氮水平处理(BC3n60)的效果较佳。

关键词：生物炭玉米氮利用代谢组学 15n同位素示踪

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C/n值对嵌草铺装系统n迁移转化的影响

中国给水排水 2018年第5期34卷 115-120页

作者：陈韬李剑沣邹子介北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室北京100044 北京首钢国际工程技术有限公司北京100043

以模拟嵌草铺装系统为研究对象,运用^(15)n同位素示踪技术研究不同进水C/n值条件下土壤吸附、植物吸收、微生物固定、硝化、反硝化和硝酸盐异化还原为铵(DnRA)作用对氮的去除效果,量化分析氮的迁移转化规律。结果表明,嵌草铺装系统可有... 详细信息

以模拟嵌草铺装系统为研究对象,运用^(15)n同位素示踪技术研究不同进水C/n值条件下土壤吸附、植物吸收、微生物固定、硝化、反硝化和硝酸盐异化还原为铵(DnRA)作用对氮的去除效果,量化分析氮的迁移转化规律。结果表明,嵌草铺装系统可有效去除雨水径流中的COD、Tn、nH_4^+-n和nO_3^--n,去除率分别可达到77.5%、85.8%、85%、96.3%;0~5 d时以土壤无机颗粒吸附、植物吸收、微生物同化和硝化反应为主,5~12 d时以反硝化反应为主,12~20 d时以硝化和反硝化反应为主;低C/n值条件下,DnRA和反硝化作用较弱,硝化反应较强;随着进水C/n值的增加,硝化反应削弱,DnRA作用和反硝化作用增强。进水C/n值对土壤无机颗粒吸附、植物吸收和微生物同化作用无显著影响。

关键词：嵌草铺装系统 15n同位素示踪 C/n值硝化反硝化硝酸盐异化还原为铵

碳源对生物滞留系统中硝酸盐异化还原成铵的影响研究

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环境工程 2017年第10期35卷 66-70页

作者：陈韬邹子介李剑沣北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室北京100044 北京首钢国际工程技术有限公司北京100043

通过构建模拟实验,利用^(15)n同位素示踪技术研究在生物滞留系统中碳源对生物滞留系统中硝酸盐异化还原成铵(DnRA)的影响。结果表明:5个处理组(葡萄糖50,100,150,200,250 mg/L)中nO_3^-发生转化的量分别为41.1%、47.9%、50.7%、56.2%和5... 详细信息

通过构建模拟实验,利用^(15)n同位素示踪技术研究在生物滞留系统中碳源对生物滞留系统中硝酸盐异化还原成铵(DnRA)的影响。结果表明:5个处理组(葡萄糖50,100,150,200,250 mg/L)中nO_3^-发生转化的量分别为41.1%、47.9%、50.7%、56.2%和57.6%。以葡萄糖为碳源,初始浓度为100 mg/L时,DnRA作用效果最显著,^(15)n-nH_4^+含量占初始添加^(15)n的24.7%;初始浓度为250 mg/L时,DnRA作用最弱,^(15)n-nH_4^+含量占初始添加^(15)n的13.7%。反硝化和DnRA作用同时进行,系统中^(15)n-nO_3^-含量的减少均伴随着DnRA过程中间产物^(15)n-nO_2^-含量的积累和最终产物^(15)n-nH+4含量的增加。

关键词： 15n同位素示踪碳源反硝化硝酸盐异化还原成铵

人工羊草草地种子生产中的氮素利用及损失研究

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人工羊草草地种子生产中的氮素利用及损失研究

作者：崔艳平东北师范大学

学位级别：硕士

羊草(Leymus chinensis)草地不仅是我国最优良的草场之一,也是重要的生态屏障。由于过度利用等造成的天然羊草草地急速退化,严重制约了该地区畜牧业的健康稳定发展和生态建设的步伐。因此,提高羊草草地的生产性能和可持续利用性能是未... 详细信息

羊草(Leymus chinensis)草地不仅是我国最优良的草场之一,也是重要的生态屏障。由于过度利用等造成的天然羊草草地急速退化,严重制约了该地区畜牧业的健康稳定发展和生态建设的步伐。因此,提高羊草草地的生产性能和可持续利用性能是未来畜牧业发展和生态环境保护的必然要求。氮素在提高羊草生产性能中有重要的作用,提高氮素利用率、减少氮素损失不但可以明显提高产量,而且可以减少氮素流失造成的环境污染。本实验采用15n同位素示踪技术(丰度为10.15%的尿素,采用随机区组—裂区设计方法,主区施氮处理时间为秋季果后营养期和春季返青期,裂区施氮水平为0kg/ha、120kg/ha、240kg/ha)与土壤渗漏计相结合的方法研究了羊草草地在种子生产过程中的氮素利用和损失状况,结果发现：1.秋季施氮和春季施氮都可以提高种子的产量,但秋季施氮对翌年生种子产量的提高更明显。秋季提高种子产量是通过提高羊草单位面积抽穗数量、每穗结实粒数和千粒重来实现的;而春季施氮只可以提高羊草每穗结实粒数和千粒重,对单位面积抽穗数量没有影响。2.羊草籽粒中肥料氮的百分比要大于干草和根系,地上器官中肥料氮的百分比要强于地下器官。对15n标记的肥料氮的利用率排序为春季240kg/ha施氮(44.68%)、秋季240kg/ha施氮(36.02%)、春季120kg/ha施氮(28.24%)、秋季120kg/ha施氮(22.88%)秋季施氮能显著提高种子产量,但产生了低的干草产量。与此相反,春季施氮后羊草的种子产量的提高没有秋季施氮大,但能够显著增加干草的产量。3.不同施氮处理下,土壤中肥料氮的残留率在45.92%-67.92%之间,在0-60cm的土层中均有分布,随着土壤深度的增加,残留量逐渐降低,秋季进行施氮处理的残留率明显高于春季进行施氮处理的残留率。不同施氮处理下肥料氮通过nH3和n2O挥发损失率为1.00%-3.21%。在本实验中,由于实验地区较低的降雨量不足以使土壤残留氮发生淋失作用,因此氮素的淋失损失率均为0。4.不同施氮处理下的风险-收益比都大于1,说明施氮后氮的流失风险较大。风险-收益比最低的是春季高水平施氮(240kg/ha)。春季施氮风险收益比要显著低于秋季,这表明在以种子生产为目的的氮肥管理过程中,尽管秋季氮素处理能显著提高羊草的种子产量,但同时也增加了氮素的流失风险。如何既能提高种子产量,又能减少氮素的损失,还需要做进一步研究。

关键词：羊草施氮种子产量 15n同位素示踪氮素利用风险收益比