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稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的应用

2021-11-25 10:03     来源:生命科学实验     稳定同位素稳定同位素技术氮15
氮通常是陆地生态系统生产力的限制性元素,自工业革命以来,伴随着人类活动(例如燃料燃烧和氮肥使用等)的增加,人类向大气和环境释放的活性氮也大量增加,活性氮的增加一方面缓解了陆地生态系统的氮限制,但另一方面却造成了一些区域或者局部地区严重的土壤、水和空气污染等环境问题。因此,认识和理解氮污染对生态系统氮循环的影响方向、程度和未来趋势十分必要。

1、氮稳定同位素技术和方法

(1)氮15(15N)自然丰度技术

15N自然丰度技术法主要利用氮循环过程中的同位素分馏作用。氮同位素分馏作用指的是参与生物化学反应的底物和产物σ15N不同的现象。分馏作用之所以发生,是因为相较于14N,15N参与生物化学反应打破或者形成新的化学键需要更多的能量,所以反应过程中更多的14N参与反应,从而导致底物的15N发生相对富集,σ15N升高。植物在吸收、利用和同化氮过程中,在土壤氮周转过程中均会发生同位素分馏作用。15N自然丰度技术法的优势在于它适用于大面积区域的调查对比研究,不受取样时间和空间的限制,同时样品测定简单。


氮循环过程中的同位素分馏效应

(2)15N标记技术

15N标记技术是将一定数量的15N富集的含氮化合物添加到系统中(植物、土壤或整个生态系统),经过一段时间后分析其去向的技术。在生态系统氮循环研究方面,15N标记技术不受稳定同位素分馏效应的影响,具有15N自然丰度法和传统示踪法所不具备的优点。随着稳定同位素技术的不断革新,15N标记技术已应用于陆地生态系统尺度上的各个方面,如分析氮的来源、分配和去向、土壤氮的转化以及氮损失等研究。

(3)测试方法

对于大多数动植物和土壤样本可以使用元素分析仪连接到同位素比质谱仪进行15N同位素分析。样品在约1000℃氧化还原管中生成N2,经过吸附与解吸附色谱柱分离,再进入同位素质谱仪进行同位素比值分析,实现对样品中15N同位素比值的测试。

2、15N自然丰度技术的应用

(1)σ15N指示植物氮来源

随着土壤有效态氮(NH4+和NO3-)15N分析方法的稳步和快速发展,植物和土壤15N自然丰度法也越来越多地被用于反映和推测植物氮利用特点和偏好。该方法通过分析植物各部位15N自然丰度,结合土壤NH4+和NO3-及有机氮的15N自然丰度值,根据同位素混合模型和同位素分馏作用,进而确定不同物种氮吸收偏好及不同土壤氮形态对植物氮利用的贡献。通过分析来自中国青藏高原东部不同林龄的云杉种植林植物叶片σ15N和土壤NH4+和NO3-,及有机氮的15N自然丰度值,根据同位素二元和三元混合模型计算发现,在林龄20和30年的种植林内,植物优先利用NO3-,在林龄大于30年的40、50、70年的云杉种植林内植物则更偏向利用NH4+,而土壤有机氮也是植物氮利用的重要组成部分,占23%-44%,表明植物氮利用策略上具有可塑性,即利用土壤中最主要的氮形式,这代表了植物具备一定的适应性以对抗环境选择压力。

(2)植物叶片指示生态系统氮状态的历史变化

氮的有效性是指相对于植物和微生物氮需求的土壤氮供给,σ15N的变化能够反应不同生态系统氮的有效性的差异和历史变化。当土壤氮供给大于生物需求时,氮会通过淋溶或是气态氮损失的比例更大,这个过程会导致更多14N通过淋溶或是气态氮释放而损失,而更多的15N留在植物组织或土壤里,造成植物和土壤呈现较高的σ15N。因此,生态系统氮有效性越高,σ15N越高。通过整合全球11000多个植物样品的叶片σ15N、氮含量等数据,发现在氮有效性较高的热带森林生态系统,叶片σ15N较高,而温带森林叶片σ15N较低。

(3)土壤无机氮同位素特征指示生态系统氮状态

土壤无机氮(铵态氮和硝态氮)的同位素组成不仅反映它们参与氮转化过程中的分馏作用,而且反映了他们主要来源的同位素特征(分别是土壤有机质和铵态氮)。因此,通过比较土壤有机质、铵态氮和硝态氮的15N丰度的大小可以推断土壤氮循环状态。例如,硝化作用会导致铵态氮15N丰度上升,如果铵态氮15N高于有机质15N,说明土壤中发生的硝化作用可能很强烈。同理,反硝化作用会导致硝酸盐15N丰度上升,如果硝态氮的15N高于铵态氮的15N,说明土壤中发生了反硝化作用,同时结合硝酸盐15N和18O的相关关系能更好判断反硝化作用的发生。

利用土壤无机氮同位素在指示草地生态系统氮状态和反映氮循环过程中,通过比较土壤有机质、铵态氮和硝态氮的σ15N的大小,再结合硝态氮浓度变化、硝酸盐氧同位素特征、植被分布格局和微生物功能基因丰度数据,发现当降水量小于100 mm时,生态系统氮循环主要受非生物因素控制,当降水量大于100mm时,生态系统氮循环主要受生物因素调控。此外,通过对植物和土壤总氮、土壤铵态氮和硝态氮的σ15N的分析,发现长期降水增加情形下反硝化作用发生很可能加剧了氮供给对植物生长的限制。

3、15N标记技术的应用

(1)15N标记技术在森林生态系统中的应用

通过森林生态系统尺度上15N标记试验来研究氮沉降在生态系统的滞留、去向及分配,可以更准确地评估沉降氮对森林的各种生态环境效应。综合欧洲多个针叶林的15N标记研究结果,发现土壤是沉降氮的最主要去向,其中有机质层土壤的滞留率随氮沉降增加而降低,氮淋失量则随之增加。通过在低氮沉降下Harvard森林进行的15N标记实验,以及综合同时期欧洲的15N标记实验结果,发现沉降氮进入森林后1年左右,对于乔木木质部生物量增加以及固碳的作用有限。

近些年来,通过配对15N标记(15NH4+和15NO3-),越来越多的研究发现,不仅植物和土壤对于两种沉降氮的吸收和滞留率差异明显,而且不同类型乔木植物对两种形态氮的吸收利用效率也明显不同。在温带森林,地表凋落物层对15NH4+的吸收固持率更高,而对15NO3-吸收固持率明显更低,导致其在表层矿物质土壤滞留率更高。而在凋落物层较薄的亚热带和热带森林,无论是地表凋落物层还是矿物质层土壤,都更偏向吸收固持15NH4+。目前,在同一森林的铵态氮和硝态氮配对的实验较少,但几乎所有的配对标记结果都显示,地上植物对15NO3-;的总吸收固持率明显比15NH4+更高。其主要原因被认为是沉降氮进入森林生态系统后,15NH4+更易于被土壤中的微生物固持,以及发生无机过程的吸附或置换,更难以到达植物根系被根系吸收。

(2)15N标记技术在农田生态系统中的应用

15N示踪技术在农田生态系统的应用开始于20世纪50年代,最早是用来研究作物对氮的吸收与生理代谢,随着稳定同位素技术的不断革新,15N示踪技术已逐渐应用到了农田生态系统尺度上的各个方面。在实验室培养条件下,研究者们主要通过15N的生物标志物和同位素模型来研究土壤氮的转化动态。而在原位小区试验条件下,研究者们主要是通过15N脉冲标记来模拟氮肥施用,从而追踪土壤中肥料氮的流向和命运。由于农田生态系统结构单一、人为活动影响大,田间原位15N的去向很不稳定,变异较大,大部分研究主要探讨农艺措施对肥料氮去向的影响。

例如,采用15N示踪法计算出来的作物回收率通常只是肥料氮的当季利用效率,真实评价氮肥的供氮功能还需要考虑其残留效应。在土壤氮平衡条件下,残留效应的本质就是当季残留肥料氮对当季土壤氮消耗的补偿,可以理解为肥料氮的间接供氮效应。该效应被认为是维持土壤长久供氮能力的重要机制。残留肥料氮的后季利用可通过15N示踪定量,通过总结多季15N示踪研究的结果,发现当季残留肥料氮在随后五季作物的累积利用率平均仅在6.5%左右(逐年平均分别为3.3%、1.3%、1.0%、0.4%和0.5%)。但不能由此就认为残留肥料氮的后季利用就很低,因为绝大多数的N示踪结果均显示作物吸收的氮主要还是来自土壤氮库,肥料氮当季的贡献只占37%—44%。为了证明肥料氮的长期效应, 通过研究硝态氮肥施入农田土壤后30年的利用和损失情况,发现肥料氮的利用和损失是长期的过程,30年连续作物种植仍有12%-15%的肥料氮残留在土壤中,第一季肥料氮30年的累积利用率达到61%-65%。

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