森林土壤反硝化過程氮和氧同位素分餾效應(yīng)研究新進(jìn)展
??? 反硝化過程被認(rèn)為是生態(tài)系統(tǒng)氣態(tài)氮損失的主要途徑,也是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)氮限制的重要機(jī)制。但是,由于缺乏從生態(tài)系統(tǒng)尺度上直接測定反硝化作用速率的技術(shù),在過去對氮循環(huán)的研究中,生態(tài)系統(tǒng)尺度上的反硝化速率一直難以量化。近年來,硝酸鹽的15N/14N比值被用于量化生態(tài)系統(tǒng)尺度上的反硝化速率。然而利用15N同位素自然豐度量化需要考慮反硝化過程中的同位素分餾效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)在不同環(huán)境和實(shí)驗條件下,反硝化過程中氮同位素分餾效應(yīng)(15ε)的差異非常大,并且15ε對生態(tài)系統(tǒng)尺度上反硝化速率測定的影響非常大。盡管目前對15ε的研究很多,但是多數(shù)研究都集中于反硝化細(xì)菌純培養(yǎng)、淡水環(huán)境、沉積物和農(nóng)業(yè)土壤,缺乏對森林土壤的研究。因此,為了加強(qiáng)對森林土壤反硝化過程中同位素分餾效應(yīng)的理解,減少森林生態(tài)系統(tǒng)反硝化速率測定的不確定性,研究森林土壤反硝化過程中N和O同位素分餾效應(yīng)是至關(guān)重要的。
??? 基于此,本研究選擇4個典型森林(清原典型的溫帶落葉松林和混交林、海南典型的熱帶原始林和次生林為)為研究對象,測定四個森林土壤原生微生物群落反硝化過程中的同位素分餾效應(yīng)以及氮氧同位素分餾效應(yīng)的比值(△δ18O:△δ15N)。結(jié)果表明森林土壤反硝化過程中氮同位素分餾效應(yīng)(15ε)為31‰到65‰(圖1),遠(yuǎn)高于以往反硝化細(xì)菌純培養(yǎng)和其他環(huán)境條件下(淡水環(huán)境,海洋沉積物和農(nóng)業(yè)土壤)的研究結(jié)果(5‰到30‰)(圖2)。氧同位素分餾效應(yīng)(18ε)為11‰到39‰,與以往研究結(jié)果相當(dāng)(5‰到24‰)。另外,森林土壤反硝化過程中△δ18O:△δ15N比值為0.28到0.60(平均值為0.38 ± 0.02),低于以往陸地生態(tài)系統(tǒng)研究所報道的反硝化過程中的△δ18O:△δ15N比值(0.5到1)。研究結(jié)果表明不同氣候區(qū)或不同土壤類型反硝化分餾效應(yīng)可能存在差異。
我們進(jìn)一步應(yīng)用本研究結(jié)果中的反硝化分餾效應(yīng)估算陸地生態(tài)系統(tǒng)反硝化速率,發(fā)現(xiàn)過去研究(Houlton and Bai, 2009. PNAS)對陸地生態(tài)系統(tǒng)反硝化作用對總氮損失的貢獻(xiàn)可能被高估。
??? 以上研究成果以“High nitrogen isotope fractionation of nitrate during denitrification in four forest soils and its implications for denitrification rate estimates”為題發(fā)表在Science of the Total Environment期刊(2018)。相關(guān)工作得到了中國國家重點(diǎn)研發(fā)項目、中科院先導(dǎo)專項(B)、國家基金委、中科院重點(diǎn)科技前沿項目和中國科學(xué)院熱帶森林生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室開放課題的支持。

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?圖1 森林土壤反硝化作用氮氧同位素分餾作用

圖2 森林土壤反硝化作用N同位素分餾系數(shù)月其他環(huán)境下反硝化作用分餾系數(shù)比較(15ε)
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