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        15N同位素稀釋技術(shù)和示蹤技術(shù)在森林土壤N素研究中的應用

        2017-03-29 17:31:58文哲
        南方農(nóng)業(yè)·下旬 2016年10期
        關(guān)鍵詞:植物研究

        文哲

        摘 要 森林土壤N素形態(tài)、N庫動態(tài)及其運移轉(zhuǎn)化特征備受關(guān)注。采用穩(wěn)定性15N同位素稀釋技術(shù)和示蹤技術(shù)測定森林土壤總N轉(zhuǎn)化速率和15N回收率,可以揭示森林土壤N素特別是無機N的運移轉(zhuǎn)化規(guī)律和持留機制。由此可見,穩(wěn)定性15N同位素技術(shù)在森林土壤N循環(huán)研究中的作用舉足輕重?;诖?,介紹15N同位素稀釋技術(shù)測定土壤總N轉(zhuǎn)化速率的基本原理和15N同位素示蹤技術(shù)研究土壤N素運移規(guī)律的基本思路,并簡要列舉了穩(wěn)定性15N同位素技術(shù)和示蹤技術(shù)在森林土壤N素轉(zhuǎn)化、運移和持留機制研究中的應用實例,同時指出此法的不足和應用前景。

        關(guān)鍵詞:總N轉(zhuǎn)化速率;持留機制;15N同位素稀釋技術(shù);15N同位素示蹤技術(shù);同位素分餾

        中圖分類號:S153.6 文獻標志碼:B DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.30.059

        1 15N同位素稀釋和示蹤技術(shù)基本原理

        15N同位素稀釋技術(shù)是量化土壤總N轉(zhuǎn)化速率的有效方法,是依賴于對某一形態(tài)產(chǎn)物的15N標記及其稀釋和富集動態(tài)監(jiān)測[1],15N同位素示蹤技術(shù)則主要依賴于對一形態(tài)底物的15N的標記及其稀釋和富集動態(tài)監(jiān)測。由此可見,利用15N同位素稀釋和示蹤原理,不僅可以量化土壤N轉(zhuǎn)化速率,還可揭示N素生產(chǎn)和消耗途徑。

        2 15N同位素稀釋和示蹤技術(shù)方法

        目前,利用15N同位素稀釋和示蹤技術(shù)研究N素總轉(zhuǎn)化速率的分析方法有算術(shù)分析法和數(shù)值分析法兩種?;贙irkham和Bartholomew提出15N同位素稀釋法模型,Blackburn提出了低豐度的15N標記方法,公式如下:

        m=(M0-M1)/t×log(H0M1/H1M0)/log(M0/M1),c≠m

        c=(M0-M1)/t×log(H0/H1)/log(M0/M1),c≠m

        m=c=M0/t×log(H0/H1),c=m

        式中,M0:培養(yǎng)過程to時刻的N的總含量15N+14N;M1:培養(yǎng)過程t1時刻N的總含量15N+14N;H0:培養(yǎng)過程to時刻15N百分超,即被標記的15N豐度和15N自然豐度之差;H1:培養(yǎng)過程t1時刻15N百分超;t:測定時間間隔即t=t1-to;m:總N產(chǎn)生速率;c:總N消耗速率。

        上述方程既可用15NH4+-N或15NO3--N標記[2]。

        由于森林土壤N循環(huán)過程復雜,需要量化的參數(shù)多,而基于算術(shù)分析的15N同位素標記方法由于未考慮15N再礦化這一因素,只適合短期測定,且量化的參數(shù)少,數(shù)值分析法因為克服上述問題越來越受到重視。有關(guān)N素總轉(zhuǎn)化速率量化的數(shù)值分析法,程誼 等[3]做了很好的歸納。目前,Müller等基于馬爾柯夫鏈蒙特卡洛隨機采樣方法開發(fā)的15N同位素示蹤過程模型,將土壤有機N庫拆分為活性、惰性氮庫,允許采用零級、一級和米門動力學公式對N轉(zhuǎn)化進行描寫,可對有機N的礦化、NH4+固持到難分解有機N、易分解有機N的礦化、NH4+固持到易分解有機N、總N礦化、總NH4+固持、自養(yǎng)硝化、異養(yǎng)硝化、總硝化、總NO3-固持和硝酸鹽異化為銨(DNRA)等過程進行同步量化,備受關(guān)注。

        3 森林土壤N轉(zhuǎn)化、運移關(guān)鍵過程的15N同位素研究

        森林土壤N素轉(zhuǎn)化過程,如N礦化、硝化、反硝化和硝酸鹽異化還原為銨(DNRA)和N微生物固持、植物N素吸收均存在不同程度的N同位素分餾效應。通過N同位素分餾效應的研究,可有效揭示植物、微生物N的利用途徑。

        利用15N同位素稀釋技術(shù)和示蹤技術(shù)來分析土壤N素遷移轉(zhuǎn)化動態(tài),是當前森林生態(tài)學一個研究重點。相關(guān)研究主要可回答如下問題:第一,森林土壤總N礦化速率和凈N礦化速率比例關(guān)系及其關(guān)鍵調(diào)控因子;第二,森林土壤微生物和植物根系對N素的競爭中誰占優(yōu)勢;第三,全球大氣N沉降增加背景下,外源性N輸入對不同類型的森林土壤N循環(huán)產(chǎn)生的影響。需要說明的是,土壤總N礦化速率和凈N礦化速率比例關(guān)系因森林類型、土壤肥力和土層深度等不同而有所差異。如Zhang等[4]則采用15N同位素稀釋法和模型分析來量化土壤N轉(zhuǎn)化速率,研究發(fā)現(xiàn),與北方溫帶針葉林相比,中國南方亞熱帶森林土壤N礦化速率高和N周轉(zhuǎn)快。

        運用穩(wěn)定性15N同位素示蹤技術(shù)可以揭示森林生態(tài)系統(tǒng)植物和土壤微生物的N競爭關(guān)系。有關(guān)森林植物和土壤微生物對N的競爭的研究主要圍繞兩點展開,一是在N源的競爭上存在無機N源和有機N源之爭;二是在競爭關(guān)系上,植物和微生物對N競爭的相對優(yōu)勢。傳統(tǒng)觀點認為,植物僅能利用土壤有機物經(jīng)礦化作用形成的無機態(tài)N。相應地,植物和微生物對N源的競爭主要圍繞NH4+-N和NO3--N展開。植物和微生物對無機N的競爭的證據(jù)來源長期和短期的15N同位素示蹤實驗,土壤無機N庫標記豐度較高豐度的15NH4+-N和15NO3--N,經(jīng)過短期培養(yǎng)(15 d),測定植物、微生物和土壤無機N庫及其同位素組成。在長期的15N同位素實驗中,采用相同的示蹤技術(shù),不同的是測定的時間為培養(yǎng)后的數(shù)周或數(shù)月?;?5N同位素示蹤實驗研究的結(jié)果,目前較為流行的觀點是,短期時微生物在無機N的競爭上占有優(yōu)勢,且微生物偏向于利用NH4+-N,長期而言植物是最終的贏家。近年來,借助15N同位素示蹤技術(shù),越來越多的證據(jù)顯示植物根系,尤其是和菌根真菌有聯(lián)系的植物根系,可以直接吸收有機態(tài)N。植物根系對有機N的吸收能減少植物對微生物礦化N的依賴,潛在緩解植物和微生物對N素的競爭。盡管如此,上述研究仍無定論,尤其是根際土壤微生物-植物的N素營養(yǎng)競爭關(guān)系知之甚少。

        在全球大氣N沉降增加的背景下,當前生態(tài)學界普遍關(guān)注的一個的問題是外源性N輸入對森林生態(tài)系統(tǒng)C循環(huán)和養(yǎng)分循環(huán)有何影響。當外源性N輸入超過生態(tài)系統(tǒng)生物生理需求和非生物持留能力時,森林土壤出現(xiàn)“N飽和”現(xiàn)象,伴隨著NO3--N淋溶加劇、凈硝化作用增加、N礦化先增加后降低、氣態(tài)N損失和土壤酸化等一系列土壤過程非線性變化響應。簡而言之,在外源性N輸入的情形下,礦物N相對豐富的熱帶、亞熱帶和溫帶森林土壤N循環(huán)易由封閉狀態(tài)向開放狀態(tài)(如反硝化和淋溶)的轉(zhuǎn)變。而有關(guān)N沉降對森林土壤N素循環(huán)的影響,多數(shù)研究結(jié)果集中在凈N礦化速率層面。Corre等采用15N同位素稀釋法研究則發(fā)現(xiàn),德國云杉林土壤總N礦化、總硝化在中等富N狀態(tài)下達到最大,在高度富N狀態(tài)下均有所下降。

        4 森林土壤N素持留機制的15N同位素研究

        一般來說,礦物N相對豐富的生態(tài)系統(tǒng),如熱帶、亞熱帶和溫帶森林土壤N礦化和硝化速率快,加大了N素流失特別是NO3--N淋溶風險的同時也形成了有效的N素持留機制:如調(diào)控植物和微生物對N素的吸收、硝酸鹽異化還原為銨(DNRA)、NO3--N非生物性吸持為土壤有機質(zhì)(SOM)和土壤有機N(SON)再礦化、低土壤pH值抑制氨氣(NH3)揮發(fā)等。Stark等采用15N同位素稀釋技術(shù)研究墨西哥和俄勒岡州未受干擾的針葉林土壤NO3--N的動態(tài)時發(fā)現(xiàn),盡管土壤總硝化速率相當高,而微生物能快速同化所產(chǎn)生的NO3--N。與Stark等結(jié)果一致,Zhu等[5]

        采用15N同位素示蹤技術(shù)對中國亞熱帶酸性森林土壤研究發(fā)現(xiàn),土壤產(chǎn)生的NO3--N中有17.2%~74.9%被微生物固持。對此,Huygens等[6,7]利用15N同位素稀釋技術(shù)和15N示蹤技術(shù)研究智利南部常綠假山毛櫸雨林火山土壤的N循環(huán)過程,發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)硝化及其耦合的DNRA過程、NO3--N轉(zhuǎn)化為不易淋溶損失的有機態(tài)N、溶解性有機N(DON)轉(zhuǎn)化和溶解性無機N(DIN)過程的解耦三個過程對于原始溫帶雨林生物可利用性N持留作用重大。他們的研究顯示,添加15N一年后,15NH4+-N和15NO3--N的回收率分別為84%、69%,表明大量的NH4+-N和NO3--N被該森林土壤截留。異養(yǎng)硝化作用對總NO3--N生產(chǎn)的貢獻達96%,總無機N的貢獻約為10%。大約26%通過異養(yǎng)硝化產(chǎn)生的NO3--N經(jīng)DNRA過程迅速轉(zhuǎn)化為NH4+-N,大約69%通過異養(yǎng)硝化產(chǎn)生的NO3--N固持到不同的有機N庫。最近,Zhang等[4]的15N同位素示蹤研究顯示:中國南方的酸性森林0~20 cm土壤NH4+-N的產(chǎn)生速率為(3.04±0.90)mg/

        (kg·d),NH4+-N的固持速率為(1.80±1.13)mg/(kg·d),自養(yǎng)硝化速率為(0.14±0.17)mg/(kg·d),異養(yǎng)硝化速率為(0.70±0.46)mg/(kg·d),NO3--N吸持為SOM速率為(0.65±0.41)mg/(kg·d)和DNRA速率為(0.04±0.03)mg/(kg·d)。中國北方森林0~20 cm土壤NH4+-N的產(chǎn)生速率為(1.80±0.50)mg/(kg·d),NH4+-N的固持速率為(0.59±0.96)mg/(kg·d),自養(yǎng)硝化速率為(1.07±1.57)mg/(kg·d),異養(yǎng)硝化速率為(0.22±0.31)mg/(kg·d),NO3--N吸持為SOM速率為(0.04±0.11)mg/(kg·d)和DNRA速率為(0.05±0.04)mg/(kg·d)。基于上述研究結(jié)果,Zhang等[4]闡明中國南方酸性森林土壤無機N的保留機制為低的異養(yǎng)硝化速率、低的NH3揮發(fā)速率、較高速率的NO3--N固持為有機N抵消了徑流、淋溶和反硝化的影響。

        5 研究不足與展望

        盡管15N同位素稀釋技術(shù)和示蹤技術(shù)能準確地測定森林土壤N素總轉(zhuǎn)化速率,但測定結(jié)果受諸多條件限制,存在較大的不確定性。如果不能合理解釋利用15N標記測定的結(jié)果,易得出誤導性的結(jié)論。這就要求在實驗技術(shù)上,確保15N均勻標記于土壤。目前,多孔細針注射法可以降低操作上的誤差。另一個問題是,室內(nèi)溶液注射易改變土壤水分,野外15N的添加可能由于NH3的揮發(fā)或NO3--N淋溶造成標記的15N損失,且外源性添加的15N是否產(chǎn)生激發(fā)效應(如硝化作用強的森林土壤),有待確定。再者,由于土壤粘土礦物的吸附,起始標記的部分15N如15NH4+-N被吸附,測定N素總轉(zhuǎn)化速率需要待吸附平衡后確定一個合理的起始時間。

        當前,有關(guān)森林土壤N素總轉(zhuǎn)化速率和土壤溫室氣體如N2O通量的15N同位素研究十分豐富。然而,極少有研究能將森林土壤含N溫室氣體通量和土壤N素總轉(zhuǎn)化速率結(jié)合分析,同時量化硝化、反硝化過程對N2O排放的相對貢獻。在全球大氣N沉降增加的背景下,外源性N持續(xù)輸入在多大程度會影響森林土壤N循環(huán)過程、改變植物和土壤微生物間的N素競爭關(guān)系;在森林土壤“N飽和”過程中,會形成何種N素持留機制;N沉降增加導致的森林土壤N2O凈排放通量發(fā)生改變的N素調(diào)控機制,和硝化作用和反硝化作用的關(guān)系,這些將是今后研究的重點和難點,離不開穩(wěn)定性15N同位素稀釋技術(shù)和示蹤技術(shù)的支撐。

        參考文獻

        [1]Killham, K.Soil ecology[M].Cambridge University Press,1994.

        [2]AK Das, L Boral, RS Tripathi, et al. Nitrogen mineralization and microbial biomass-N in a subtropical humid forest of Meghalaya, India[J]. Soil Biology & Biochemistry, 1997, 29(9-10):1609-1612.

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        [4] Zhang J, Cai Z, Zhu T, et al.Mechanisms for the retention of inorganic N in acidic forest soils of southern China[J]. Scientific Reports,2012,3(6145):2342.

        [5]Zhu T, Meng T, Zhang J, et al. Nitrogen mineralization, immobilization turnover, heterotrophic nitrification, and microbial groups in acid forest soils of subtropical China[J]. Biology and Fertility of Soils, 2013, 49(3):323-331.

        [6]Huygens D, Rutting T, Boeckx P, et al. Soil nitrogen conservation mechanisms in a pristine south Chilean Nothofagus forest ecosystem[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2007,39(10):2448-2458.

        [7]Huygens D, Boeckx P, Templer P, et al. Mechanisms for retention of bioavailable nitrogen in volcanic rainforest soils[J]. Nature Geoscience, 2008,1(8): 543-548.

        (責任編輯:趙中正)

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