沈阳生态所在森林土壤反硝化过程的氮同位素分馏效应研究获新进展

  反硝化过程被认为是生态系统气态氮损失的主要途径,也是导致生态系统氮限制的重要机制。但是,由于缺乏从生态系统尺度上直接测定反硝化作用速率的技术,在过去对氮循环的研究中,生态系统尺度上的反硝化速率一直难以量化。近年来,硝酸盐的15N/14N比值被用于量化生态系统尺度上的反硝化速率但是,利用15N同位素自然丰度量化需要考虑反硝化过程中的同位素分馏效应。研究发现在不同环境和实验条件下,反硝化过程中氮同位素分馏效应(15ε)的差异非常大,并且15ε对生态系统尺度上反硝化速率测定的影响非常大。尽管目前对15ε的研究很多,但是多数研究都集中于反硝化细菌纯培养、淡水环境、沉积物和农业土壤,缺乏对森林土壤的研究。因此,为了加强对森林土壤反硝化过程中同位素分馏效应的理解,减少森林生态系统反硝化速率测定的不确定性,研究森林土壤反硝化过程中NO同位素分馏效应是至关重要的。 

  基于此,中国科学院沈阳应用生态研究所稳定同位素生态学研究团队,选择清原典型的温带落叶松林和混交林,以及海南典型的热带原始林和次生林为研究对象,测定四个森林土壤原生微生物群落反硝化过程中的同位素分馏效应以及氮氧同位素分馏效应的比值(δ18O:δ15N)。结果表明森林土壤反硝化过程中氮同位素分馏效应(15ε)为3165‰(图1),远高于以往反硝化细菌纯培养和其他环境条件下(淡水环境,海洋沉积物和农业土壤)的研究结果(5‰30‰)(图2氧同位素分馏效应(18ε)为1139‰,与以往研究结果相当(5‰24‰)。另外,森林土壤反硝化过程中δ18O:δ15N比值为0.280.60(平均值为0.38 ± 0.02)(图1),低于以往陆地生态系统研究所报道的反硝化过程中的δ18O:δ15N比值(0.51)。研究结果表明不同气候区或不同土壤类型反硝化分馏效应可能存在差异。我们进一步应用本研究结果中的反硝化分馏效应估算陆地生态系统反硝化速率,发现在过去的研究中陆地生态系统反硝化作用对总氮损失的贡献可能被高估。 

  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”为题于2018328日在线发表在Science of the Total Environment期刊。王盎博士为第一作者;方运霆研究员和中国林业科学研究院热带林业研究所陈德祥副研究员为共同通讯作者。相关工作得到了中国国家重点研发项目、中科院先导专项(B)、国家基金委、中科院重点科技前沿项目、中科院百人计划项目和中国科学院热带森林生态学重点实验室开放课题的支持。 

   论文链接

1. 森林土壤厌氧培养下,反硝化过程中N同位素分馏效应和δ18O:δ15N比值

 

2. 不同环境和实验条件下的N同位素分馏效应(15ε

 

 

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中国科学院沈阳应用生态研究所

中国科学院沈阳应用生态研究所研究内容主要围绕中国国家农业、林业可持续发展、生态与环境建设中急需解决的重大问题和应用生态学的发展需要,在森林生态与林业生态工程、土壤生态与农业生态工程、污染生态与环境生态工程领域开展基础性、战略性和前瞻性研究,丰富和发展森林生态学、农田生态学和污染生态学的基础理论,为中国主要退化生态系统恢复与重建,改善生态与环境,保障食物安全提供科学依据与关键技术。

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