沈阳生态所在土壤排放一氧化氮15N自然丰度和产生过程的同位素分馏作用的研究中取得进展

  大气灰霾问题越来越受到人们的关注,不仅污染生态环境,而且严重威胁人类健康。硝酸盐是灰霾的主要组成成分,其前提物一氧化氮(NO)排放的不断增加,是加重灰霾问题的主要原因之一。NO不仅影响空气质量,还控制着臭氧的产生进而影响大气的氧化能力,在大气化学中起重要作用。为了减少环境污染,解析NO的排放源和减少其排放量,成为当今研究的重要任务。近年来,氮稳定同位素( δ15N)技术逐渐被应用于解析大气含氮污染物的来源。土壤是继化石燃料燃烧后NO排放的的第二大源,然而对于土壤产生的δ15N-NO研究仍十分有限,这增加了NO源解析的不确定性。土壤硝化作用和反硝化作用是NO产生的主要途径,但到目前为止,还没有研究区分这两个过程产生的δ15N-NO 

    

  中国科学院沈阳应用生态研究所稳定性同位素生态学研究团队,采集了中国北方三种生态系统类型共七个站点的土壤样品(两个农田土,两个森林土和三个草地土壤),进行了室内控制培养实验, 分别测定其在有氧和厌氧条件下产生的NO及底物硝态氮和铵态氮氮同位素组成的变化,并探讨了硝化和反硝化作用产生NO过程中的同位素分馏作用。研究结果发现,有氧条件(硝化作用占主导)土壤产生的δ15N-NO-56 ± 4‰)显著低于厌氧条件(反硝化作用主导)产生的δ15N-NO-33 ± 7‰,图1)。此外,不同生态系统类型土壤均表现为有氧过程产生NO的分馏系数(61 ± 3‰)显著大于厌氧过程产生的分馏系数(35 ± 6‰,图2)。而且,不同的土壤类型之间,产生的NO的过程的同位素分馏作用差异不大(图2)。因此,可以根据土壤产生的δ15N-NO值来区分硝化和反硝化作用对土壤NO产生的相对贡献,为建立N循环模型提供理论基础。我们还发现,土壤产生的δ15N-NO值(-62 ~ -23‰)显著低于生物质和化石燃料燃烧产生的δ15N-NO0 ~ + 20‰,图1)。因此,利用氮稳定同位素技术可以有效区分土壤和人为源对大气NO的贡献。 

    

  该研究得到了国家重点研发计划、中国科学院前沿重点研究项目等项目的支持。研究成果“δ15N of nitric oxide produced under aerobic or anaerobic conditions from seven soils and their associated N isotope fractionations”发表于Journal of Geophysical Research-Biogeosciences。通讯作者为方运霆研究员,博士研究生宿晨霞和副研究员康荣华为共同第一作者。
 
 
1. 一氧化氮不同排放源的δ15N 
 
图2.厌氧和有氧条件下,不同生态系统土壤产生一氧化氮过程的同位素分馏系数
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