土壤中铁介导的NO3-还原过程及其影响因素研究

Nitrification rate is an important factor of N transformation processes in soil. The studies discovered potential abiotic interference such as Fe2+ reduction caused by analytical methods or pretreatment process, leading to an underestimate of NO3- concentration. The ferrous wheel hypothesis was proposed and questioned to explain the disappearance of NO3-, however it has not been confirmed because of limitation of analytical method. The Fourier transform infrared attenuated total reflection (FTIR-ATR) spectroscopy provides a real-time and rapidly monitoring method for detecting NO3- due to its characteristic peaks. In this study, the FTIR-ATR technique combines with N isotope labeled tracer method are employed to study the nitrification rates under different conditions (such as soil types, moisture content, pH value, temperature, redox potential, iron concentration, organic matter, different N species and C/N ratios). Abiotic nitrate reduction by iron and its influence factors in soil are researched. Moreover, the ferrous wheel hypothesis will be discussed by FTIR-ATR spectroscopy technique. The results may make a basis contribution to understand the soil nitrogen nitrification/denitrification process.

土壤硝化速率是表征土壤氮转化过程的重要参数之一，现有研究表明土壤硝化速率存在明显低估现象，可能是因为NO3- 在测定或前处理过程中发生了非生物 (如Fe2+) 介导的还原，即“铁轮假说”(The ferrous wheel hypothesis)，但该假说目前还未得到证实，主要是由于NO3- 测定方法所限制。NO3- 具有显著的衰减全反射红外吸收特征，可以实时、快速地监测土壤中NO3- 浓度，本项目以衰减全反射红外光谱为研究手段，并结合稳定性氮同位素示踪技术，研究不同条件下 (土壤类型、水分、pH值、温度、氧化还原电位、Fe离子含量、有机质含量、不同形态氮素及C/N比例等) 土壤的硝化速率，分析Fe2+ /Fe3+ 对NO3- 还原的发生条件及影响因素，验证“铁轮假说”，并为深入认识和理解土壤氮硝化/反硝化过程提供新的理论基础。

（1） 利用衰减全反射光谱测定溶液和土壤中的硝酸盐。溶液、水稻土、红壤中硝酸盐的特征吸收区在1200～1500 cm-1，该吸收区干扰吸收少，吸收峰与硝态氮浓度成正比，采用该特征波段的第一主成分与硝态氮含量进行线性回归分析，表明中红外衰减全反射光谱可以用于溶液、水稻土和红壤中硝态氮的快速检测。.（2） 依据15NO3-吸收峰的红移特征，采用偏最小二乘法对溶液、水稻土和红壤中不同氮同位素标记的硝态氮进行建模预测，结果表明，溶液样本和土壤样本的14NO3--N和15NO3--N 预测值与实际值线性决定系数和RPD 值都取得了很好的结果；因此，红外衰减全反射光谱可用于溶液和土壤中硝态氮以及氮同位素标记硝态氮的测定，为快速原位研究土壤中氮的硝化过程提供新的手段。.（3）利用建立的衰减全反射光谱的硝酸盐定量模型，预测水稻土硝化过程中的硝态氮含量，同时以常规化学分析方法作为验证，得到不同温度、水分、施氮量以及土壤酸碱度下硝态氮含量都是随着培养时间逐渐增加的，通过实验结果，得出培养温度，水分含量，施氮量等条件对硝酸盐还原过程的影响程度。.（4）通过对中红外衰减全反射光谱和比色法的比较，发现两种方法低温下测定的结果差异较大，水分含量越大，施氮量越高，差异越大。.（5）利用对中红外衰减全反射光谱对同位素的预测模型，预测了硝化过程中氮同位素标记的硝酸盐，得到水稻土中净硝化速率为3.00 ± 0.38 mg Nkg-1 day-1，其中约有 60%～68% 的氮来自于土壤矿氮，32%～40% 的氮来自外源氮，土壤矿化氮所占比例要高于外源氮，但是外源氮的加入促进了土壤的矿化。.（6）土壤中铁离子对硝酸盐定量的分析和硝化作用存在影响，硝酸盐比色法定量分析中添加不同浓度 Fe2+ 使溶液和土壤浸提液中的硝酸盐增加，说明硝酸盐测定过程中存在铁的参与作用，淹水状态下添加 Fe2+可以促进硝酸盐的还原，降低硝酸盐含量。.（7）土壤中铁离子对氧化亚氮的排放产生影响。加入的Fe2+ 浓度越高，产生的氧化亚氮气体的含量越多，Fe2+ 浓度可以促进水稻土的硝化作用；含水量较低时，不利于电子间的交换与转移反应不宜进行，故产生的氧化亚氮气体含量略低；20 -30°C温度是促进氧化亚氮的排放，高温和低温都抑制氧化亚氮的排放。