利用15N同位素技术定量解析滨河湿地氮素去除关键过程

本研究拟采取野外调查、野外原位实验和室内检测分析相结合的方法，选择黄河中游孟津湿地为研究对象，利用15N自然丰度法和同位素稀释法系统研究滨河湿地典型植物对外源氮的吸收利用过程和湿地土壤反硝化作用机制，定量解析氮素去除的关键过程，并探索基于除氮关键过程的滨河湿地氮净化作用机制及优化恢复模式。本研究的开展，一方面，通过定量解析滨河湿地氮素去除关键过程，揭示氮净化功能作用机制及其控制因子，为流域水资源管理和滨河湿地生态恢复实践提供依据。另一方面，探索自然丰度法与稀释法两种同位素技术的整合与应用途径，从而丰富和发展滨河湿地氮净化功能及作用机制定量研究的理论和方法。

本研究以黄河中游武陟渠首湿地为研究对象，通过野外调查、野外原位试验实验、室内检测实验等多种实验手段，研究了河滩地退耕恢复为典型湿地植被过程中土壤氮素变化过程以及氮吸收利用能力，采用15N自然丰度法与同位素稀释法重点对典型滨河湿地植物的氮素吸收利用过程开展了实验研究，并探讨了典型湿地土壤反硝化作用过程的研究方法，以及15N自然丰度法与同位素稀释法的整合与应用途径。研究结果表明：一年恢复期后，三种湿地植被群落土壤总氮含量均大于100mg/kg，而氨氮和硝氮含量则分别小于8mg/kg和2.5mg/kg；各群落土壤氮储量分别为：芦苇0.14kg/m2、水烛0.18 kg/m2、水蓼0.20kg/m2，三种植物体内氮储量分别为：芦苇13.11×10-3 kg/m2、4.57 ×10-3 kg/m2、11.90 ×10-3 kg/m2，其中芦苇群落土壤中氮素含量最低而植株氮储量最高，说明三种植被中芦苇对于氮素的吸收能力最强。自然丰度法实验结果表明，土壤δ15N变化范围为1.9 ‰ ±0.04 ‰~5.1 ‰ ±0.08 ‰，土壤δ15N值随着土层加深而增加，小浪底水库调水调沙对土壤δ15N值影响明显；植物δ15N值的变化范围为0.67 ‰ ±0.013 ‰~5.54 ‰ ±0.144 ‰，且地上部分显著高于地下部分。同位素稀释法研究结果表明，加入K15NO3标记物后，不同植被样方土壤对氮的滞留作用主要发生在0-20 cm，均占到土壤滞留氮总量的 90%左右；三种植被中15N原子百分比均呈现先上升后下降的趋势；芦苇的15N原子百分比最大，且呈现出在生长旺盛期地上部分明显高于地下部分而生长后期则相差不大的特点；不同植被对氮的吸收利用能力差别较大，处于生长旺盛期的芦苇地上部分对氮的吸收能力最强，达到9.47 mg/g。利用15N示踪技术研究土壤反硝化作用过程中，N2O气体通量和不同土壤深度N2O检测可采用树脂玻璃静态箱和PVC监测箱进行。15N自然丰度法和同位素稀释法均有着自身的独特优势和缺陷，在湿地氮素输入、迁移转化、输出或归趋研究中，氮素输入来源判别、地表水及地下水的氮素去除机制、氮去除过程关键影响因子识别、湿地植物主要利用氮源的定性判别和定量表达等可采用自然丰度法进行，而湿地土壤或沉积物氮素转化过程、氮素的输出或归趋等则应采用同位素稀释法开展。