沈陽生態所在土壤排放一氧化氮15N自然豐度和產生過程的同位素分餾作用的研究中取得進展

  大氣灰霾問題越來越受到人們的關注,不僅污染生態環境,而且嚴重威脅人類健康。硝酸鹽是灰霾的主要組成成分,其前提物一氧化氮(NO)排放的不斷增加,是加重灰霾問題的主要原因之一。NO不僅影響空氣質量,還控制著臭氧的產生進而影響大氣的氧化能力,在大氣化學中起重要作用。為了減少環境污染,解析NO的排放源和減少其排放量,成為當今研究的重要任務。近年來,氮穩定同位素( δ15N)技術逐漸被應用于解析大氣含氮污染物的來源。土壤是繼化石燃料燃燒后NO排放的的第二大源,然而對于土壤產生的δ15N-NO研究仍十分有限,這增加了NO源解析的不確定性。土壤硝化作用和反硝化作用是NO產生的主要途徑,但到目前為止,還沒有研究區分這兩個過程產生的δ15N-NO 

    

  中國科學院沈陽應用生態研究所穩定性同位素生態學研究團隊,采集了中國北方三種生態系統類型共七個站點的土壤樣品(兩個農田土,兩個森林土和三個草地土壤),進行了室內控制培養實驗, 分別測定其在有氧和厭氧條件下產生的NO及底物硝態氮和銨態氮氮同位素組成的變化,并探討了硝化和反硝化作用產生NO過程中的同位素分餾作用。研究結果發現,有氧條件(硝化作用占主導)土壤產生的δ15N-NO-56 ± 4‰)顯著低于厭氧條件(反硝化作用主導)產生的δ15N-NO-33 ± 7‰,圖1)。此外,不同生態系統類型土壤均表現為有氧過程產生NO的分餾系數(61 ± 3‰)顯著大于厭氧過程產生的分餾系數(35 ± 6‰,圖2)。而且,不同的土壤類型之間,產生的NO的過程的同位素分餾作用差異不大(圖2)。因此,可以根據土壤產生的δ15N-NO值來區分硝化和反硝化作用對土壤NO產生的相對貢獻,為建立N循環模型提供理論基礎。我們還發現,土壤產生的δ15N-NO值(-62 ~ -23‰)顯著低于生物質和化石燃料燃燒產生的δ15N-NO0 ~ + 20‰,圖1)。因此,利用氮穩定同位素技術可以有效區分土壤和人為源對大氣NO的貢獻。 

    

  該研究得到了國家重點研發計劃、中國科學院前沿重點研究項目和中國科學院百人計劃等項目的支持。研究成果“δ15N of nitric oxide produced under aerobic or anaerobic conditions from seven soils and their associated N isotope fractionations”發表于Journal of Geophysical Research-Biogeosciences。通訊作者為方運霆研究員,博士研究生宿晨霞和副研究員康榮華為共同第一作者。
 
 
1. 一氧化氮不同排放源的δ15N 
 
圖2.厭氧和有氧條件下,不同生態系統土壤產生一氧化氮過程的同位素分餾系數
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