海洋N2O氮、氧同位素组成研究进展

氧化亚氮（N₂O）不仅是重要的温室气体之一,还对臭氧层具有破坏作用。由于人为活动加剧,导致大气N₂O浓度以每年约0.25%的速率增加。海洋是大气N₂O的重要释放源。海洋溶存N₂O的氮、氧同位素组成可以反映N₂O的源与汇以及N₂O的形成机制,是海洋氮循环过程研究的一个重要示踪指标。本文简述海洋N₂O产生和消耗机制,总结不同环境中N₂O稳定氮、氧同位素组成和N₂O循环过程的同位素分馏效应,并回顾了国际上应用稳定氮、氧同位素研究海洋N₂O形成机制的研究进展,最后评述我国近海N₂O稳定氮、氧同位素研究现状并提出展望。     

改性稻壳生物炭对水中反硝化过程和N2O排放的影响

为探究H₂O₂改性和NaBH₄改性稻壳生物炭(BC-H₂O₂和BC-NaBH₄)对反硝化过程和N₂O排放的影响及机理,在制备并测定BC-H₂O₂和BC-NaBH₄理化性质及其表面含氧官能团含量基础上,将未改性生物炭(BC)、BC-H₂O₂和BC-NaBH₄以1%(w/V)的比例分别加入含有厌氧反硝化细菌(DB)的培养体系,开展DB去除模拟废水中低浓度硝酸盐(约10mg/L,以N计)的室内培养实验.结果表明,H₂O₂改性增加了生物炭表面的羧基含量,而NaBH₄改性增加了生物炭表面的内酯基和酚羟基含量.另外,傅立叶变换红外光谱分析表明,与BC相比,BC-H₂O₂的C=O含量明显增加.DB+BC-H     

南京河流夏季水-气界面N2O排放通量

利用静态箱-气相色谱法对南京4条河流(内秦淮河、外秦淮河、金川河、团结河)和1座水库(金牛湖)的夏季水-气界面N2O气体通量进行24 h连续观测.结果表明,4条河流24 h内均为N2O的排放源,而金牛湖作为本底对照则表现为N2O的吸收汇.受水利条件变化的影响内秦淮河N2O在20:00达到排放峰值.金川河和团结河N2O排放通量均在夜间水中溶解氧饱和度极低的时候达到最低值.外秦淮白天的硝化作用和夜间的反硝化作用导致其N2O呈现出双峰的排放趋势.金牛湖N2O的排放量主要受风速影响,呈现出夜高昼低的排放趋势.在常规观测中,团结河、金川河、外秦淮河及金牛湖这4种水体能代表全天平均值的采样时间段均在08:00~12:00之间,但对于受外界影响较大的内秦淮其适宜的时间段则为14:00~16:00.     

N2O产生机制的同位素方法研究进展

N₂O是一种重要的温室气体,是由多种微生物的硝化与反硝化作用产生,但是它产生的生物地球化学机制还不十分清楚。本文结合N₂O产生的微生物过程,阐述了国内外利用同位素标记法、N₂O的δ¹⁵N和δ¹⁸O双同位素法、N₂O的δ¹⁵N^α（¹⁴N¹⁵N¹⁶O）和δ¹⁵N^β（¹⁵N¹⁴N¹⁶O）、SP值同位素异构体法以及多种同位素法相结合研究N₂O的产生机制及微生物过程,比较了这些方法的优缺点,尤其重点阐述了近些年来兴起的N₂O同位素异构体计算各过程贡献比例及其判别源与汇的理论及其应用。¹⁵N同位素富集因子法和SP值法也分别应用于产生N₂O的微生物群落结构、数量和活性变化的研究,以从根本上达到控制N₂O排放量的目的。同时指出同位素方法研究N₂O产生机制的困难和不足。     

土壤化学反硝化及N2O产生机理研究进展

传统观点认为土壤氮素转化要有微生物的参与,但越来越多的研究发现,非生物转化在一些特定条件下同样发挥着不可忽略的作用,该途径下N₂O产生量甚至超过生物学过程而占主导作用.作为一种重要的非生物土壤氮素转化方式,化学反硝化产生途径虽然已经被发现近一个世纪,但在现代生态学研究中通常因研究分散而往往被忽视.鉴于此,对土壤化学反硝化及N₂O产生机制、影响因素的研究进展进行总结,并对化学反硝化的不足和薄弱环节提出展望.结果表明:土壤化学反硝化及N₂O产生的机制主要包括高价氮还原和羟胺分解两种作用;影响土壤化学反硝化的因素主要包括pH、温度、反应底物浓度、有机质、固相界面及金属离子,如高pH、固相界面和Cu2+的存在均会促进化学反硝化过程;不同形态Fe直接参与化学反硝化生成N₂O的途径不同,主要包括Fe2+还原NO₂-和NO₃-,Fe3+氧化NH₂OH.然而,现有研究对于化学反硝化机理的边界划分等问题仍不明确,因此,建议强化羟胺在土壤化学反硝化途径中作用机理的基础性研究,以及多因素综合影响下化学反硝化强度和N₂O产生特征方面的应用性研究.      

土壤盐分变化对N2O排放影响：基于Meta分析

N₂O是导致臭氧层空洞和全球变暖的主要大气污染物,农业生产活动是其主要来源,而土壤盐分则是影响N₂O排放的关键因素.基于21篇同行评议文献中528对实验组及对照组形成的数据集,运用R语言Metafor软件包进行Meta分析,进而评估土壤盐分对土壤N₂O排放的影响.结果表明,土壤盐分累积对N₂O排放量有显著正效应,中度和高度盐渍土N₂O排放量比非盐渍土高75.57%和28.85%.室内培养实验测定结果表明,林地和农田的土壤盐渍化导致N₂O排放量增加124.79%和131.64%,而野外定位监测试验结果表明,草地、裸地和农田中,土壤盐分对N₂O排放的影响均不显著.盐分对N₂O排放的影响趋势则因土壤(NH₄⁺∶NO₃^-)、p H、土壤砂粒含量和粉粒含量的差异而发生改变,影响程度依次是：(NH₄⁺     

农田土壤N2O产生的关键微生物过程及减排措施

氧化亚氮(N2O)作为一种重要的温室气体,其全球排放总量仍然在持续上升.它不仅可以产生温室效应,还可以间接破坏臭氧层,使其在全球气候变化和生态环境变化研究中备受关注.土壤生态系统是大气中N2O的最重要排放源.本文详细论述了农田土壤中反硝化作用、硝化作用、硝化微生物的反硝化作用以及硝酸盐异化还原成铵作用等过程产生N2O的微生物学机制,并从土壤理化性质(土壤pH、氮素、有机质、土壤温度和湿度)和土壤生物等方面对农田土壤N2O排放的影响进行综述,在此基础上对农田土壤N2O的减排措施进行总结,并就今后农田土壤N2O排放的研究重点和方向进行了展望,为调控农田土壤温室气体排放、氮转化过程和提高氮素利用效率提供科学依据.     

不同氮输入梯度下草甸沼泽土反硝化损失和N2O排放

在实验室培养条件下,设计N0,N1,N2,N3 4种氮输入梯度,净氮输入量分别为0,1,2 和5 mg/g,采用乙炔抑制技术,研究草甸沼泽土反硝化损失和N₂O排放. 结果表明:培养期间(23 d)N1,N2和N3梯度的N₂O排放速率平均值分别为12.55,7.59和4.04 μg/(kg·h),反硝化损失速率平均值分别为11.52,9.87和3.10 μg/(kg·h),二者均明显高于对照(N0)〔0.09和0.10 μg/(kg·h)〕;但高氮输入(N2和N3梯度)会对N₂O排放速率和反硝化损失速率产生一定的抑制作用,且随着梯度增大而加强,差异达到显著水平(P<0.05). 24 h时土壤有机碳矿化速率随氮输入梯度升高而增大,表明氮输入初期能对土壤有机碳矿化产生激发效应;但在整个培养期,有机碳矿化速率却随氮输入增加而降低,表明只有适当的氮输入才能促进土壤有机碳矿化,过量氮输入反而会对其产生抑制作用.      

废水生物脱氮过程中N2O排放数学模型研究进展

氧化亚氮(N₂O)的温室效应比CO₂强265倍,可从废水生物脱氮过程中产生并直接排放,如果不对其加以控制,会显著增加污水处理厂的碳足迹。N₂O排放的数学建模对于深入解析N₂O产生机制、量化N₂O排放、优化生物脱氮工艺和制定N₂O减排策略具有重要意义。结合当前国内外研究现状,阐述了废水生物脱氮过程中N₂O产生机制;归纳了基于不同机制建立的N₂O数学模型,包括氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)经过羟胺氧化途径和AOB反硝化途径产生N₂O模型、异养反硝化途径产生N₂O模型以及耦合AOB和异养反硝化细菌产生N₂O模型;总结了新型生物脱氮系统N₂O模型,实际工程应用情况及校准N₂O数学模型中存在的问题;并对今后N₂O数学模型的研究方向进行了展望。     

城市河流CH4和N2O产生及排放研究进展

甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）是备受关注的温室气体.近年来,城市河流已经成为不可忽视的CH₄和N₂O排放源,亟需予以关注.探究城市河流CH₄和N₂O产生及排放的时空特征、机制和影响因素对城市碳减排具有重要意义.通过梳理近20年国内外文献关于城市河流CH₄和N₂O溶存浓度与排放通量实测数据,总结了当前城市河流CH₄和N₂O排放的时空特征;估算得到2018年北京市城市河流的CH₄和N₂O排放量（以CO₂-eq计）分别为234.63 Gg和59.53 Gg,估算得到2018年上海市城市河流的CH₄和N₂O排放量（以CO₂-eq计）分别为159.86 Gg和260.24 Gg,表明城市河流是不容忽视的CH₄和N₂O排放源;整理了城市河流中CH₄和N₂O的产生/消耗过程与输入/输出过程;从河流内部理化性质、河流外部水文及植被条件、城市化进程的角度,分析了城市河流CH₄和N₂O产生与排放过程的主要影响因素;最后提出了城市河流CH₄和N₂O排放核算与减排的未来研究重点,为今后城市河流的温室气体减排提供理论支持.     

太湖地区湖水与河水中溶解N2O及其排放

水体是N₂O排放的重要来源.2000-09～2001-09,每月2次采样(重复3次)连续监测太湖地区太湖和大运河水体N₂O排放通量和水中溶解的N₂O浓度,还同时监测不同深度水样中的N₂O浓度.结果表明,太湖N₂O-N的年均排放通量为3.53 μg/(m²·h),而大运河已高达122.5,μg/(m²·h).太湖湖水中溶解N₂O-N浓度为0.36μg/L,大运河河水中浓度高达11.31μg/L,浅水型水体是N2O排放的源.结果还表明,不同深度水中N2O浓度差异不明显,而时间差异显著.水面N2O的排放通量和水中溶解的N2O浓度呈显著正相关关系,二者又都与水温呈显著正相关. .     

污水处理过程N2O排放：过程机制与控制策略

污水处理生物脱氮过程中氧化亚氮(N₂O)作为直接碳排放源,其大气升温效应较CO₂高出265倍.因此,国际上对N₂O排放机制与控制策略的研究层出不穷.N₂O产生源于硝化与反硝化过程,主要涉及亚硝化(AOB)及其同步反硝化、常规异养反硝化(HDN)、同步异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)和全程氨氧化(COMAMMOX)等生物途径,以及硝化过程中间产物NH₂OH与NOH之非生物化学途径.常规硝化与反硝化(AOB+HDN)途径在正常运行工况下N₂O排放量并不是很大,约只占进水TN负荷的1.3%;即使是HN-AD与COMAMMOX代谢过程,两者N₂O产生量也不足TN负荷的0.5%.不可忽视的是AOB亚硝化及其同步反硝化,它们已被确认为是污水处理生物脱氮过程中N₂O排放的首要途径;AOB过程中间产物(NH₂OH与NOH)非生物化学过程以及AOB反硝化生物过程(主途径)共同导致的N₂...     

基于同位素技术的短程硝化过程N2O产生途径

在常温条件下,采用批次试验结合同位素分析技术,研究不同溶解氧(DO)浓度下短程硝化过程N_2O的释放量及产生途径.结果表明,不同溶解氧条件下,N_2O的释放量与NO_2~--N浓度显著相关,当NO_2~--N浓度大于3 mg·L~(-1),短程硝化过程开始出现N_2O的释放,且随着NO_2~--N浓度的增加而增加.当溶解氧浓度分别为0. 5、1. 5和2. 5 mg·L~(-1)时,N_2O的释放量占进水总氮的比例分别为4. 35%、3. 27%和2. 63%,随着溶解氧的升高,N_2O的释放量占进水总氮的比例降低.短程硝化过程控制溶解氧在2. 5 mg·L~(-1),既可以提高比氨氧化速率,又可以减少N_2O的产生.同位素测定结果表明,当溶解氧为0. 5 mg·L~(-1)时,只有AOB反硝化过程生成N_2O.但当溶解氧升至1. 5 mg·L~(-1)时,有4. 52%的N_2O通过NH_2OH氧化过程生成,AOB反硝化过程生成的N_2O占95. 48%.继续升高溶解氧到2. 5 mg·L~(-1)时,NH_2OH氧化过程生成的N_2O比例增加至9. 11%,AOB反硝化过程生成的N_2O占90. 89%,溶解氧浓度的改变会影响短程硝化过程N_2O的产生途径,避免过高的NO_2~--N积累,可以减少N_2O的产生.     

凤眼莲对富营养化水体硝化、反硝化脱氮释放N2O的影响

以往有关大型水生漂浮植物消减富营养化水体氮(N)的研究主要侧重于植物对N的吸收效果,而忽略了硝化、反硝化反应途径对水体脱氮的贡献.基于此,本研究中借助具创新性的收集凤眼莲种植水体释放N₂O的装置和方法,通过模拟实验研究了凤眼莲对富营养化水体硝化、反硝化脱氮中间产物N₂O的影响.结果表明,凤眼莲可以促进富营养化水体的硝化、反硝化、成对硝化-反硝化反应过程,在本实验条件下凤眼莲种植水体在整个培养期内释放的N₂O气体浓度累积升高幅度较大,为453~4055 nL·L^-1(未加硝化抑制剂处理),通过释放N₂O而脱除氮素的量占整个水体N消减量的1.36%,为相应未种植凤眼莲水体的4.31倍.种植凤眼莲水体试验期间释放N₂O-N的量与水体氨态氮或硝态氮浓度的变化量均存在显著相关关系(p<0.05),说明N₂O释放量受到水体中NH₄⁺、NO₃^-浓度变化的影响.种植凤眼莲在实验中后期可以增加水体中硝化、反硝化细菌的数量,但其数量远低于凤眼莲根系附着的硝化反硝化细菌.水体中反硝化细菌数量与水体释放N₂O浓度之间并无显著相关性,说明种植凤眼莲水体反硝化脱氮释放N₂O过程可能主要是由根系共生微生物驱动的.     

卫河新乡市区段春季溶解CH4与N2O浓度特征

对卫河新乡市区段春季CH_4与N_2O浓度进行调查分析,初步探讨了城市河流中典型温室气体的溶存量空间变化及其影响因素.结果表明,受到水中污染物质浓度及人类活动影响,春季卫河表层水中CH_4与N_2O浓度处于超饱和状态,饱和度分别为147.59~2 667.85和4.06~188.25.影响市区内N_2O浓度的主要环境因素为NH~+_4-N(P0.01),而新区污水处理厂排水输入显著提高了N_2O的溶存量,说明污染物类型影响温室气体的产生和积累,NH~+_4-N的硝化过程是城市河流N_2O产生的主要来源.逐步回归分析表明CH_4浓度是NH~+_4-N浓度与水温的相关函数,其中CH_4浓度与NH~+_4-N极显著相关(R2=0.70,P0.01),说明春季卫河中NH~+_4-N浓度是影响卫河春季CH_4溶存的关键因素.此外研究结果显示在NO~-_3-N浓度较低并且NH~+_4-N浓度高时水中CH_4与N_2O浓度具有显著正相关关系,表明有效态氮浓度差异影响CH_4与N_2O产生过程的耦合机制.     

放牧对草原土壤N2O产生及微生物的影响

利用AIM乙炔抑制法,首次测试了我国内蒙古放牧和非放牧羊草草原土壤N₂O产生的微生物过程;通过分析不同类型草原土壤N₂O产生的微生物过程和相关微生物菌群的季节变化,研究了放牧行为对于草原土壤N₂O微生物产生过程的影响.放牧行为改变了土壤结构,有利于土壤微生物反硝化作用的发生,在一定程度上降低了草原土壤N₂O的排放.揭示了内蒙古草原土壤N₂O产生是以异养硝化作用过程为主的微生物过程,解释了内蒙古典型草原土壤N₂O通量较低和其季节变化的微生物学机理.     

添加磷对水稻-油菜轮作土壤N2O排放影响

我国南方红壤区域普遍属于缺磷土壤,种植作物需要施用较多的磷肥,但添加磷对水稻-油菜轮作土壤中N_2O的排放影响并不明确.以潜江、咸宁两处水稻-油菜轮作模式下的土壤为研究对象,添加不同浓度的磷(0、15和30 mg·kg-1)和不同浓度的氮(0和100 mg·kg-1)进行室内培养实验,探究添加磷对水稻-油菜轮作土壤N_2O排放的影响.结果表明,添加磷对土壤中N_2O的排放有较为显著的影响,但影响的方式有所不同:在土壤本身氮比较少的情况下,添加磷会促进土壤中微生物对氮的固定,降低N_2O的排放;在土壤中有充足的氮情况下,添加较少的磷会促进土壤中硝化微生物的活动,促进N2O的排放,但添加较多的磷同样会促进土壤中微生物对氮的固定,相比于添加较少的磷处理会抑制N_2O的排放;在土壤本身磷的含量较为充足的情况下,无论土壤中的氮源是否充足,添加磷仅对土壤中N_2O的排放起抑制作用.     

农田生态系统N2O排放的数值模拟研究

综合大气化学等多学科最新研究进展,建立了农田N₂O排放数值模式,模式较好地模拟了农田生态系统中N₂O排放过程.利用模式分析了气象因子对N₂O排放影响.结果表明:苏州稻田N₂O排放量与生长期平均气温存在显著正相关,与总辐射和降水量相关不明显;功率谱分析表明N₂O排放量存在7～9年的变化周期,与平均温度变化周期比较接近.模拟气候变化对N₂O排放的可能影响表明:气温比目前升高1℃,苏州稻田N2O排放量将平均增加4.5%.     

不同量碳源输入梯度下果园排水沟底泥氮素反硝化与N2O排放研究

果园是太湖地区重要的经济作物,但是氮肥投入量大,氮素损失严重,使得排水沟道的活化氮浓度高,碳氮比下降,碳源可能是影响沟道底泥硝化与反硝化作用的限制因子.因此,采集了果园排水沟道沉积物,在实验室条件下,设计了C_0、C_1、C_2、C_3、C_4这5种有机碳源(葡萄糖)浓度水平,分别为0、5、25、50和100 mg·L~(-1),同时分别输入了5 mg·L-1的硝酸钾溶液.采用乙炔抑制法来研究果园排水沟道土壤的反硝化损失和不加乙炔研究N_2O的排放量.结果表明,加入碳源使土壤的反硝化速率(DN)和N_2O排放速率均有一定的增加,碳氮比对N_2O排放速率和DN的影响均极为显著(P0.05);碳氮比为10∶1时,累积反硝化损失总量和N_2O累积排放总量均较大(分别为319.26μg·kg~(-1)和6.20μg·kg~(-1)),占净氮的输入量比例均较高(分别为1.28%和0.02%),说明该处理情况下虽然对于沟道反硝化非常有利,利于去除土壤底泥中富集的氮素,但同时也增加了温室气体N_2O的排放.     

有机肥部分替代化肥对桃园N2O和NO排放的影响

有机肥替代作为一种减肥增效和多元化肥替代技术在农业生产中被大力推广.然而,目前尚缺乏对于有机肥在果园N₂ O和NO排放方面的影响综合评估.采用静态暗箱-气相色谱法,周年观测桃园种植过程中N₂ O和NO的排放,比较了单施化肥和有机肥部分替代化肥处理对桃园氮氧化物排放的影响.结果表明,有机肥部分替代化肥分别降低桃园N₂ O和NO排放总量15.0 %和9.4 %,同时 N₂ O和NO排放系数降低21.3 %和21.1 %.有机肥处理土壤的矿质氮含量低于单施化肥处理.有机肥处理提高了硝化作用中AOA的贡献,降低AOB的贡献,从而减少了硝化作用产生的N₂ O.此外,双同位素混合模型[δ¹⁸O（N₂ O/H₂ O）vs.δ¹⁵N^SP]结果表明,硝化细菌反硝化/细菌反硝化（bD/nD）是桃园土壤N₂ O排放的主要途径.施用有机肥增强了土壤反硝化作用,导致更多的N₂ O和NO被还原.因此,有机肥部分替代可以缓解果园氮氧化物排放,是实现农业绿色低碳的可行措施.