自然丰度法
在土壤研究中使用13cnam提供了一种非常精确的方法来追踪碳池之间的转移，并已成功地用于SOC动态研究(Martel和Paul 1974;Nissenbaum and Schallinger 1974;莱维特等人，1994;Paul et al. 2001;Stevenson et al. 2005)。NAM是基于植物通过不同的光合作用途径同化CO2过程中13C和12C同位素的区别，从而导致植物具有不同的d13C值。含有C3的植物光合作用途径d13C值约为-32至-22%(平均为-27%)，而具有C4途径的则为-17至-9%(平均为-13%)(Boutton et al. 1998)。土壤有机碳的同位素组成反映了其来源的植物物质。NAM是基于在C4植被下生长的土壤中种植C3植物，或反之，并根据土壤C库中的d13C值或土壤演化出的CO2来估算根沉积。这种方法可以被认为是连续标记的一种变体，因为植物和土壤是永久标记的。然而，植物和土壤的标记是自然过程的结果，而不是上述脉冲或CLMs中使用的人工程序。NAM可以很容易地在野外条件下使用(Rochette和Flanagan 1998)，因为特殊的设备用于工厂的标签与大气分离是不必要的。质谱的后一个特点和未来的发展将促进这种方法在未来的研究中使用。
C3和C4植物之间的天然(d13C)同位素差异(约14%)使得来自一种途径(例如C3)的新碳能够在来自具有另一种途径的植物的SOM中被追踪(Balesdent和Mariotti 1996;Gleixner等人，2002;Lobe et al. 2005)。
Balesdent和Mariotti(1996)提出了一种计算新植被碳替代旧土壤碳的方法。他们提出用以下表达式来推导植物B对总C含量的贡献:
其中F为土壤中新碳的含量，A和B代表不同的光合途径类型(如C3和C4)。C = CA + CB为土壤总碳含量;CA和CB等于旧植被(A)和新植被(B)的有机碳含量，dAB为混合植被下土壤C的同位素组成:
dAB (Ca + Cb) = ^ab(C) = 8aCa +¿bCb, dB和dA为植被A和B的d13C值。
由于dA和dB不能在混合种植系统中直接测量，dB由新植被(dVEG B)的d13C值估算，同时也用仍然拥有原始植被(dVEG a)的对照地点的d13C值替换dA值，并用对照土壤(dREF a)的土壤d13CA值分别替换dA值(Balesdent和Mariotti 1996年)。最后，植被B的新部分由以下公式估算:
13C NAM的局限性是由土壤-植物对引起的。C3植物生长在C4土壤中，反之亦然，这种情况是不自然的。因此，这种方法仅限于C3植被下发育的土壤允许C4植物生长的地方，反之亦然。此外，高分辨率和高灵敏度的质谱法对13C分析是必要的，因为13C/12C的所有变化的最大范围仅为14%。同时，土壤或植物中d13C值的变异性约为±1-2% (Cheng et al. 1993)。由于后两个原因，只能粗略估计土壤和与根源碳交换率较高的碳库中的根沉积(如微生物生物量、溶解有机碳、SOM活性库等)。最后，基于碳示踪剂的所有方法的局限性是有机碳池可能与土壤中的无机碳池(碳酸盐和碳酸氢盐)相互作用。
5.6 MESCOSAGR项目中的氮示踪剂
建立了稳定同位素15N的研究方法(1)评价了堆肥对玉米N营养的贡献(Ndfc)以及堆肥源氮的3、2和1年肥料利用率(%FUE);(2)评估15N富集技术追踪氮素从堆肥流向玉米的能力，并在重复施用后分离不同修正年份的影响;(3)量化堆肥中氮素加入SOM的情况。
在巴西利卡塔大学制备了15n标记的堆肥(表5.1)，并每年施用于都灵大学试验田的未标记土壤(第3章已经描述过的to场地)，在那里进行了为期3年的试验(2006、2007、2008)，种植玉米(Zea mays L.)。试验设计包括4个处理(表5.2)，每4个重复
一年 |
总N (kg ha - |
1) C / N |
d15N (%) |
木质素N (%) |
木质素±纤维素N (%) |
C / P |
I - 2006 |
130 |
12.4 |
242.0 |
6.8 |
11.8 |
39.8 |
Ii - 2007 |
166 |
37.7 |
193.1 |
13.7 |
41.8 |
49.6 |
Iii - 2008 |
128 |
24.3 |
136.6 |
11.3 |
23.4 |
59.6 |
表5.2各小区处理(A-D)及各小区不同形式(有标记堆肥或无标记尿素)氮素添加量(kg ha
III - 15N堆肥(COM3) 2008 (128)
尿素(130)
尿素(130)0
尿素(130)0
块设计。在48平方米的主地块中选择12平方米的单独地块进行处理。
每年测定玉米表观生物量产量(籽粒、茎杆加叶片和穗轴加外壳)，而根系生物量产量仅在1年测定，其他2年测定茎/根比。每年对地上生物量和根系生物量样品进行总N含量(Carlo Erba NC2500元素分析仪)和原子% 15N过剩(Finnigan Delta-Plus同位素比质谱仪)分析。
5.6.1堆肥对玉米氮营养的贡献
根据Shearer和Kohl(1993)提出的修正模型[(5.6)，包括应用(5.1)]，并考虑到植物吸收土壤和肥料N时的同位素鉴别，估算了玉米从堆肥中吸收的N的分数(%NpfC):
%Npfc原子% 15N过量标记玉米-原子% 15N过量未受精玉米
在标记肥料上生长的原子% 15N过剩玉米-原子% 15N过剩未施肥玉米
在盆栽试验中，研究了单施堆肥的玉米在一个营养周期中堆肥矿化和氮素吸收过程中的同位素鉴别。由于3年施用的堆肥不同，在另外2年使用计算的同位素百分比移位来估计仅在标记堆肥上生长的玉米的原子% 15N过量。ANI被认为是无效的(Powlson和Barraclough 1993)，种子氮的贡献被认为是微不足道的。
随着堆肥的重复添加，通过比较各处理的%Npfc，假设添加新的堆肥不影响剩余堆肥的矿化率，估计后续施用年份的剩余堆肥矿化率。
5.6.2土壤取样、团聚体分馏和同位素测定
从表层土壤(0-30 cm)中采集土壤样品，采用Kemper和Rosenau(1986)和Spaccini等人(2004)描述的方法进行分离肥性骨料。将20克<4.75 mm风干土样放入由1.00、0.50和0.25 mm筛网组成的筛网的最上面的筛网中，在蒸馏水中浸泡30分钟。然后将筛网及其内容物在水中垂直振荡20次，振幅为4厘米，振荡速度为每秒一次。注意确保在每次振荡期间，最上面的筛子上的土壤颗粒始终低于水面。湿筛后，将每个筛上遗留的土壤材料和不稳定(<0.25 mm)团聚体定量转移到烧杯中，在50°C烘箱中干燥48 h，称重保存，用于分析总碳、有机碳和总氮。每个筛中团聚体的百分比比例代表了以下尺寸等级的水稳定团聚体:4.75-1.00、1.00-0.50、0.50-0.25和<0.25 mm。水稳性骨料的平均重径(MWD)计算为mm n
团聚体分选后，土壤团聚体在琼浆中被细磨成细粉(<200目的)，使用与巴西利卡塔大学Carlo Erba NC2500元素分析仪连接的Finnigan Delta-Plus同位素比质谱计分析土壤的重复子样品(~ 25mg)的d15N。
来自15N标记堆肥的土壤N的比例(f)是通过同位素稀释法，用15N富集样品的15N原子%值与15N自然丰度样品(对照- d)的15N原子%值计算得出的:
原子%15N过剩样品-原子%15N过剩自然丰度原子%15N过剩标记材料-原子%15N过剩自然丰度'
其中15N样品= 15N原子%为感兴趣的样品;15N标记材料=堆肥中15N原子百分比;15N自然丰度=在添加15N标记堆肥之前收集的同一地块土壤的15N原子百分比。
5.6.3结果与讨论5.6.3.1 15N在玉米植株中的富集
在3年的试验后，不同处理之间添加15N标记堆肥对植物15N富集的影响不同(图5.1)。结果表明，所有堆肥处理对玉米植株d15N的富集量均大于对照。此外，玉米的d15N持续增加堆肥的应用程序每年。处理A的d15N值显著大于处理B、C和D，且各处理间差异均显著。
堆肥第一年的矿化量约为施氮量的20%，随后第二年和第三年矿化量逐渐下降。不同施肥条件下，堆肥第一年的矿化率差异较大堆肥成熟和合成(数据未显示)。这些结果与Sikora和Enkiri(2001)的发现相一致，他们观察到添加堆肥的总可用性为25%。同样，Hargreaves等人(2008)指出堆肥氮的有效性为10-22%。
5.6.3.2 d15N对不同团聚体组分的影响
表5.3显示了连续3年试验后不同处理和土壤团聚体的土壤d15N(%)值。
试验3年后，土壤团聚体组分和处理的稳定氮同位素丰度不同。15N的值变化更大
谷粒、茎、叶、穗子、壳
工厂部分
图5.1不同处理小区标记有机改良对地上部分玉米d15N(%)值的影响(a-d)。各植物部位不同字母的柱状图差异均有统计学意义(P < 0.05)
谷粒、茎、叶、穗子、壳
工厂部分
图5.1不同处理小区标记有机改良对地上部分玉米d15N(%)值的影响(a-d)。各植物部位不同字母的柱状图差异均有统计学意义(P < 0.05)
表5.3试验第三年后，块状表土(0-30 cm)和团聚体粒径(mm)中d15N(%)的平均值
土壤样
表5.3试验第三年后，块状表土(0-30 cm)和团聚体粒径(mm)中d15N(%)的平均值
土壤样
d15N |
d15N |
d15N |
d15N |
±一 |
||||
散装 |
12.35 |
1.78 |
9.13 |
1．25 |
5.14 |
1.10 |
4.31 |
1.38 |
4.75 - 1 |
21.38 |
12.90 |
14.31 |
3.47 |
6.17 |
1.67 |
2.95 |
0.38 |
1 - 0.5 |
11.04 |
2.60 |
8.93 |
4.78 |
4.78 |
0.29 |
2.87 |
1.76 |
0.5 - -0.25 |
9.94 |
1.62 |
5.67 |
0.45 |
5.92 |
1.20 |
3.34 |
0.72 |
< 0.25 |
8.39 |
0.63 |
5.33 |
2.24 |
4.44 |
1.95 |
2.43 |
1.69 |
土样 |
A (0) d15N |
±一 |
A (I) d15N |
±一 |
A (II) d15N |
d15N |
±一 |
|
散装 |
4.31 |
1.38 |
10.66 |
2.20 |
7.65 |
1.35 |
12.35 |
1.78 |
4.75 - 1 |
2.95 |
0.38 |
9.54 |
4.85 |
7.74 |
1.89 |
21.38 |
12.90 |
1 - 0.5 |
2.87 |
1.76 |
6.61 |
2.12 |
6.94 |
3.07 |
11.04 |
2.60 |
0.5 - -0.25 |
3.34 |
0.72 |
7.20 |
2.42 |
8.67 |
0.54 |
9.94 |
1.62 |
< 0.25 |
2.43 |
1.69 |
4.57 |
0.70 |
8.00 |
1.46 |
8.39 |
0.63 |
(一)2006 |
(B) 2007 |
(C) 2008 |
(0)控制 |
||||
d15N |
±一 |
d15N |
±一 |
d15N |
±一 |
d15N±s |
|
散装 |
10.66 |
2.20 |
5.30 |
1.05 |
5.14 |
1.10 |
4.31 - 1.38 |
4.75 - 1 |
9.54 |
4.85 |
3.23 |
1.32 |
6.17 |
1.67 |
2.95 - 0.38 |
1 - 0.5 |
6.61 |
2.12 |
5.21 |
1.33 |
4.78 |
0.29 |
2.87 - 1.76 |
0.5 - -0.25 |
7.20 |
2.42 |
5.15 |
1.32 |
5.92 |
1.20 |
3.34 - 0.72 |
< 0.25 |
4.57 |
0.70 |
4.38 |
0.58 |
4.44 |
1.95 |
2.43 - 1.69 |
A、B处理显著高于C、D处理。在大多数情况下，d15N值随着土壤团聚体粒径的增加而增加(表5.4)。
数据表明，与第0时刻的小区土壤相比，大块土壤和所有团聚体中15N的富集量随时间的增加而增加。表5.5报告了不同地块(A-C)每年15N标记堆肥处理后土壤15N的富集情况。获得了不同的浓缩度，可能是由于添加的堆肥的化学成分不同(表5.1)。
宏观总体分数被证明对管理非常敏感和敏感(Elliott 1986;Six等人，2000)。在我们的研究中也观察到这种现象，其中15n标记材料的大多数变化与大团聚体有关。微团聚体和粉粘土组分的土壤15N有机质变化较小且较慢。
土壤样品 |
实验图 |
||
(a) com1, 2006 |
(b) com2, 2007 |
(c) com3, 2008 |
|
2006 |
|||
散装 |
2.68 |
||
4.75 - 1 |
2.76 |
||
1 - 0.5 |
1.57 |
||
0.5 - -0.25 |
1.62 |
||
< 0.25 |
0.89 |
||
2007 |
|||
散装 |
0.99 |
0.52 |
|
4.75 - 1 |
1.89 |
0.15 |
|
1 - 0.5 |
0.73 |
1.22 |
|
0.5 - -0.25 |
1.49 |
0.94 |
|
< 0.25 |
1.52 |
1.01 |
|
2008 |
|||
散装 |
1.38 |
2.12 |
0.61 |
4.75 - 1 |
3.11 |
4.35 |
2.36 |
1 - 0.5 |
0.91 |
2.21 |
1.41 |
0.5 - -0.25 |
1.81 |
0.14 |
1.90 |
< 0.25 |
1.29 |
0.47 |
1.48 |
与堆肥一起添加的氮必然会逐渐融入SOM中。使用15N示踪剂能够监测堆肥添加下SOM的演变，尽管实验持续时间很短(仅3年)。表5.6报告了散装土壤和团聚体中来自15n标记堆肥的土壤氮的百分比。在1年修正(148 kg hm - 1)、2年修正(314 kg hm - 1)和3年修正(442 kg hm - 1)中，估算的土壤中堆肥产生的总氮分别为堆肥添加总氮的34.2、38.2%和42.5%(数据未显示)。
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