我國在土壤反硝化過程的氮同位素分餾效應研究獲進展

　　反硝化過程被認為是生態系統氣態氮損失的主要途徑，也是導致生態系統氮限制的重要機制。但是，由于缺乏從生態系統尺度上直接測定反硝化作用速率的技術，在過去對氮循環的研究中，生態系統尺度上的反硝化速率一直難以量化。近年來，硝酸鹽的15N/14N比值被用于量化生態系統尺度上的反硝化速率。但是，利用15N同位素自然豐度量化需要考慮反硝化過程中的同位素分餾效應。研究發現在不同環境和實驗條件下，反硝化過程中氮同位素分餾效應（15ε）的差異非常大，并且15ε對生態系統尺度上反硝化速率測定的影響非常大。盡管目前對15ε的研究很多，但是多數研究都集中于反硝化細菌純培養、淡水環境、沉積物和農業土壤，缺乏對森林土壤的研究。因此，為了加強對森林土壤反硝化過程中同位素分餾效應的理解，減少森林生態系統反硝化速率測定的不確定性，研究森林土壤反硝化過程中N和O同位素分餾效應是至關重要的。

圖1. 森林土壤厭氧培養下，反硝化過程中N同位素分餾效應和△δ18O:△δ15N比值

　　基于此，中國科學院沈陽應用生態研究所穩定同位素生態學研究團隊，選擇清原典型的溫帶落葉松林和混交林，以及海南典型的熱帶原始林和次生林為研究對象，測定四個森林土壤原生微生物群落反硝化過程中的同位素分餾效應以及氮氧同位素分餾效應的比值（△δ18O:△δ15N）。結果表明森林土壤反硝化過程中氮同位素分餾效應（15ε）為31‰到65‰（圖1），遠高于以往反硝化細菌純培養和其他環境條件下（淡水環境，海洋沉積物和農業土壤）的研究結果（5‰到30‰）（圖2）。氧同位素分餾效應（18ε）為11‰到39‰，與以往研究結果相當（5‰到24‰）。另外，森林土壤反硝化過程中△δ18O:△δ15N比值為0.28到0.60（平均值為0.38 ± 0.02）（圖1），低于以往陸地生態系統研究所報道的反硝化過程中的△δ18O:△δ15N比值（0.5到1）。研究結果表明不同氣候區或不同土壤類型反硝化分餾效應可能存在差異。我們進一步應用本研究結果中的反硝化分餾效應估算陸地生態系統反硝化速率，發現在過去的研究中陸地生態系統反硝化作用對總氮損失的貢獻可能被高估。

　　以上研究成果以“High nitrogen isotope fractionation of nitrate during denitrification in four forest soils and its implications for denitrification rate estimates”為題于2018年3月28日在線發表在Science of the Total Environment期刊。相關工作得到了中國國家重點研發項目、中科院先導專項（B）、國家基金委、中科院重點科技前沿項目、中科院百人計劃項目和中國科學院熱帶森林生態學重點實驗室開放課題的支持。

圖2. 不同環境和實驗條件下的N同位素分餾效應（15ε）