（环境工程专业论文）泥炭沼泽氮素分布、转化及其环境效应研究——以长白山垂直自然带为例.pdf

泥炭沼泽氮素分布、转化及其环境效应研究 以长白山垂直自然带为例 摘要 氮素是与全球环境变化密切相关的重要元素之一。氮素是泥炭沼泽营养水平的指标 之一，是主要的限制性养分，直接影响着沼泽生态系统的生产力。泥炭是沼泽湿地氮的 载体，是氮素的源、汇或转化器。本文以长白山垂直自然带为研究对象，选取多个泥炭 剖面，综合国内外的研究现状和研究区域的自然环境特征，系统分析了氮素在泥炭剖面 中的空间含量、分布及其转化，通过培养实验研究泥炭中氮素的矿化过程、硝化过程和 反硝化过程。在野外调查与室内实验分析的基础上，研究氮素在泥炭沼泽中的化学行为 过程，并分析泥炭剖面中氮素迁移，转化过程所产生的潜在的生态环境效应。垂直自然 带泥炭沼泽氮素研究结果表明： 相同土层不同取样点测定值的计算结果，能够反映氮素在水平方向上的变异性。长 白山泥炭沼泽中硝态氮( n 0 3 、铵态氮( n h 4 + - n ) 和全氮( n ) 的水平变异性均较大，这主 要由于氮素的矿化、硝化、反硝化作用以及泥炭中微生物的作用。氮素在垂直方向上也 显现一定的变异性。全氮垂直分布除个别剖面外，大多数剖面都呈现全氮含量随剖面深 度的增加而逐渐递减的趋势，泥炭上层有机质含量较高，全氮含量与有机质含量呈极显 著的正相关是造成这种分布的主要原因之一；研究区典型泥炭剖面硝态氮( n 0 3 - i 0 、铵 态氮( n h g - n ) 垂直分布表现出大致相同的趋势，各泥炭剖面n 0 3 - n 含量分布均呈现较大 的波动性，n i - 1 4 + = n 含量大致呈现逐渐递减的趋势。n o 3 一n 不易被泥炭吸附，易向下 潜流，造成了波动性的分布，矿化作用在泥炭上层较强，导致n h 4 + n 随剖面的加深逐渐 递减。 垂直自然带泥炭沼泽金川和大牛沟两典型泥炭剖面矿化量与有效积温符合有效积 温模型或指数模型。单个剖面在培养期内矿化量随有效积温的变化趋势一致，而剖面间 则表现为相反的趋势。金川剖面在培养期内矿化量随有效积温的增加呈现不断增加的趋 势，这是由于氮素的矿化作用所积累的铵态氮的量大于泥炭剖面中的微生物和泥炭动物 对氮素的固持量，最终表现为在培养期内矿化量随有效积温的增加而逐渐增加的规律； 大牛沟剖面则表现为培养期内矿化量随有效积温的增加而逐渐递减的趋势。其主要原因 是泥炭剖面中的微生物和动物对氮的固持量明显高于氮素的矿化量，矿化所生成的铵态 氮经泥炭中的微生物和动物固持作用后，重新转化为无机物，矿化固持作用的最终结 果是有效氮向无机氮的转化，系统净消耗有效氮。培养期间两采样剖面之间硝化量和反 硝化量变化趋势一致，两典型剖面硝化量呈现随培养时间的延长逐渐递增的趋势，这是 i i 由于随着有效积温的增加，硝化微生物活性增强。反硝化量呈现随培养时间的延长逐渐 递减的趋势，这是随着反硝化作用的进行，铵态氮含量减少所造成的；两典型泥炭剖面 在培养期内氮素矿化速率与硝化速率差异较大，出现这种差异的主要原因是泥炭本身的 物理化学性质存在区域和剖面分异的结果；反硝化速率随培养时间的延长均呈现递减的 趋势，其主要原因是随着反硝化作用的进行，硝态氮含量减少，最终导致反硝化速率递 减。 。 泥炭沼泽氮素的迁移转化及空间分布受土壤自身理化性质、沼泽植物、气候、水文 条件等因素的影响；泥炭沼泽氮素生物化学循环过程会破坏长白山泥炭生态系统的平 衡，降低长白山研究区域地下水的水质，在一定程度上加剧长白山大气环境的温室效应。 关键词：泥炭沼泽，氮素，分布，转化，环境效应 l i i s t u d yo nt h ed i s t r i b u t i o n ，t r a n s f o r m a t i o na n de n v i r o n m e n t a l e f f e c t so f n i t r o g e ni np e a tm i r e ：ac a s es t u d yo nt h ev e r t i c a ln a t u r a l s t r i po f c h a n g b a im o u n t a i n a b s t r a c t n i 订o g e ni so n eo f t h ei m p o r t a n te l e m e n t sc o r r e l a t e dw i t hc h a n g i n gc l o s e l yi ng l o b a le n v i r o n m e n t i t i so n eo ft h ei n d e x e so ft h ep e a tm a r s hn u t r i t i o nl e v e l i ti sam a i nr e s t r i c t e dn u l r i e n t , i n f l u e n c et h e p r o d u c t i v i t yo ft h em a r s he c o s y s t e md i r e c t l y t h ep e a ti sac a r r i e ro ft h ew e t l a n dn i t r o g e ni nt h em a r s h t h i st h e s i st o o kv e r t i c a l l ya st h er e s e a r c ho b j e c tn a t u r a l l yw i t hc h a n g b a lm o u n t a i n , c h o s e ns o m ed i f f e r e n t p e a tp r o f i l e s ，s y n t h e s i z et h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hc o g e n ts i t u a t i o na n dn a t u r a le n v w o n m e n t c h a r a c t e r i s t i ci nt h er e s e a r c ha r e a , c o n t e n to fs p a c e ，d i s t r i b u t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no fn i t r o g e ni nt h ep e a t w e l l sa n a l y z e d m i n e r a l i z a t i o n , n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o no fn i t r o g e nw g l em e a s u r e db yc u l t i v a t e e x p e r i m e n t si nt h el a b b i o l o g i c a lp r o c e s s e so fn i t r o g e nw e r er e s e a r c h e db yi n v e s t i g a t i o ni nt h ef i e l da n d a n a l y z i n gi nt h el a b , a n da n a l y z e dt h ep o t e n t i a le c o l o g i c a le f f e c t so fn i t r o g e nb i o g e n e h e m i c a lp r o c e s s e s t a k i n gt h ep l a i nr e s u l to f s t u d yo f m a r s hn i t r o g e no f p e a tv e r t i c a l l yn a t u r a l l yi n d i c a t e s ： s o m er e s u l t so fc a l c u l a t i o no fe x a m i n i n gd e f m i t ev a l u ew i t ht a k i n gas a m p l eo ft h es a m es o i ll a y e r , c r e f l e c tt h ev a r i a b i l i t yi nt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n t h el e v e lv a r i a b i l i t yc h a r a c t e rt h r e et y p e so f n i t r o g e n w e r ea l ln o t a b l e t h i sm a i n l yb e c a u s en i t r o g e nm i n e r a l i z a t i o nn i t r a t i o na n df u n c t i o no fm i c r o o r g a n i s mo f p e a tt h ew h o l en i t r o g e ni sd i s t r i b u t e dv e r t i c a l l ye x c e p ts p e c i f i cs e c t i o n ，t h et r e n dt h a tt h ec o n t e n to f t h e w h o l en i t r o g e nd e c r e a s ep r o g r e s s i v e l yg r a d u a l l yw i t hi n c r e a s eo ft h es e c t i o n a ld e p t ha p p e a r si nm o s t s e c t i o n s , t h ew h o l en i t r o g e nc o n t e n ta n do r g a n i cc o n t e n tp r e s e n tr e m a r k a b l ep o s i t i v ec o r r e l a t i o n ，t h em a i n r e a s o nt h a tc a u $ et h i sk i n do f d i s t r i b u t i o ne x t r e m e l y n 0 3 - n 、n 地- nd i s t r i b u t e da n dd e m o n s t r a t e dr o u g h l y t h e $ a n et r e n dv e r t i c a l l y , e v e r yp e a tp r o f i l en 0 3 - nc o n t e n ti si ta p p e a rg r e a t e rf l u c t u a t i o nt od i s t r i b u t e , n h 4 - nc o n t e n tr o u g h l yp r e s e n t st h et r e n do f d e c r e a s i n gp r o g r e s s i v e l yg r a d u a l l y i ti sd i f f i c u l tf o rn o r nt o b ca b s o r b e db yt h ep e a t , a p td o w n w a r du n d e r c u r r e n t , c a u s e dd i s t r i b u t i o no ff l u c t u a t i o n m i n e r a l i z a t i o ni n u p p e ri sr e l a t i v e l ys t r o n g , c a u s e dn i - h - nd e c r e a s ep r o g r e s s i v e l yw i t hp r o f i l e si n t e n s i f i c a t i o ng r a d u a l l yt o a c t o n j i n c h u a na n dd a n i u g o ut w ot y p i c a lp e a tp r o f i l e sm i n e r a l i z a t i o na m o u n ta c c o r d e dw i t he f f e c t i v e a c c u m u l a t e dt e m p e r a t u r em o d e lo ri n d e xm o d e lw i t he f f e c t i v ea c c u m u l a t e dt e m p e r a t u r en a t u r a l l yi t i s u n a n i m o u st h a tt h em i n e r a l i z a t i o na m o u n ti nc u l t i v a t eo n eo fi n d i v i d u a lp r o f i l em & a s u r t h ev a i l a t i o n t e n d e n c yw h i c hi su pt ov a l i da c c u m u l a t e dt e m p e r a t u r e , t h ep r o f i l e s a r es h o w na st h eo p p o s i t et r e e d j i n c h u a np r o f i l e sm i n e r a l i z a t i o nu m o o n ta p p e a ri n c r e a s i n gt r e n dw i t hv a l i di n c r e a s eo fa c c u m u l a t e d t e m p e r a t u r ed u r i n gc u l t i v a t e t h i sb e c a u s en h 4 - nc o n t e n to fn i t r o g e nf u n c t i o na c c u m u l a t eg r e a t e rt h a n m i c r o o r g a n i s ma n dp e a ta n i m a l d a n i u g o ui ss h o w n t h a tt h em i n e r a l i z a t i o na m o u n td e c r e a s e sp r o g r e s s i v e l y g r a d u a l l yw i t hi n c r e a s eo fe f f e c t i v ea c c u m u l a t e dt e m p e r a t u r e t h em a i nr e a s o ni st h a tm i c r o o r g a n i s ma n d a n i m a li nt h ep e a tp r o f i l e sa r eo b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h em i n e r a l i z a t i o no fn i t r o g e nt om e a s u r et ot h ef i r m h o l d i n ga m o t u l to f t h en i t r o g e n ，t h en h 4 - np r o d u c e di sa f t e rm i c r o o r g a n i s mi nt h ep e a ta n da n i m a l sf i r m f u n c t i o no f o p p o s i n g , t u r ni n o r g a n i cm a t t e ri n t oa g a i n ，m i n e r a l i z a t i o n - h o l df i n a lr e s u l to f f u n c t i o ne f f e c t i v e n i t r o g e nt ot r a n s f o r m a t i o n , i n o r g a n i co f n i t r o g e nw h i l eb e i n gf i n n ，e f f e c t i v en i t r o g e no f n e tc o n s u m p t i o no f s y s t e m a n dt h en i t r i f y i n ga m o u n tv a r i a t i o nt e n d e n c yi su n a n i m o u si n s t e a df o rt h en i t r i f y i n ga m o u n t b e t w e e nt h ep r o f i l e st h a tt w os a m p l e sd u r i n gc u l t i v a t i o n ，t r e n da p p e a r i n ga n dt r a i n i n gt h ee x t e n s i o no f t i m e t oi n c r e a s ep r o g r e s s i v e l yg r a d u a l l ya tt h es a m et i m eo fn i t r i f y i n ga m o u n to ft w ot y p i c a lp r o f i l e s t h i s b e c a u s ew i t he f f e c t i v ei n c r e a s eo fa c c u m u l a t e dt e m p e r a t u r e ，n i t r i f ym i c r o o r g a n i s m sa c t i v a t i o ns t r e n g t h e n t r e n da p p e a r i n ga n dt r a i n i n gt h ee x t e n s i o no f t i m et od e c r e a s ep r o g r e s s i v e l yg r a d u a l l ya tt h es a m et i m eo f d e n i t r i f i c a t i o na m o u n ti n s t e a d , t h i si sw i t hd e n i t r i f i c a t i o nt h eg o i n go no ff u n c t i o ni n s t e a d ，t h ec o n t e l no f n i g - nr e d u c e st oc a u s e t h es p e e do fm i n e r a l i z a t i o na n dn i t r i f y i n gw e r ed i f f e r e n tg r e a t l y , r e s u ht h a tt h e p h y s i c sc h e m i c a lp r o p e r t yo ft h ep e a ti t s e l fs t o r e si nt h ea r e aa n ds e c t i o n a ld i f f e r e n t i a t i o nt h a tt h em a i n 玎既i s o nw h i c hp r e s e n t st h i sb n do fd i f f e r e n c ei s t h es p e e do fd e n i t r i f i c a t i o nd u r i n gt r a i nt h ee x t e n s i o no f t i m et op r e s e f i tt h et r e n dt h a td e c r e a s e sp r o g r e s s i v e l ya tt h e 目l m et i m ei n s t e a d t h em a i nr e a s o ni sw i t h d e n i t r i f i e a t i o nt h eg o i n go no ff u n c t i o ni n s t e a d , t h ec o n t e n to fn 0 3 - nr e d u c e d , r e s u l ti nt h es p e e do f d e n i t r i f i c a t i o na n dd e c r e a s i n gp r o g r e s s i v e l yi n s t e a df i n a l l y t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no f n i t r o g e ni np e a ti n f l u e n c e db ys u c hf a c t o r sa ss o i lo n e s o w np h y s i c sa n dc h e m i s t r yn a t t l r e , m a r s hp l a n t , c l i m a t e ，h y d r o l 0 9 2 cc o n d i t i o ne t c ；t h eb i o c h e m i c a lc y c l i c a l p r o c e s so fm a r s hn i t r o g e no fp e a tw i l ld e s t r o yt h eb a l a n c eo ft h ep e a te c o s y s t e mo fc h a n g b a im o u n t a i n , r e d u c et h ew a t e rq u a l i t yo f s t u d y i n gr e g i o n a lg r o u n d w a t e ri nc h a n g b a im o u n t a i n , a g g r a v a t et h eg r e e n h o u s e e f f e c t so f t h e a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n to f c h a n g h a im o u n t a i nt oa c e t t a i ne x t e n t k e y w o r d ：p e a tb o g ，n i t r o g e n ，d i s t r i b u t i o n ，t r a n s f o r m a t i o n ，e n v i r o n m e n t a le f f e c t s v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得吉林农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 学位论文作者签名：芴，秀 签字瞧力一7 年月刃日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解吉林农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意吉林农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 签字日期： 7 口口7 年月少日 签字日期：3 0 0 7 年月勿日 噬豇 葫啁鹕魅 酱 作 ： 文 名 论 签 位 师 学 导 吉林农业大学硕士学位论文泥炭沼泽氟素分布转化及其环境效应研究一一以长白山垂直自然带为例 1 1 选题意义和目的 1 1 1 选题意义 第一章绪论 地球作为人类和其它生命物质生存的重要场所，其生态环境经过了几百甚至几千 万年的演变。自2 0 世纪中期以来，全球范围内的生态环境不断恶化，全球性的温室效 应、水体和大气污染、臭氧空洞的扩大以及森林和草地等绿色植被的破坏，已经对包括 人类在内的地球生命系统构成了巨大的威胁【l l 。因此，认识和评估全球环境变化的过程 和驱动力以及全球变化的影响和人类的响应等科学问题就成为当今国际科学研究的热 点之一【2 】。元素生物地球化学过程是全球变化研究的一个重要领域【3 1 。当前，国际上许 多重要的全球变化研究计划如w c r p 、i g b p 、i h d p 和d i v e r s i t a s 等都将元素生物 地球化学过程作为其研究计划的重要组成部分【l 捌。 沼泽是湿地的主要类型之一，是一种水陆相互作用形成的半水半陆过渡性质的生态 系统或自然综合体【”。它作为地球表面的一个界面，是岩石圈、水圈、生物圈、大气圈 和人类圈相互联系的重要纽带和多种运动形态物质体系的交汇场所。由于湿地具有水陆 过渡的性质，物质、能量、信息等通过湿地界面的传输转化而使其表现出明显区别于单 一水体生态系统和陆地生态系统的特征1 6 】。湿地是地球上具有多功能的独特生态系统， 是自然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一【7 j 。泥炭沼泽是指目 前仍在发育着，地表过湿或有薄层积水，其上生长着喜湿或沼泽植物并有泥炭积累的地 方。泥炭沼泽能够调节温室气体c 0 2 和c 地的平衡，对全球气候变化起着重要的作用。 泥炭是植物死亡后在微生物作用下积累而成的，是受人类活动干扰相对较少的自然体， 又是陆地生态系统无机环境中氮素的沉积库，它是沼泽湿地中氮素的载体，能够反映氮 素在沼泽湿地生态系统的自然沉积过程哆1 。 氮素是与全球环境变化密切相关的重要元素之一，大气中的氮经过生物固氮、植物 吸收、干湿沉降的方式被泥炭沼泽所固定。泥炭沼泽是氮的贮存库，作为氮素的源，汇 比转化器，可促进，延缓或遏制环境的恶化趋势。氮素是泥炭沼泽营养水平的指标之一， 是主要的限制性养分，直接影响着泥炭生态系统的生产力，同时也是江河，湖泊等永久 性淹水湿地发生富营养化的主要因素之一。泥炭沼泽氮素含量是泥炭物理、化学和生物 过程共同作用的结果，不同的泥炭其氮素含量差异很大，即使在同一类型的泥炭中，氮 素的含量也是不均一的，具有高度的空间异质性【9 l 。泥炭沼泽中氮素的迁移过程和转化 产物直接影响着浅层地下水和地表水的水质；泥炭沼泽中氮的矿化速率决定了泥炭中用 吉林农业大学硕士学位论文 泥炭沼泽氮素分布、转化及其环境效应研究一一以长白山垂直自然带为例 于植物生长的氮素的可利用性，而氮的可利用性又限制了植物对泥炭中氮素的利用效 率，直接影响着泥炭沼泽生态系统的生产力和群落组成；泥炭沼泽中的硝化作用是氮素 转化的重要过程之一，它不仅能产生温室气体，而且还影响反硝化作用的发生，所以研 究泥炭沼泽硝化作用对养分保持和环境保护具有重要的意义；氮的反硝化作用则是n 2 0 产生的主要机制，反硝化作用的强弱直接制约着n 2 0 的排放量，n 2 0 等温室气体的排放 量的增加会加剧全球气候变暖的趋势，同时也会加剧对臭氧层的破坏，进而影响全球环 境，所以泥炭沼泽中氮的化学行为与我们的环境密切相关【l 们。目前国外对湿地氮素化学 行为过程的研究日益增加，它们主要是针对湿地氮素化学行为过程的某些方面的研究。 与国外氮素化学行为过程的研究相比，国内氮素化学行为过程研究的起步较晚，而且研 究对象主要集中在旱地和人工湿地( 如水稻田) 等土壤的氮素分布及化学变化的研究，国 内也有人作过氮素湿地的化学变化i l ”，但本论文所选取的长白山垂直自然带泥炭沼泽的 氮分布及行为过程尚无人研究。 中国的泥炭分布比较丰富，总的分布规律是北多南少，东多西少。而作为北部主要 分布区的东北泥炭分布区，主要分布在小兴安岭和大兴安岭及长白山地区。长白山地区 由于其特殊的自然地理条件，泥炭层不仅分布广，而且发育深厚，在东北地区泥炭分砟 中占有很重要的地位。长白山位于大陆东部，属温带季风型大陆性气候，山地气候垂直 差异极为明型1 2 1 。本文所涉及的长白山地泥炭分布主要指位于吉林省境内威虎岭一龙岗 山脉以东的地区，是由长白山的主脉及其支脉为主所组成的熔岩高原，海拔多在1 0 0 0 m 以上，东北一西南走向的张广才岭一威虎岭龙岗山，哈尔巴岭牡丹岭一老岭和盘岭 一长白山三列山脉与敦化盆地、延吉盆地、珲春盆地相间分布，地理位置大致在4 0 0 4 0 n 4 4 0 3 0n ，1 2 5 0 2 0 ，e 1 3 1 0 2 0 e ，总面积7 5 9 4 0 k m 2 ，约占吉林省总面积的4 0 5 。 本区属于温带湿润、半湿润地区针阔叶混交林东北东部地区，气候上属于中温带大陆性 季风气候，年均温2 c 6 1 2 ，年降水量7 0 0 r a m 1 0 0 0 m m ，干燥度在0 6 1 0 之间。据统计， 本区泥炭分布面积9 2 1 6 1 k m 2 ，占全省泥炭面积的一半以上。长白山地泥炭储量为 1 2 2 x l o h ，占全省泥炭储量的3 0 以上。泥炭层一般厚1 2 m ，最厚可达1 2 m 。长白山在 气候、土壤和植被等景观方面具有垂直地带性。相应地泥炭沼泽分布也具有垂直地带性， 表现为不同高度的泥炭沼泽分布趋势。长白山地6 0 0 m 以下多为富营养泥炭沼泽，如敦化 地区泥炭；6 0 0 m 1 0 0 0 m 出现少量的中等营养泥炭沼泽，如哈尼、金川等龙岗山脉地区 泥炭；1 0 0 0 m 1 8 0 0 m 有少量的中、贫营养泥炭沼泽，如园池、赤池泥炭，再往上泥炭沼 泽很少，呈现出垂直带性规律，这种垂直地带性分布规律是水热组合的地带性规律的反映 0 3 1 。作为占全球陆地面积3 的湿地的一部分，泥炭沼泽是地球生物圈中重要的组成部 分之一，具有强大的环境调节功能，对维持自然界的生态平衡起着重要的作用。因此研 究长白山垂直自然带泥炭沼泽的氮素分布及化学变化，能够对具有垂直地带性的泥炭沼 泽的氮素分布和化学变化行为有一个详细和完整的了解，同时为长自山泥炭沼泽及周围 2 吉林农业大学硕士学位论文 泥炭沼泽氪素分布，转化及其环境效应研究一一以长白山垂直自然带为例 环境的研究和保护提供科学的依据。 1 1 2 选题目的 本论文选取了具有丰富泥炭资源和具有垂直地带性分布的长白山地为试验点，研究 目的在于通过研究长白山地垂直自然带的泥炭沼泽氮素分布及化学行为，进一步认识泥 炭沼泽中的氮素循环过程，揭示泥炭中氮素分布和化学变化所产生的环境效应，为泥炭 沼泽生态系统和周围环境的保护提供依据。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 氮素空问分布研究进展 湿地是自然生态系统重要的组成部分，具有强大的环境调节功能，对维持自然界的 生态平衡起着重要的作用。沼泽是湿地的基本组分，与其它类型的湿地相比，更具有代 表性和典型性。沼泽湿地的研究迄今为止经历了漫长的发展过程，1 9 9 8 年中国沼泽志 的出版，表明了我国沼泽湿地的研究已经有了一定的成果，1 9 9 8 年中国科学院长春地理 研究所重点开展了湿地营养元素的生物地球化学过程的研究。 我国泥炭资源分布很不均衡，青藏高原和云贵高原就约占资源总量的7 2 。此外， 长江中下游平原约占1 0 ；东北大小兴安岭、长自山山地、三江平原和内蒙古高原东部 约占8 5 ：天山山地和东南丘陵约占4 5 ；华北平原泥炭资源贫乏，仅占4 5 【1 4 l 。中国泥 炭地主要分布在东北和西南，东北泥炭地集中在长白山地区和大、小兴安岭地区1 1 4 j 。 氮素是陆地和海洋生态系统的限制性养分之一。国外对氮素的研究较国内的早。研 究表明氮素主要贮存在地壳、陆地、海洋和大气中。国外学者已对岩石、陆地、海洋和 大气圈的氮素贮存做了大量研究【l 卯。泥炭具有很高的氮的持留能力，持留量的大小因气 候条件和泥炭类型的不同而有所差异f 峪1 8 1 。从氮素形态上看，有机氮是泥炭沼泽氮素的 主要形态。氮素含量会受环境因子的影响，具有一定的生物气候地带性。有研究表明 污水排放和氮肥的大量施用会导致泥炭沼泽氮素积累1 1 9 1 ，泥炭沼泽的氮素含量还与泥炭 粘粒含量，水位波动，沼泽植物等因素密切相关1 2 0 - 2 2 ，有研究表明氮素含量具有一定的 生物气候地带性，一般是随温度和降水的增加而增加 t o 】。 在空间分布方面，国外的学者对氮素的垂直分布和水平分布都进行了模拟研究1 2 3 z 4 1 ， 他们对氮循环的某些过程进行了模拟，并在此基础上分析了氮素的空间分布。此外 m a r t i n 和n e w m a n 对泥炭氮素空间分布做了研究 2 ”6 1 。 吉林农业大学硕士学位论文泥炭沼泽氮素分布、转化及其环境效应研究一一以长白山垂直自然带为例 1 2 2 氮素化学行为机理及实验方法研究进展 2 0 世纪7 0 年代随着全球氮污染的加剧，人类开始对氮素的化学行为过程进行研究。 氮素循环是一个复杂的生态过程，生物圈中绝大部分氮是以氮气的形式在大气中存在， 氮气经过大气沉降、生物固氮和植物吸收到达土壤，在土壤中经过转移、矿化、硝化、 反硝化及氨挥发作用完成氮的循环过程。 国内对陆地特别是农田生态系统氮素化学变化研究较为透彻，但对湿地沼泽的氮素 还有待进一步研究，白军红( 2 0 0 3 ) 研究了向海沼泽湿地的氮素分布和循环，对氮素的水 平运移做了模拟试验，对矿化、硝化、反硝化进行了培养试验并对氮素的循环机理进行 了探讨。泥炭沼泽系统中首先是大气中的氮通过泥炭中固氮细菌和蓝绿藻的固定，转化 为有机氮进入生物体，经过矿化作用形成铵态氮，再经亚硝化、硝化、反硝化及氨挥发等 生物过程返回大气【2 7 】。土壤氮的矿化作用是指土壤有机氮在微生物及其它生物分解作用 下的氨化过程，即有机氮分解后形成n h 4 + _ _ n ，它包括氨基化和铵化两个阶段1 2 s - 2 9 。由 于有机氮在矿化与硝化形成n h 4 + - n 和n o r _ n 后，可能被土壤微生物和土壤动物吸 收利用并同化为有机氮( 微生物体氮) 而使部分氮被固持1 3 0 1 ，所以植物所能利用的氮是总 矿化氮减去微生物和土壤动物固持的氮量后剩余的净矿化氮量【3 l 】。硝化一反硝化作用是 土壤氮素转化的两个重要过程，其中硝化作用是指n h 4 + 通过硝化细菌的作用被氧化为 硝酸盐和亚硝酸盐的过程。反硝化作用包括异化反硝化作用和同化反硝化作用，前者指 n 0 3 。、n 0 2 在反硝化细菌或化学还原剂的作用下被还原为n o 、n 2 0 、n 2 的过程，包括 n 0 3 - n 0 2 。n 0 的生物过程和n 0 n 2 0 n 2 的物理反应过程；后者则是指n 0 3 。被还 原为氨态氮，即d n r a 过程【3 2 3 3 】。该转化过程对泥炭沼泽的能量流动相当重要，能够 影响沼泽植物的生产力；同时在泥炭沼泽生物地球化学和沼泽湿地水质净化功能维持方 面也发挥着重要作用。反硝化作用是氮素化学循环过程中的一个重要环节，反硝化过程 不仅可以导致泥炭氮素损失，同时还可以产生温室气体n 2 0 从而污染大气环境。泥炭 沼泽作为氮的源和汇转化器，对全球的氮循环和温室效应发挥着重要作用，所以对泥炭 沼泽反硝化过程的研究可为硝氮的污染和防治、全球气候变暖的控制提供资料基础。泥 炭沼泽由于长年淹水或间歇式的淹水其n 的转化过程与早地土壤中有明显的差别，在淹 水条件下，土壤中兼性嫌气和真嫌气细菌占优势，因而湿地土壤中有机n 的分解速度非 常缓慢。在氮素循环过程中，氮的转移主要是指n i - h + - n 和n 0 3 。- n ，这其中尤以n 0 3 。- n 的迁移为主。n 0 3 - n 比n 出+ n 活跃，因此它难于被泥炭吸附，极易发生淋失。近年 来随着农业中大量使用氮肥，造成了n 0 3 。n 含量显著升高，这些n 0 3 - n 一部分经淋洗 作用造成了地表水甚至浅层地下水的污染，另一部分在厌氧条件下发生了反硝化作用排 出n 2 0 ，n 2 0 是造成全球变暖的主要因素之一。 国外对陆地生态系统氮素化学变化研究的很多 3 4 1 。作为氮素的沉积库，泥炭氮素化 4 吉林农业大学硕士学位论文泥炭沼泽氮素分布、转化及其环境效应研究一一以长白山垂直自然带为例 学变化逐渐成为众多学者研究的对象，八十年代美国波士顿大学的i v a nv a l i e l a 和j o l l i i m t e a l 对沼泽生态系统氮的循环做了研究【3 5 i ，他们的研究表明沼泽生态系统通过氮的 化学循环来保持氮素的收支平衡：九十年代j g k o o p s 和o ( 9 e n e m a 等人对泥炭氮素的 化学行为的某些方面做了研究i 蚓，他们对氮素的反硝化过程的研究表明氮的反硝化作用 是氮素损失的一个主要途径。氮素的循环过程国外的研究较国内的早，美国佛罗里达大 学的k r r e d d y 系统的研究了陆地氮的生物地球化学循环【3 ”。沼泽湿地氮素的矿化硝 化和反硝化过程研究至今已经建立了相应的一级反应动力学模型。 国外对有机氮的矿化过程的研究主要集中在矿化速率、矿化势及其影响因素。氮素 矿化的研究方法主要可分为针对总矿化作用和针对净矿化作用两类。针对净矿化作用的 研究较为普遍，国外大多用淹水培养法来研究。主要分为三类：( 1 ) 湿地原状土柱室内 恒温淹水密闭短期培养，或原位离子交换淹水长期培养。测定铵态氮的变化量或测定土 柱中或离子交换树脂中的无机氮总量与淹水前的初始无机氮的差 3 s 3 9 。( 2 ) 扰动新鲜士 室温密闭淹水培养或好气淹水短期培养，一次性测定无机氮的变化量【4 ”。( 3 ) 扰动新 鲜土恒温好气淹水长期培养，每周称重补充水分损失量，不定期采样，采样时用不含氮 盐溶液淋洗土样，测定滤液中无机氮的含量变化【4 2 】。氮素动态模型的研究中已经采用 了一级反应动力学来模拟氮素的矿化过程f 4 3 1 ，有效积温式常常被用来模拟矿化过程特 征曲线，有机氮的矿化是氮素转化的重要环节，人们已经从不同角度建立了许多土壤有 机氮矿化动态及其环境因素的矿化模型。目前常用的矿化模型一般有矿化动力学模型、 热力学模型和环境效应模型三类1 4 5 1 。 硝化过程是铵态氮在好气条件下发生硝化作用转交成硝态氮或n 2 0 的过程。湿地 硝化过程的研究方法综合国外研究进展可归纳为以下几点：( 1 ) 原状土柱直接在恒温条 件下短期厌氧淹水培养t 3 s 。( 2 ) 原状土柱预培养3 0 天，加入示踪剂恒温条件下长期厌氧 好气交替淹水培养m l 。( 3 ) 扰动新鲜土直接在室温条件下短期好气淹水培养或厌养淹水 培养【舡4 1 l 。( 4 ) 扰动新鲜土直接在恒温条件下长期好气淹水培养【4 2 】。( 5 ) 扰动新鲜土加示 踪剂后在室温条件好气长期培养 4 7 1 。目前国外对硝化过程模型的研究还不多，但已经有 人用动力学模型来描述氮素的硝化过程。 反硝化过程是在厌氧条件下微生物将硝态氮还原为气态氮的过程。国外对反硝化过 程的研究大多采用淹水密闭培养法，其研究方法根据是否加入示踪剂分为加入后培养和 直接培养；根据温度条件可分为室温和恒温培养 4 6 - 4 s l 。目前关于反硝化作用的研究方法 主要有：( 1 ) 扰动土厌气培养法即主要是控制一定温度、水分等条件加入k n 0 3 并通入 氩气进行厌氧培养，通过培养结束后土壤中n 0 3 - n 的变化量来测定。用培养结束土壤 中n 0 3 - n 的测定值减去初始值得到n 0 3 - n 变化量后，以n 0 3 - n 变化量n 0 3 - n 初 始量1 1 0 0 来计算净反硝化率( 反硝化活性) ，以n 0 3 。- n 的变化量除以培养时间来计 算净反硝化速率( 反硝化势) ；( 2 ) 0 5 n 示踪法即用一定丰度和数量的”n 标记体( k 1 s n 0 3 ) 吉林农业大学硕士学位论文泥炭沼泽氮素分布转化及其环境效应研究一一以长白山垂直自然带为例 在一定面积的隔离小区内施用( 目的是为了防止1 5 n 扩散) ，通过测定含1 5 n 的气体淝、 n 2 0 等) 来直接测定反硝化作用强度( 1 5 n 示踪气体直接法) 或通过从微区测得的氮素总损 失量中扣除氨挥发量而间接测定( 1 5 n 平衡差值法) 。该法也可以采用原状土室内控制一 定温度、水分等条件，通过加入k 1 5 n 0 3 进行培养，并以5 n 平衡差值法来计算；( 3 ) 乙 炔抑制培养法即利用乙炔抑制n 2 0 还原为n 2 ，通过测定土壤n 2 0 的逸出量来测定反 硝化量。该法又包括密闭气室法和原状土柱法，前者所测定的通量是对土壤一大气交换 的估计，后者比前者更易于了解更深土层的反硝化作用。它主要是将未扰动土柱置于密 闭容器中进行乙炔静止培养或在一个限定的未扰动土柱中土壤空气和乙炔通过土壤大 孔隙来循环，用于原位或异位培养。此外，平衡气室法和氦气一氧气土柱培养技术也是 试验中常用的方法。目前反硝化过程的模型研究也不多见，m a r t i n ( 1 9 9 7 ) 在反硝化模型 中采用了一级速率动力学方程来描述反硝化过程。 1 2 - 3 湿地氮素化学行为过