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2015年度自然科学奖推荐项目公示
项目名称:亚热带土壤氮素关键转化过程及其生态环境效应
主要完***(单位):续勇波(云南农业大学)、蔡祖聪(南京师范大学地理科学学院)、张金波(南京师范大学地理科学学院)
推荐单位:云南省教育厅
项目基本情况、项目简介、候选人对项目的贡献情况、代表性论文专著情况。(800字以内):
项目基本情况:
近十年来,项目组在国家自然科学基金委和云南省科技厅的大力支持下,围绕湿润亚热带土壤氮素转化过程,率先在国内建立了采用15N稳定同位素成对标记方法结合MCMC(Markov chain Monte Carlo)优化数值模型计算10个同时发生的土壤氮转化过程的初级转化速率的研究方法,通过对我国湿润亚热带地区土壤氮转化的深入研究,系统地阐明了该地区土壤氮转化规律、影响因素及其生态环境意义,填补了在温带土壤研究基础上建立的土壤氮素生物地球化学循环理论的不足,获得了以下创新性研究成果:
项目组通过大样本量采样,首次系统深入地研究了我国亚热带土壤第四纪红土、第三纪红砂岩和花岗岩三种成土母质和稻田、茶园、林地、灌丛和旱地五种利用方式下的土壤氮素反硝化特性、影响因素和生态环境意义。通过和温带地区土壤比较,发现亚热带土壤具有反硝化势普遍较弱但变异较大的反硝化特性,成土母质和土地利用方式对反硝化势有显著影响,土壤有机质矿化是反硝化的主要驱动因子,土壤有机碳和氮的有效性是决定母质间和土地利用方式间反硝化势差异的关键因素,土壤pH值不是该地区反硝化主要影响因素,亚热带土壤氧化物含量较高导致的氧化还原电位较高是造成该地区土壤反硝化势弱于温带土壤的主要原因。
反硝化过程中产物N2O的产生和还原是同时发生的两个过程,认识反硝化过程中N2O生成和还原的相对速率,对于判断反硝化产物中N2O/N2的比例和N2O排放速率具有重要意义。项目组通过亚热带土壤大样本量的试验数据分析,首次建立了可同时测定N2O产生速率和还原速率的模型,突破了以往孤立静止地分别研究N2O的产生和还原在方法上的局限,实现了在N2O产生和进一步还原为N2的自然连续进程中,同时测定N2O生成速率和还原速率,为正确评估亚热带土壤反硝化N2O净生成量及全球氮收支平衡提供了科学依据。
项目组通过对比研究温带和亚热带森林土壤氮素关键转化过程的初级转化速率,首次从土壤氮转化过程的角度,阐明了在强烈风化和淋溶的湿润热带-亚热带高温多雨环境条件下,酸性森林土壤的供氮和保氮机理。同时发现,利用方式的改变,即林地开垦为农田后,特别是施用氮肥对亚热带土壤硝化作用有促进作用,削弱亚热带农业土壤保氮功能,增大硝态氮淋溶风险。
研究揭示了亚热带土壤异养硝化和反硝化是N2O的主要产生途径,发现反硝化产物中N2O比例高甚至成为主要产物。研究成果科学地解答了湿润亚热带地区风化淋溶强烈而移动性较大的氮在土壤中处于饱和状态、产生N2O的硝化作用和反硝化作用皆弱,但是N2O排放量却很大的异常现象。
通过对湿润亚热带地区土壤野外原位试验研究,发现大气SO2沉降可显著刺激NO和N2O的排放,其中N2O排放量的增加主要由反硝化、异养硝化途径或者由两条途径共同产生,但不由自养硝化途径产生。酸性亚热带土壤中异养硝化作用和反硝化作用分别是非淹水和淹水条件下NO和N2O的主要产生途径,这些结果对正确估算SO2沉降引起的该