氮氧同位素示蹤河北平原包氣帶和地下水中氮的來源與遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理

第1章緒論1

1.1 氮污染概述 1

1.2 氮遷移轉(zhuǎn)化研究現(xiàn)狀 2

1.2.1 同位素技術(shù)研究進(jìn)展 2

1.2.2 氮在包氣帶中遷移轉(zhuǎn)化過程及研究現(xiàn)狀 4

1.3 脫氮微生物的研究現(xiàn)狀 6

1.3.1 土壤氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵微生物 6

1.3.2 氨化細(xì)菌 7

1.3.3 硝化細(xì)菌 7

1.3.4 異養(yǎng)硝化好氧反硝化細(xì)菌 7

1.3.5 微生物菌劑的相關(guān)研究 8

1.4 磷脂脂肪酸生物標(biāo)記法研究進(jìn)展 9

1.4.1 磷脂脂肪酸分析法及其命名原則 9

1.4.2 磷脂脂肪酸分析法的原理及其應(yīng)用 10

1.5 高通量測(cè)序 11

1.6 氮污染數(shù)值模擬研究 12

1.6.1 國內(nèi)外數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀 12

1.6.2 地下水?dāng)?shù)值模擬軟件的發(fā)展 13

1.6.3 Hydrus-1D 模型研究現(xiàn)狀 14

第2章區(qū)域概況15

2.1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況 15

2.2 自然地理概況 16

2.2.1 地形地貌 16

2.2.2 氣候 17

2.2.3 土壤植被 18

2.3 水文地質(zhì)特征 19

2.3.1 河北平原水系特征 19

2.3.2 地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)特征 21

2.3.3 地下水含水層組水文地質(zhì)特征 24

2.4 地下水污染現(xiàn)狀 28

第3章河北平原淺層地下水中氮的來源29

3.1 淺層地下水中氮的來源及其特征 29

3.1.1 氮污染來源分析 29

3.1.2 硝酸鹽氮在地下水中的分布 31

3.1.3 河北平原地下水硝酸鹽氮總體特征 33

3.1.4 不同地區(qū)間的地下水硝酸鹽氮變化 34

3.1.5 硝酸鹽氮的示蹤 35

3.2 淺層地下水氮遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律 38

3.2.1 淺層地下水氮遷移機(jī)理 38

3.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法 39

3.2.3 研究區(qū)地下水氮污染數(shù)值模擬 40

3.2.4 模型預(yù)測(cè)及污染分析 44

3.3 包氣帶中“三氮”遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制 45

3.3.1 實(shí)驗(yàn)方法及樣品預(yù)處理 45

3.3.2 土柱裝填及實(shí)驗(yàn) 46

3.3.3 土壤水溶液中硝酸鹽氮的遷移轉(zhuǎn)化 47

3.3.4 土壤水溶液中氨氮的遷移轉(zhuǎn)化 49

3.3.5 土壤水溶液中亞硝酸鹽氮的遷移轉(zhuǎn)化 51

3.3.6 浸出液中“三氮”的濃度變化 53

3.4 包氣帶中氮素?cái)?shù)學(xué)模型的建立及Hydrus-1D 預(yù)測(cè) 54

3.4.1 水流運(yùn)動(dòng)基本方程 54

3.4.2 土壤水分運(yùn)移模型 55

3.4.3 土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型 55

3.4.4 Hydrus-1D 軟件介紹 57

3.4.5 結(jié)果分析 60

3.5 氮污染防治措施 63

3.5.1 建立生態(tài)農(nóng)業(yè)體系 63

3.5.2 合理施肥與灌溉 64

3.5.3 加強(qiáng)排污管理 64

3.6 本章小結(jié) 64

第4章土壤微生物提取與制劑67

4.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備 67

4.1.1 試劑 67

4.1.2 實(shí)驗(yàn)器具 68

4.1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 68

4.2 實(shí)驗(yàn)方法 69

4.3 土壤的理化指標(biāo) 69

4.4 細(xì)菌的富集與篩選 70

4.4.1 實(shí)驗(yàn)方法 70

4.4.2 結(jié)果與分析 70

4.5 各菌株形態(tài)及革蘭氏染色 71

4.5.1 鑒定方法 71

4.5.2 結(jié)果與分析 71

4.6 各菌株性能的測(cè)定 73

4.6.1 實(shí)驗(yàn)方法 73

4.6.2 結(jié)果與分析 73

4.7 菌株的16S rDNA 序列測(cè)定 77

4.8 氮循環(huán)微生物菌劑的制備 78

4.9 菌劑活性的測(cè)定 78

4.9.1 菌劑活性的測(cè)定方法 78

4.9.2 結(jié)果與分析 79

4.10 菌劑降解能力的測(cè)定 83

4.10.1 菌劑降解能力的測(cè)定方法 83

4.10.2 結(jié)果與分析 84

4.11 土培實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證菌株效果 95

4.11.1 總氮濃度隨時(shí)間的變化情況 95

4.11.2 氨氮濃度隨時(shí)間的變化情況 97

4.11.3 硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間的變化情況 99

4.11.4 亞硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間的變化情況 101

4.11.5 PLFA 隨時(shí)間的變化情況 103

4.12 本章小結(jié) 105

第5章氮在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化107

5.1 概述 107

5.1.1 氨化作用與氨化微生物 107

5.1.2 硝化作用與硝化微生物 108

5.1.3 反硝化作用與反硝化微生物 109

5.2 總氮在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化 110

5.2.1 總氮在潮土中的變化趨勢(shì) 110

5.2.2 總氮在褐土中的變化趨勢(shì) 118

5.3 硝態(tài)氮在土壤中的變化趨勢(shì) 123

5.3.1 硝態(tài)氮在潮土中的遷移轉(zhuǎn)化 123

5.3.2 硝態(tài)氮在褐土中的遷移轉(zhuǎn)化 130

5.4 氨氮在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化 135

5.4.1 氨氮在潮土中的遷移轉(zhuǎn)化 135

5.4.2 氨氮在褐土中的遷移轉(zhuǎn)化 141

5.5 亞硝態(tài)氮在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化 146

5.5.1 亞硝態(tài)氮在潮土中的遷移轉(zhuǎn)化 146

5.5.2 亞硝態(tài)氮在褐土中的遷移轉(zhuǎn)化 148

5.6 本章小結(jié) 153

第6章基于高通量測(cè)序技術(shù)下土壤微生物種類與多樣性分析154

6.1 高通量測(cè)序技術(shù)原理及方法 154

6.1.1 土壤的提取和純化方法 154

6.1.2 PCR 擴(kuò)增 154

6.1.3 PCR 產(chǎn)物的混樣和純化 155

6.1.4 文庫構(gòu)建和上機(jī)測(cè)序 155

6.1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算方法 155

6.2 土壤細(xì)菌種類及多樣性分析 155

6.2.1 土壤細(xì)菌高通量測(cè)序分類總結(jié) 156

6.2.2 土壤細(xì)菌物種相對(duì)豐度統(tǒng)計(jì) 157

6.2.3 土壤細(xì)菌Alpha 多樣性指數(shù)分析 159

6.2.4 稀釋曲線分析 161

6.2.5 土壤氮循環(huán)功能細(xì)菌統(tǒng)計(jì) 161

6.3 土壤古菌種類及多樣性分析 162

6.3.1 土壤古菌OTU 聚類分析和物種注釋 163

6.3.2 土壤古菌物種相對(duì)豐度統(tǒng)計(jì) 163

6.3.3 土壤古菌Alpha 多樣性指數(shù)分析 164

6.3.4 土壤氮循環(huán)功能古菌統(tǒng)計(jì) 165

6.3.5 稀釋曲線分析 165

6.4 土壤真菌種類及多樣性分析 165

6.4.1 土壤真菌OTU 聚類分析 166

6.4.2 土壤真菌相對(duì)豐度統(tǒng)計(jì) 166

6.4.3 土壤真菌Alpha 多樣性分析 166

6.4.4 樣品稀釋曲線分析 168

6.5 本章小結(jié) 168

第7章結(jié)論與建議170

7.1 主要成果與認(rèn)識(shí) 170

7.2 河北平原包氣帶和淺層地下水氮污染控制對(duì)策 174

附錄 176

附錄1 7種菌株的測(cè)序序列 176

附錄2 實(shí)驗(yàn)相關(guān)照片 183

參考文獻(xiàn) 185