氮氧同位素示踪河北平原包气带和地下水中氮的来源与迁移转化机理

第1章绪论1

1.1 氮污染概述 1

1.2 氮迁移转化研究现状 2

1.2.1 同位素技术研究进展 2

1.2.2 氮在包气带中迁移转化过程及研究现状 4

1.3 脱氮微生物的研究现状 6

1.3.1 土壤氮素转化的关键微生物 6

1.3.2 氨化细菌 7

1.3.3 硝化细菌 7

1.3.4 异养硝化好氧反硝化细菌 7

1.3.5 微生物菌剂的相关研究 8

1.4 磷脂脂肪酸生物标记法研究进展 9

1.4.1 磷脂脂肪酸分析法及其命名原则 9

1.4.2 磷脂脂肪酸分析法的原理及其应用 10

1.5 高通量测序 11

1.6 氮污染数值模拟研究 12

1.6.1 国内外数值模拟研究现状 12

1.6.2 地下水数值模拟软件的发展 13

1.6.3 Hydrus-1D 模型研究现状 14

第2章区域概况15

2.1 社会经济概况 15

2.2 自然地理概况 16

2.2.1 地形地貌 16

2.2.2 气候 17

2.2.3 土壤植被 18

2.3 水文地质特征 19

2.3.1 河北平原水系特征 19

2.3.2 地下水系统水文地质特征 21

2.3.3 地下水含水层组水文地质特征 24

2.4 地下水污染现状 28

第3章河北平原浅层地下水中氮的来源29

3.1 浅层地下水中氮的来源及其特征 29

3.1.1 氮污染来源分析 29

3.1.2 硝酸盐氮在地下水中的分布 31

3.1.3 河北平原地下水硝酸盐氮总体特征 33

3.1.4 不同地区间的地下水硝酸盐氮变化 34

3.1.5 硝酸盐氮的示踪 35

3.2 浅层地下水氮迁移转化规律 38

3.2.1 浅层地下水氮迁移机理 38

3.2.2 实验内容与方法 39

3.2.3 研究区地下水氮污染数值模拟 40

3.2.4 模型预测及污染分析 44

3.3 包气带中“三氮”迁移转化机制 45

3.3.1 实验方法及样品预处理 45

3.3.2 土柱装填及实验 46

3.3.3 土壤水溶液中硝酸盐氮的迁移转化 47

3.3.4 土壤水溶液中氨氮的迁移转化 49

3.3.5 土壤水溶液中亚硝酸盐氮的迁移转化 51

3.3.6 浸出液中“三氮”的浓度变化 53

3.4 包气带中氮素数学模型的建立及Hydrus-1D 预测 54

3.4.1 水流运动基本方程 54

3.4.2 土壤水分运移模型 55

3.4.3 土壤溶质运移模型 55

3.4.4 Hydrus-1D 软件介绍 57

3.4.5 结果分析 60

3.5 氮污染防治措施 63

3.5.1 建立生态农业体系 63

3.5.2 合理施肥与灌溉 64

3.5.3 加强排污管理 64

3.6 本章小结 64

第4章土壤微生物提取与制剂67

4.1 实验材料和设备 67

4.1.1 试剂 67

4.1.2 实验器具 68

4.1.3 实验设备 68

4.2 实验方法 69

4.3 土壤的理化指标 69

4.4 细菌的富集与筛选 70

4.4.1 实验方法 70

4.4.2 结果与分析 70

4.5 各菌株形态及革兰氏染色 71

4.5.1 鉴定方法 71

4.5.2 结果与分析 71

4.6 各菌株性能的测定 73

4.6.1 实验方法 73

4.6.2 结果与分析 73

4.7 菌株的16S rDNA 序列测定 77

4.8 氮循环微生物菌剂的制备 78

4.9 菌剂活性的测定 78

4.9.1 菌剂活性的测定方法 78

4.9.2 结果与分析 79

4.10 菌剂降解能力的测定 83

4.10.1 菌剂降解能力的测定方法 83

4.10.2 结果与分析 84

4.11 土培实验验证菌株效果 95

4.11.1 总氮浓度随时间的变化情况 95

4.11.2 氨氮浓度随时间的变化情况 97

4.11.3 硝态氮浓度随时间的变化情况 99

4.11.4 亚硝态氮浓度随时间的变化情况 101

4.11.5 PLFA 随时间的变化情况 103

4.12 本章小结 105

第5章氮在土壤中的迁移和转化107

5.1 概述 107

5.1.1 氨化作用与氨化微生物 107

5.1.2 硝化作用与硝化微生物 108

5.1.3 反硝化作用与反硝化微生物 109

5.2 总氮在土壤中的迁移转化 110

5.2.1 总氮在潮土中的变化趋势 110

5.2.2 总氮在褐土中的变化趋势 118

5.3 硝态氮在土壤中的变化趋势 123

5.3.1 硝态氮在潮土中的迁移转化 123

5.3.2 硝态氮在褐土中的迁移转化 130

5.4 氨氮在土壤中的迁移转化 135

5.4.1 氨氮在潮土中的迁移转化 135

5.4.2 氨氮在褐土中的迁移转化 141

5.5 亚硝态氮在土壤中的迁移转化 146

5.5.1 亚硝态氮在潮土中的迁移转化 146

5.5.2 亚硝态氮在褐土中的迁移转化 148

5.6 本章小结 153

第6章基于高通量测序技术下土壤微生物种类与多样性分析154

6.1 高通量测序技术原理及方法 154

6.1.1 土壤的提取和纯化方法 154

6.1.2 PCR 扩增 154

6.1.3 PCR 产物的混样和纯化 155

6.1.4 文库构建和上机测序 155

6.1.5 数据计算方法 155

6.2 土壤细菌种类及多样性分析 155

6.2.1 土壤细菌高通量测序分类总结 156

6.2.2 土壤细菌物种相对丰度统计 157

6.2.3 土壤细菌Alpha 多样性指数分析 159

6.2.4 稀释曲线分析 161

6.2.5 土壤氮循环功能细菌统计 161

6.3 土壤古菌种类及多样性分析 162

6.3.1 土壤古菌OTU 聚类分析和物种注释 163

6.3.2 土壤古菌物种相对丰度统计 163

6.3.3 土壤古菌Alpha 多样性指数分析 164

6.3.4 土壤氮循环功能古菌统计 165

6.3.5 稀释曲线分析 165

6.4 土壤真菌种类及多样性分析 165

6.4.1 土壤真菌OTU 聚类分析 166

6.4.2 土壤真菌相对丰度统计 166

6.4.3 土壤真菌Alpha 多样性分析 166

6.4.4 样品稀释曲线分析 168

6.5 本章小结 168

第7章结论与建议170

7.1 主要成果与认识 170

7.2 河北平原包气带和浅层地下水氮污染控制对策 174

附录 176

附录1 7种菌株的测序序列 176

附录2 实验相关照片 183

参考文献 185