二氧化鈦納米顆粒對沼澤土壤反硝化和N2O排放的影響

范峰華,鄭榮波,劉 爽,郭雪蓮

1 西南林業大學濕地學院, 昆明 650224 2 國家高原濕地研究中心, 昆明 650224 3 西南林業大學化學工程學院, 昆明 650224

1 材料與方法

1.1 TiO2NPs材料及預處理

本研究選取的TiO2NPs為銳鈦礦(Anatase),純度為99.8%,粒徑為10—25 nm,親水,購于阿拉丁試劑官網。為了防止聚集,將配好溶液放置超聲波(200V,50 kHz)超聲30 min。

1.2 土壤樣品采樣與預處理

2017年7月,在納帕海國際重要濕地內(99°37′10.6″—99°40′20.0″E,27°48′55.6″—27°54′28.0″N)內選擇典型沼澤土壤。用直徑5 cm的土鉆隨機采集0—10 cm的土壤,剔除土壤中可見的石塊和動植物殘體后,裝進自封袋,帶回實驗室經風干、均質化、研磨后過2 mm篩,用于室內培養實驗。

1.3 培養實驗

1.4 樣品測定

2 數據統計

實驗數據運用SPSS 25軟件統計分析,采用單因素方差分析不同劑量TiO2NPs處理對沼澤土壤理化性質、反硝化酶活性、DNR和N2O排放的影響(P<0.05)。采用Pearson分析TiO2NPs處理下沼澤濕地土壤理化性質、反硝化酶活性和DNR、N2O排放相關關系。使用Amos 24 構建TiO2NPs處理對DNR和N2O排放影響的結構方程模型。圖件制作采用Origin 2018軟件。

3 結果與分析

3.1 TiO2NPs對沼澤土壤理化性質的影響

3.2 TiO2NPs對沼澤土壤反硝化酶活性的影響

TiO2NPs對沼澤土壤反硝化酶活性影響詳見圖1,培養14 d,A1000處理NIR活性顯著降低(P<0.05)；培養35 d,A10和A1000處理NAR活性顯著降低(P<0.01)。培養7 d,A1000處理NIR活性顯著增加(P<0.05)；培養14 d,A1000處理NIR活性顯著降低(P<0.01)。在整個培養周期,TiO2NPs處理NOR活性均顯著增加(P<0.01)。除14 d A100處理外,TiO2NPs處理NOS活性均顯著增加(P<0.01)。

表1 TiO2NPs處理對沼澤土壤理化性質影響

圖1 TiO2NPs處理對沼澤土壤NAR活性、NIR活性、NOR活性和NOS活性的影響Fig.1 The effect of TiO2NPs addition on Nitrate reductase activity, Nitrite reductase activity, Nitric oxide reductase activity and Nitrous oxide reductase of marsh soilNAR：硝酸鹽還原酶Nitrate reductase；NIR：亞硝酸鹽還原酶Nitrite reductase；NOR：一氧化氮還原酶Nitric oxide reductase；NOS：氧化亞氮還原酶Nitrous oxide reductase;CK：0 mg/kg；A10：10 mg/kg；A100：100 mg/kg；A1000：1000 mg/kg

隨著培養時間的延長,A10處理NAR活性降低。不同劑量TiO2NPs處理的NIR活性總體呈下降趨勢(P<0.01)。A10和A1000處理NOR活性呈下降趨勢(P<0.01)。A10和A1000處理NOS活性先增加后降低,A100處理NOS活性降低(P<0.01)。

3.3 TiO2NPs對沼澤土壤DNR和N2O通量的影響

TiO2NPs對沼澤土壤DNR和N2O通量的變化的影響詳見圖2。培養14 d,A1000處理DNR顯著降低(P<0.05)；培養35 d,A100處理DNR顯著降低(P<0.01)。培養7 d,A10和A1000處理N2O通量顯著提高(P<0.01)；培養35 d,A100和A1000處理N2O通量顯著提高(P<0.01)。隨著培養時間的延長,A100處理DNR先增加后降低(P<0.05)。A100處理N2O通量不斷增加(P<0.01)。

圖2 TiO2NPs處理對沼澤土壤DNR和N2O通量的影響Fig.2 The effect of TiO2NPs addition on DNR and N2O flux of marsh soil

3.4 TiO2NPs處理下沼澤土壤反硝化作用與土壤環境的關系

表2 TiO2NPs處理下沼澤土壤反硝化作用和N2O排放與土壤環境的關系

4 討論

4.1 TiO2NPs對沼澤土壤反硝化酶活性的影響分析

圖3 TiO2NPs處理對沼澤土壤DNR和N2O排放的影響機制分析Fig.3 Analysis of the influence mechanism of TiO2NPs addition on DNR and N2O emissions of marsh soil 其擬合指標選取概率值(P)、卡方自由度比(CMIN/DF)、比較擬合指數(CFI)、擬合度指數(GFI)及綜合擬合指標(AIC)；黑色粗實線代表正向影響,黑色粗虛線代表負面影響,灰色細虛線代表無顯著影響；*為P<0.05,**為P<0.01,***為P<0.001

4.2 TiO2NPs對沼澤土壤DNR及N2O排放的影響分析

5 結論

本研究采用室內培養實驗,研究了TiO2NPs輸入對沼澤土壤反硝化作用和N2O排放的影響,結果表明不同劑量TiO2NPs處理會對沼澤土壤反硝化作用和N2O排放影響。

(2)TiO2NPs處理抑制了NAR活性,其中A10和A1000處理NAR活性顯著降低(P<0.01)；A1000處理抑制了NIR活性(P<0.05),但隨著培養時間的延長,TiO2NPs抑制作用減弱；不同劑量TiO2NPs處理NOR和NOS活性顯著提高(P<0.01)。

(3)DNR與NIR活性呈顯著正相關(P<0.01),N2O排放與NOR活性呈顯著正相關(P<0.01),TiO2NPs輸入通過抑制沼澤土壤NIR活性降低DNR；通過促進沼澤土壤NOR活性促進N2O排放。酶活性的變化影響了土壤反硝化過程,環境因子的變化在調控沼澤生態系統功能中具有重要的作用,TiO2NPs在環境中的大量釋放可能對水環境和區域氣候構成潛在威脅。