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化機理（簡體書）

本書主要以河北平原為研究區，運用氮氧雙同位素示蹤技術和環境微生物技術及室內模擬實驗，應用數學模型模擬預測氮的遷移轉化規律，系統研究了河北平原的包氣帶和淺層地下水中的氮來源、污染過程及其地下水的氮污染的影響。通過監測淺層地下水中氮污染物并進行雙同位素示蹤，查明了河北平原包氣帶和淺層地下水中氮的污染來源;通過研究農田土壤中氮的遷移轉化，查明了地下水和包氣帶中氮的遷移（轉化）機制。針對河北平原潮土、褐土中參與氮循環的微生物，對氨化細菌、硝化細菌和異養硝化好氧反硝化細菌進行富集、分離篩選和鑒定，得到八種高效菌種。采集任丘、寧晉、阜城、文安、武強、滄州運河區6個地區的潮土,涿州、無極、寧晉3個地區的潮褐土，運用地表水和地下水兩種水質，并加入促進氮素代謝的加強菌和拮抗病蟲害促進植物生長的拮抗促生菌，分別對不同水質滴灌下群落結構和氮素代謝產生的影響進行小白菜土培實驗。利用高通量測序，能夠針對某個菌種，測定出上百株細菌的基因組序列，為分類全基因組信息提供技術基礎。
本書適合農業土壤、水文水資源、水文地質學和生態環保領域的科研、規劃、管理、教學工作者和研究生閱讀參考。

高太忠，河北科技大學環境科學與工程學院，教育部學位與研究生教育評估和咨詢專家、河北省科技獎勵評審專家、國家自然科學基金工程與材料科學學部通信評議專家，教授，碩士生導師，長期從事環境化學和水土污染與控制技術研究。主持或承擔的20余項科研項目，其中主持和參加國家自然科學基金面上項目各一項(No.41373096, 48970175)、主持和參加省部級、國家重點開放實驗室基金等項目20項；公開發表論文85篇，其中被SCI、EI收錄12篇。

第1章緒論1
1.1 氮污染概述 1
1.2 氮遷移轉化研究現狀 2
1.2.1 同位素技術研究進展 2
1.2.2 氮在包氣帶中遷移轉化過程及研究現狀 4
1.3 脫氮微生物的研究現狀 6
1.3.1 土壤氮素轉化的關鍵微生物 6
1.3.2 氨化細菌 7
1.3.3 硝化細菌 7
1.3.4 異養硝化好氧反硝化細菌 7
1.3.5 微生物菌劑的相關研究 8
1.4 磷脂脂肪酸生物標記法研究進展 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用 10
1.5 高通量測序 11
1.6 氮污染數值模擬研究 12
1.6.1 國內外數值模擬研究現狀 12
1.6.2 地下水數值模擬軟件的發展 13
1.6.3 Hydrus-1D 模型研究現狀 14
第2章區域概況15
2.1 社會經濟概況 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 水文地質特征 19
2.3.1 河北平原水系特征 19
2.3.2 地下水系統水文地質特征 21
2.3.3 地下水含水層組水文地質特征 24
2.4 地下水污染現狀 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化規律 38
3.2.1 淺層地下水氮遷移機理 38
3.2.2 實驗內容與方法 39
3.2.3 研究區地下水氮污染數值模擬 40
3.2.4 模型預測及污染分析 44
3.3 包氣帶中“三氮”遷移轉化機制 45
3.3.1 實驗方法及樣品預處理 45
3.3.2 土柱裝填及實驗 46
3.3.3 土壤水溶液中硝酸鹽氮的遷移轉化 47
3.3.4 土壤水溶液中氨氮的遷移轉化 49
3.3.5 土壤水溶液中亞硝酸鹽氮的遷移轉化 51
3.3.6 浸出液中“三氮”的濃度變化 53
3.4 包氣帶中氮素數學模型的建立及Hydrus-1D 預測 54
3.4.1 水流運動基本方程 54
3.4.2 土壤水分運移模型 55
3.4.3 土壤溶質運移模型 55
3.4.4 Hydrus-1D 軟件介紹 57
3.4.5 結果分析 60
3.5 氮污染防治措施 63
3.5.1 建立生態農業體系 63
3.5.2 合理施肥與灌溉 64
3.5.3 加強排污管理 64
3.6 本章小結 64
第4章土壤微生物提取與制劑67
4.1 實驗材料和設備 67
4.1.1 試劑 67
4.1.2 實驗器具 68
4.1.3 實驗設備 68
4.2 實驗方法 69
4.3 土壤的理化指標 69
4.4 細菌的富集與篩選 70
4.4.1 實驗方法 70
4.4.2 結果與分析 70
4.5 各菌株形態及革蘭氏染色 71
4.5.1 鑒定方法 71
4.5.2 結果與分析 71
4.6 各菌株性能的測定 73
4.6.1 實驗方法 73
4.6.2 結果與分析 73
4.7 菌株的16S rDNA 序列測定 77
4.8 氮循環微生物菌劑的制備 78
4.9 菌劑活性的測定 78
4.9.1 菌劑活性的測定方法 78
4.9.2 結果與分析 79
4.10 菌劑降解能力的測定 83
4.10.1 菌劑降解能力的測定方法 83
4.10.2 結果與分析 84
4.11 土培實驗驗證菌株效果 95
4.11.1 總氮濃度隨時間的變化情況 95
4.11.2 氨氮濃度隨時間的變化情況 97
4.11.3 硝態氮濃度隨時間的變化情況 99
4.11.4 亞硝態氮濃度隨時間的變化情況 101
4.11.5 PLFA 隨時間的變化情況 103
4.12 本章小結 105
第5章氮在土壤中的遷移和轉化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化 110
5.2.1 總氮在潮土中的變化趨勢 110
5.2.2 總氮在褐土中的變化趨勢 118
5.3 硝態氮在土壤中的變化趨勢 123
5.3.1 硝態氮在潮土中的遷移轉化 123
5.3.2 硝態氮在褐土中的遷移轉化 130
5.4 氨氮在土壤中的遷移轉化 135
5.4.1 氨氮在潮土中的遷移轉化 135
5.4.2 氨氮在褐土中的遷移轉化 141
5.5 亞硝態氮在土壤中的遷移轉化 146
5.5.1 亞硝態氮在潮土中的遷移轉化 146
5.5.2 亞硝態氮在褐土中的遷移轉化 148
5.6 本章小結 153
第6章基于高通量測序技術下土壤微生物種類與多樣性分析154
6.1 高通量測序技術原理及方法 154
6.1.1 土壤的提取和純化方法 154
6.1.2 PCR 擴增 154
6.1.3 PCR 產物的混樣和純化 155
6.1.4 文庫構建和上機測序 155
6.1.5 數據計算方法 155
6.2 土壤細菌種類及多樣性分析 155
6.2.1 土壤細菌高通量測序分類總結 156
6.2.2 土壤細菌物種相對豐度統計 157
6.2.3 土壤細菌Alpha 多樣性指數分析 159
6.2.4 稀釋曲線分析 161
6.2.5 土壤氮循環功能細菌統計 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 土壤古菌物種相對豐度統計 163
6.3.3 土壤古菌Alpha 多樣性指數分析 164
6.3.4 土壤氮循環功能古菌統計 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 土壤真菌相對豐度統計 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 168
第7章結論與建議170
7.1 主要成果與認識 170
7.2 河北平原包氣帶和淺層地下水氮污染控制對策 174
附錄 176
附錄1 7種菌株的測序序列 176
附錄2 實驗相關照片 183
參考文獻 185