一種土壤呼吸-硝化-反硝化速率原位測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及土壤呼吸、硝化、反硝化速率的測量方法，特別涉及原位測量土壤呼 吸、硝化和反硝化速率的方法，屬于生態(tài)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常，土壤呼吸過程、硝化過程、反硝化過程被認(rèn)為是土壤環(huán)境中主要的三個生物 化學(xué)過程。目前，土壤呼吸速率的測量方法主要有封閉式動態(tài)氣室法、開放式動態(tài)氣室法、 封閉式靜態(tài)氣室法、氣相色譜法等，能夠滿足原位測量的需要。硝化和反硝化速率的測量方 法主要有總量平衡法、N〇3l肖耗法、微電極法、 15N示蹤法、BaPS技術(shù)等，能夠滿足同時測量硝 化和反硝化速率的方法有15N示蹤法、C 2H2抑制法和BaPS技術(shù)。若能夠原位同時測量土壤呼 吸、硝化、反硝化速率，對于提升對土壤生物化學(xué)過程的認(rèn)識具有重要意義，但原位測量的 方法未見報道，因此亟需開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)原位同時測量土壤呼吸、硝化、反硝化速率的方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不能同時原位測量土壤呼吸、硝化、反硝化速率的問題，本發(fā) 明提出了一種可以實現(xiàn)在不擾動土壤情況下，同時進(jìn)行土壤呼吸、硝化和反硝化速率的原 位靈活時間尺度、動態(tài)測量的方法。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0005] 將底端為空的腔體插入土壤中，構(gòu)建一個內(nèi)含原位土柱的封閉腔體(封閉腔體內(nèi) 土柱的截面積為S;封閉腔體內(nèi)的氣體的體積為V)，在to時刻(第一次采集氣體時間）將抽氣 針筒插入封閉腔體內(nèi)，采集L mL氣體，通過氣相色譜測量得其中Nx0y濃度為^?^、(^濃度 為C〇2,dP0 2濃度為02, i;在^時亥I」(第二次采集氣體時間），即間隔Δ t時間（Δ t = ti-to)后， 再次抽取同等體積的氣體，并再次通過氣相色譜測量得其中Nx0y的濃度為N xOy,2、C〇2濃度為 C〇2,2和〇2濃度為〇2,2。
[0006] 將NxOy、C〇2和〇2三種氣體在Δ t時間內(nèi)的變化量分別標(biāo)記為：ANx〇y、AC〇2,tcltai和 A 〇2, total，其中：
[0010] 故：[0011] 1. 土壤反硝化速率
[0007] ?(1)
[0008] .式(2)
[0009]
[0012] 土壤單位面積的反硝化速率Vden為：
[0013]
> 式(4)
[0014] 2. 土壤呼吸速率
[0015] 土壤的反硝化過程為：
[0016]
-）
[0017] 基于式(一)和Δ Nx0y，可計算Δ t時間內(nèi)反硝化過程中產(chǎn)生的C02的量，即，在Δ t時 間內(nèi)產(chǎn)生的C02,d(3n的量為：
[0018]
公式(5)
[0019] 同時，由于Δ C02,tcltai為反硝化過程產(chǎn)生的Δ C02,den量與土壤呼吸產(chǎn)生的Δ⑶2,res 量之和，故△ t時間內(nèi)土壤呼吸過程產(chǎn)生的C〇2量為：
[0020]
公式（6)
[0021]而土壤呼吸化學(xué)過程如式(二)所示：
[0022] CH2O+O2 ,res~^C〇2，res+H2〇 (--)
[0023] 則，土壤單位面積的呼吸速率Vres可以表示為：
[0024]公式（7)
[0025] 3. 土壤硝化速率
[0026]由于02的消耗主要涉及土壤呼吸過程耗氧和土壤硝化過程耗氧，且由式（二）可 知，土壤呼吸過程在Δ t時間內(nèi)的耗氧量〇2,res為：
[0027]
公式（8)
[0028] 故土壤硝化過程在Δ t時間內(nèi)的耗氧量02,nit可表示為：
[0029]
公式（9)
[0030] 而土壊硝化討稈如式（=)所示：
[0031]
(三）
[0032] 則土壤單位面積的硝化速率Vnit為：
[0033]
公式（10)
[0034] 前述封閉腔體中氣體的體積V可采用以下方法來計算：
[0035] 在封閉腔體內(nèi)，測量t時刻腔體內(nèi)的壓強(qiáng)、溫度值，記為:P〇、To;然后快速將抽氣針 筒插入封閉腔體內(nèi)，快速抽取L mL氣體，并記錄此時封閉腔體內(nèi)的壓強(qiáng)、溫度值，分別記為： Ρι、Τι〇
[0036] PV = NRT (11)
[0037] 其中，P為壓強(qiáng)，單位為Pa; V為體積，單位為m3; N為封閉腔體內(nèi)氣體的摩爾量，單位 為mol;R為理想氣體常數(shù)，數(shù)值為8.31J · πιοΓ1 · IT1;!1為絕對溫度，單位為K。
[0038]由（11)式可得：
[0039] P〇V=NRTo (12)
[0040] Pi(V+L)=NRTi (13)
[0041] 由式（12)、（13)可得：
[0042] (14)
[0043] 只 V為：
[0044] (15)
[0045] 上述封閉腔體的構(gòu)建:可采用一個底端開口、腔體內(nèi)安放有壓強(qiáng)傳感器、溫度傳感 器、二氧化碳濃度傳感器、氧氣濃度傳感器的桶形或其他形狀的測量裝置，傳感器均與電腦 連接，便于實時讀取、記錄封閉腔體內(nèi)的壓強(qiáng)、溫度、二氧化碳、氧氣等數(shù)據(jù)的變化，裝置結(jié) 構(gòu)可參見專利2015204617320;將開口端直接插入土壤中后不動，土壤作為開口底端的封閉 物將裝置封閉后形成一個封閉腔體，所以腔體內(nèi)土柱的截面積即是裝置底端開口的面積。
[0046] 目前的其他方法中，土壤呼吸速率的測量方法能夠滿足原位連續(xù)、動態(tài)監(jiān)測的需 要;BaPS技術(shù)在室內(nèi)控制溫度條件下能夠同時連續(xù)、動態(tài)測量土壤呼吸、硝化、反硝化速率。 本發(fā)明所提供的方法最大的優(yōu)勢是：
[0047] (1)可以實現(xiàn)在不擾動土壤和不控制溫度的條件下，同時進(jìn)行土壤呼吸、硝化和反 硝化速率的原位靈活時間尺度、動態(tài)測量；
[0048] (2)本方法有效地克服了土壤硝化和反硝化速率室內(nèi)或原位培養(yǎng)測量方法(如：總 量平衡法、C2H2抑制法等)僅能得到較長一段時間內(nèi)氮礦化速率平均值或者土壤硝化和反硝 化速率的平均值這一不足；
[0049] (3)本方法將土壤反硝化過程產(chǎn)生的C02量和土壤呼吸過程產(chǎn)生的C02量從總的C0 2 產(chǎn)生量中分離出來，比現(xiàn)有的土壤呼吸速率測量方法更精確地測量了土壤呼吸速率。
【附圖說明】
[0050] 圖1是原位測定系統(tǒng)各種速率計算關(guān)系示意圖。箭頭指向化學(xué)式，表示產(chǎn)生氣體； 箭頭指向化學(xué)式相反方向表示消耗;大括號表示合計關(guān)系。
【具體實施方式】
[0051 ]在稻田中構(gòu)建一個內(nèi)含有原位土柱的封閉腔體，封閉腔體內(nèi)土柱的截面積為 314.16cm2。
[0052]在2015年8月25日14時23分將抽氣針筒插入封閉腔體內(nèi)，測量得腔體內(nèi)的壓強(qiáng)為 91070Pa、溫度為27.62°C，然后迅速快速抽取10ml氣體，測得此時封閉腔體內(nèi)的壓強(qiáng)為 90039Pa、溫度為27.62 °C。由式（15)計算得到封閉腔體中氣體的體積V = 873.26ml。
[0053] 將在2015年8月25日14時23分抽取的10ml氣體通過氣相色譜測量得其中：
[0054] Nx0y濃度為 1 · 49 X 10-4mol · m-3;
[0055] C〇2濃度為0.058mol · m-3;
[0056] 〇2濃度為7.49mol · m-3。
[0057] 在2015年8月25日15時23分，即間隔1小時后，再次從腔體中抽取10ml氣體，并再次 通過氣相色譜測量得其中：
[0058] Nx0y的濃度為2 · 42 X 10-4mol · m-3;
[0059] C〇2濃度為0.066mol · m-3;
[0060] 〇2濃度為7.48mol · m-3。
[0061 ] 根據(jù)公式(1)可得，1小時內(nèi)，Nx0y產(chǎn)生的量Δ Nx0yS8.06 X 1〇Λιο1;
[0062] 根據(jù)公式(2)可得，1小時內(nèi)，C02產(chǎn)生的量AC02, tcltai為6.55X10-6mol;
[0063] 根據(jù)公式⑶可得，1小時內(nèi)，02消耗的量A〇2, total為7.07X10-6mol。
[0064] 因此，由公式(4)可得土壤單位面積的反硝化速率^11為3.59\10-4(?·!!!- 2·!! -1 · ，
[0065] 由公式⑴可得土壤單位面積的呼吸速率Vres為2.43X10-3g(C)·m- 2·h一1;
[0066] 由公式（10)可得土壤單位面積的硝化速率^*為1.62X10-4g(N) · m-2 · h-1。
【主權(quán)項】
1. 一種±壤反硝化速率原位測量方法，其特征在于，包括W下步驟： (a) 構(gòu)建一個內(nèi)含原位±柱的封閉腔體，封閉腔體中氣體的體積為V，±柱的截面積為 S;將抽氣針筒插入封閉腔體內(nèi)，抽取L mL氣體，通過氣相色譜測量其中NxOy濃度、C〇2濃度和 〇2濃度分別為NxOy,i、C〇2,i和〇2,1，間隔At時間后，再次抽取同等體積的氣體，并再次通過氣 相色譜測量其中NxOy的濃度、C〇2濃度和〇2濃度分別為扼(^,2、0)2,2和〇2,2; (b) 將S種氣體在A t時間內(nèi)變化的量分別標(biāo)記為：A NxOy、A C〇2,total和A化,total，根據(jù) W下公式可計算得到：(C)根據(jù)下式計算±壤單位面積的反硝化速率Vden:2. -種±壤呼吸速率原位測量方法，其特征在于，在權(quán)利要求1的步驟(b)之后，根據(jù)下 式計算±壤單位面積的呼吸速率Vres :3. -種±壤硝化速率原位測量方法，其特征在于，在權(quán)利要求1的步驟(b)之后，根據(jù)下 式計算±壤單位面積的硝化速率Vnit:4. 一種±壤呼吸-硝化-反硝化速率原位測量方法，其特征在于:權(quán)利要求1-3中分別所 述的封閉腔體內(nèi)±壤的反硝化速率Vden、±壤呼吸速率Vres和硝化速率Vnit在同一個時間間 隔內(nèi)測量和計算完成。
【專利摘要】本發(fā)明涉及原位測量土壤呼吸、硝化和反硝化速率的方法，屬于生態(tài)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過構(gòu)建一個內(nèi)含原位土柱的封閉腔體，封閉腔體內(nèi)土柱的截面積為S；分別測量得封閉腔體內(nèi)NxOy、CO2和O2三種氣體在Δt時間內(nèi)的變化量，并分別標(biāo)記為：ΔNxOy、ΔCO2,total和ΔO2,total，再通過公式分別計算得土壤單位面積的反硝化速率vden、土壤單位面積的呼吸速率vres和土壤單位面積的硝化速率vnit。本發(fā)明可以實現(xiàn)在不擾動土壤和不控制溫度的條件下，同時進(jìn)行土壤呼吸、硝化和反硝化速率的原位靈活時間尺度、動態(tài)測量。
【IPC分類】G01N33/24, G01N30/02
【公開號】CN105651895
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】蔣海波, 高巧, 周星梅, 李娜, 陳建中
【申請人】中國科學(xué)院成都生物研究所
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2016年3月2日