引言

近年來，由于人類活動導致生態(tài)系統(tǒng)中氮含量不斷增加，大氣氮沉降借助其對土壤碳

固定、植物氮素利用等的直接或間接作用，*地干預了生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積和氮素重新分配過程。土壤碳氮轉(zhuǎn)化是碳氮耦合循環(huán)非常重要的過程，對陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能有著重要的意義。土壤呼吸和硝化及反硝化作用是碳氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，在促進初級生產(chǎn)力的同時，也可能引起土壤酸化、硝酸鹽淋失和N₂O的釋放，是造成土壤氮素損失和大氣環(huán)境污染的潛在途徑。土壤碳氮轉(zhuǎn)化速率的定量研究受到越來越多的關(guān)注。

目前能同時測定硝化與反硝化速率的方法中，¹⁵N同位素法直接，但該方法需要向樣品中加入含有¹⁵N的NO3^-，影響培養(yǎng)樣品的真實性，并且測量耗時長、耗費大；乙炔抑制法較為傳統(tǒng)，主要利用乙炔抑制N₂O還原為N₂，通過測定N₂O的釋放量計算反硝化損失情況，但后來的研究發(fā)現(xiàn)在有氧氣和高濃度乙炔存在的條件下，NO能夠結(jié)合O₂變成NO₂ ，然后變成亞硝酸鹽和硝酸鹽，而這一步是無法準確計量的，從而導致結(jié)果偏差，因此該方法逐漸被放棄。

2 測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 目標

AZ-S0101土壤碳氮轉(zhuǎn)化速率測量系統(tǒng)，利用發(fā)展起來的氣壓過程分離技術(shù)(Barometric Process Separation)，以田間原狀土柱為對象，主要用于測定土壤中微生物對碳素和氮素的轉(zhuǎn)化速率，包括總硝化速率、反硝化速率以及土壤呼吸速率，在通氣良好的土壤中，其準確性和¹⁵N同位素示蹤法相當。該系統(tǒng)不僅避免了破壞原有土壤結(jié)構(gòu)，并且不需要添加抑制劑或外源同位素，有效地避免了由同位素示蹤法帶來的土壤污染和由乙炔抑制法等帶來的土壤原有氣體組成改變等問題。

該系統(tǒng)通過定量測量分析，還可實現(xiàn)特定時間土壤中占主導地位的微生物過程（硝化作用和/或反硝化作用、土壤呼吸作用）的判斷；結(jié)合進一步的氣體成分分析，能夠明確硝化作用和反硝化作用對土壤N₂O排放的貢獻率，了解環(huán)境因子的改變對N₂O氣體產(chǎn)生與排放的影響，從而準確估算和預測溫室氣體的排放量。

2.2 土壤樣品采集

自然條件下，選取具有代表性的典型區(qū)域作為取樣樣地；實驗研究條件下，根據(jù)研究目的選取特定區(qū)域作為取樣樣地。根據(jù)樣地類型、開闊平坦程度、土壤勻質(zhì)程度等條件可選擇“梅花形”“棋盤式”“S形”“網(wǎng)格法”進行布點，同一類型的土壤樣品，取3～7個原狀土樣作為重復。樣品采集的時間和頻率根據(jù)研究對象和目的決定。具體操作和細節(jié)可參照《土壤理化分析》中相關(guān)部分。

2.3 測量指標

CO₂實時濃度及其變化量、O₂實時濃度及其變化量、大氣壓、土壤溫度、培養(yǎng)室上層空間溫度、土壤總硝化速率、土壤反硝化速率、土壤呼吸速率。

2.4 測量系統(tǒng)組成

AZ-S0101土壤碳氮轉(zhuǎn)化速率測量系統(tǒng)由土壤取樣單元、土壤碳氮轉(zhuǎn)化速率測量單元（包括氣密測量室、ZrO₂氧氣傳感器、紅外線CO₂傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)傳輸界面單元）、恒溫水浴測量單元、環(huán)境因子測量單元（土壤溫度、土壤含水量、土壤pH值等）共同組成。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果顯示

實驗過程中，AZ-S0101土壤碳氮轉(zhuǎn)化速率測量系統(tǒng)通過軟件自動記錄保存數(shù)據(jù)，結(jié)束時，軟件自動進行線性回歸計算，得出總硝化速率、反硝化速率和土壤呼吸速率（單位均為μgN/kg SDW/h）數(shù)據(jù)，并以下圖的形式顯示。

該軟件還可調(diào)入數(shù)據(jù)文件，修正實驗之前沒有確定的土壤pH值、土壤含水量等參數(shù)，重新進行計算。

3.2 數(shù)據(jù)計算

該系統(tǒng)主要關(guān)注土壤中土壤呼吸、硝化作用、反硝化作用三個土壤微生物學過程，監(jiān)測O₂ 消耗 (△O₂)、CO₂ 生成 (△CO₂)、氣體的總變化量 (△n)。

土壤呼吸過程：CH2O + O2 ? CO2 + H2O

異養(yǎng)硝化菌硝化過程：NH4+ + 2O2 ? NO3- + H2O + H+

自養(yǎng)硝化菌硝化過程：NH3 + 1.68O2 + 0.23CO2 ? 0.05C5H7O2N + 0.86H2O + 0.95HNO3

反硝化過程：5CH2O + 4NO3- + 4H+ ? 5CO2 + 7H2O + 2NxOy

3.3 模型擬合

該系統(tǒng)基于一定的理論假設(shè)，利用實測數(shù)據(jù)推演計算得到結(jié)果，其中需要設(shè)置一些特定參數(shù)值，如NxOy中N₂和N₂O的比率，土壤呼吸墑RQ。將實驗數(shù)據(jù)和理論模型進行擬合，可以實現(xiàn)特定參數(shù)的反推，從而檢驗其設(shè)置值的合理性。

4 應(yīng)用案例

4.1 AZ-S0101土壤碳氮轉(zhuǎn)化速率測量系統(tǒng)在高山草甸土硝化和反硝化季節(jié)變化研究中應(yīng)用

*成都生物研究所的相關(guān)研究人員用AZ-S0101土壤碳氮轉(zhuǎn)化速率測量系統(tǒng)測定川西北高山草甸土硝化和反硝化的季節(jié)動態(tài)變化。結(jié)果表明：植物生長季節(jié)內(nèi)，土壤總硝化、反硝化和N₂O釋放率的變化趨勢一致。氮素物質(zhì)基礎(chǔ)（NO₃^--N和NH₄⁺-N）不是影響該高山草甸土硝化和反硝化的主要因素，土壤溫度和濕度是該高山草甸土硝化、反硝化作用的主要影響因子。

4.3 AZ-S0101土壤碳氮轉(zhuǎn)化速率測量系統(tǒng)在土壤呼吸研究中的應(yīng)用

Christoph Mu¨ller用BaPS 和¹⁵N稀釋法來確定原始草原同一土壤樣品的硝化速率。利用AZ-S0101土壤碳氮轉(zhuǎn)化速率測量系統(tǒng)可以將參與硝化的氧氣和土壤有機質(zhì)呼吸的氧氣分開計算，通過BaPS技術(shù)計算敏感的參數(shù)是有機質(zhì)呼吸量，通過這種方式得出的數(shù)值考慮到受到硝化和反硝化作用影響而被修正，對不同的呼吸做了不同標識。試驗結(jié)果表明：土壤培養(yǎng)試驗中，6-10％的氧氣在硝化作用過程中被消耗；利用AZ-S0101土壤碳氮轉(zhuǎn)化速率測量系統(tǒng)在不同的土壤溫度和水分條件下對同一土樣進行測量，結(jié)果顯示高達49％的氧氣在硝化過程被硝化；通過BaPS–¹⁵N聯(lián)合技術(shù)測量出的土壤有機質(zhì)呼吸量同以往的研究資料非常接近。