BaPS土壤氮循環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
| 適用于土壤中硝化和反硝化反應(yīng)總轉(zhuǎn)化率的測(cè)定 |
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| 氣壓過(guò)程分離方法（BaPS）是一種測(cè)量有機(jī)土、礦質(zhì)土中微生物對(duì)碳素和大部分氮素轉(zhuǎn)化速率的儀器。該系統(tǒng)適用于土壤中硝化和反硝化反應(yīng)總轉(zhuǎn)化率的測(cè)定?？傁趸俾屎涂偡聪趸俾实难芯渴悄壳?/span>N素轉(zhuǎn)化方面的研究熱點(diǎn)。 硝化反應(yīng)（SCHL 1992）是土壤中硝酸鹽逐漸產(chǎn)生的一個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)。到目前為止，*可用的檢測(cè)方法就是昂貴的N15庫(kù)稀釋法。 環(huán)境中硝酸鹽的含量很高，主要是因?yàn)樗?/span> ·作為肥料應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上 ·對(duì)地下水和飲用水帶來(lái)危害 在使用液體肥料時(shí)也會(huì)面對(duì)同樣的問(wèn)題。 硝酸鹽及其分解物進(jìn)入人體后對(duì)人體健康是有危害的。因此，必須防止嚴(yán)重的硝酸鹽污染，特別是對(duì)飲用水的污染。一般來(lái)說(shuō)，每升水硝酸鹽的含量不超過(guò)50mg是可以接受，但是對(duì)嬰兒來(lái)說(shuō)，這種含量水平還是非常危險(xiǎn)。 *，硝酸鹽作為肥料施加在農(nóng)田中，滲漏到地下，這是目前造成地下水和飲用水污染的主要原因。但是要快速檢測(cè)出這些物質(zhì)（主要是硝酸鹽）的含量和分布情況卻很難，盡管這些是精準(zhǔn)施肥和灌溉的關(guān)鍵。 由IFU研制出的方法能夠簡(jiǎn)單、可靠地通過(guò)測(cè)量硝化和反硝化反應(yīng)的總轉(zhuǎn)化率來(lái)分析和觀測(cè)土壤中N素的轉(zhuǎn)化過(guò)程。因能夠在24小時(shí)之內(nèi)得到結(jié)果，所以可將該方法應(yīng)用在*施肥上。 有了這種方法后，現(xiàn)在就可以通過(guò)科學(xué)合理地使用N素肥料來(lái)保護(hù)地下水。另外，獲得有關(guān)N素的轉(zhuǎn)化率的相關(guān)知識(shí)可以促進(jìn)對(duì)土壤中微生物所起的作用的進(jìn)一步了解。 二、土壤中硝化和反硝化 硝化反應(yīng)是土壤中等同與NH4+ 的NH3被氧化成NO3-的過(guò)程。反應(yīng)的*步是在單氨氧化酶的作用，將分子氧加到氨上面形成羥胺（H2NOH），第二步就是羥胺被氧化成亞硝酸鹽（NO2-），zui后是亞硝酸鹽（NO2-）被氧化成zui終產(chǎn)物硝酸鹽。 反硝化反應(yīng)是在厭氧條件下硝酸鹽逐步被還原成N2的過(guò)程。 （硝酸鹽 → 亞硝酸鹽 → NO → N2O → N2） 三、現(xiàn)有的檢測(cè)方法 硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)對(duì)于土壤中N素的循環(huán)有著非常重要的意義。硝化仍就是倍受關(guān)注的反應(yīng)，因?yàn)樗峭寥乐邢跛猁}逐漸產(chǎn)生的zui穩(wěn)定因素，而且是產(chǎn)生硝酸鹽的*可以量化的反應(yīng)。不過(guò)，直到現(xiàn)在，測(cè)定土壤中總硝化量的*方法仍是N15稀釋法。但是這個(gè)方法比較復(fù)雜，且耗財(cái)耗力。在做總轉(zhuǎn)化率測(cè)定時(shí)應(yīng)該說(shuō)明確切的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，在進(jìn)行單一反應(yīng)的凈轉(zhuǎn)化量測(cè)定時(shí)可以不用說(shuō)明反應(yīng)過(guò)程。 圖1 陸地生態(tài)系統(tǒng)中的N素循環(huán)和有關(guān)N素轉(zhuǎn)化相關(guān)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)的定義說(shuō)明 N15稀釋技術(shù) 這項(xiàng)技術(shù)是將帶有N15標(biāo)記的硝酸鹽施入到土壤中。接下來(lái)隨著時(shí)間的推移，由于硝化作用引起轉(zhuǎn)化就將N15逐步稀釋，這一變化是可以可以被檢測(cè)的。（N15稀釋法）（MOS1993，DAV1992）。但是N15本身以及檢測(cè)用的大型分光計(jì)使得本方法費(fèi)用昂貴（設(shè)備費(fèi)用、購(gòu)買標(biāo)記物質(zhì)、必要的重復(fù)測(cè)試、樣品的重新處理），另外還得考慮下列問(wèn)題： 1、應(yīng)該盡量地選擇結(jié)構(gòu)相似的土壤，以便標(biāo)記的硝酸鹽能夠均勻地分布。但是這樣就破壞了土壤的自然結(jié)構(gòu)。 2、加入的N15能促進(jìn)微生物的降解反應(yīng)，為了避免此類問(wèn)題，所以在兩天內(nèi)完成N15的測(cè)定。 凈轉(zhuǎn)化率測(cè)定法 因?yàn)槌杀镜脑颍蠖鄶?shù)研究N素循環(huán)的學(xué)者通常不測(cè)定有關(guān)的總硝化率，而僅僅檢測(cè)硝化反應(yīng)凈轉(zhuǎn)化率。凈轉(zhuǎn)化率能夠說(shuō)明硝酸鹽在土壤中的動(dòng)態(tài)變化。但是測(cè)定凈轉(zhuǎn)化率不是一個(gè)*的方法，它得不到任何有關(guān)總硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的結(jié)論（如硝化反應(yīng)中NH4+到NO3-的量的轉(zhuǎn)變）。 通常檢測(cè)硝化反應(yīng)凈轉(zhuǎn)化率是從監(jiān)測(cè)點(diǎn)取沒(méi)有樹(shù)根的土樣（為了防止樹(shù)根吸收銨鹽或者硝酸鹽，但是還有反硝化和微生物固氮作用）。然后，將土壤放在袋子里進(jìn)行孵化，通常為一個(gè)月。通過(guò)測(cè)定開(kāi)始培養(yǎng)和培養(yǎng)結(jié)束后NO3庫(kù)的大小就可以計(jì)算出凈量（P開(kāi)始—P一個(gè)月后=硝化反應(yīng)的凈量，與土壤干重相關(guān)連）。 抑制技術(shù) 抑制技術(shù)的應(yīng)用與示蹤氣體N2O和NO的產(chǎn)生和釋放相關(guān)聯(lián)，這兩種氣體和氣候都有關(guān)系，并且在硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)中都產(chǎn)生。反應(yīng)中主要產(chǎn)生了示蹤氣體，就是說(shuō)明發(fā)生了硝化和反硝化反應(yīng)。 常用的抑制劑是乙炔，在低濃度時(shí)，乙炔能夠抑制硝化反應(yīng)。測(cè)定抑制前后土壤釋放出來(lái)的N2O和NO釋放量的變化，就可以量化硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)的作用。 此法有以下弊端： 1. 有些硝化劑可能對(duì)抑制劑不敏感 2. 土樣中存在不明的乙炔（抑制不*） 3. 一些不明確的反映也可能產(chǎn)生N2O和NO，可能也被算做反硝化反應(yīng)了 測(cè)定土壤中的反硝化主要用抑制法和N15技術(shù)。抑制法是根據(jù)10％（體積比）的乙炔能夠抑制反硝化反應(yīng)中zui后的酶這個(gè)事實(shí)建立的。然而研究發(fā)現(xiàn)在有氧氣和高濃度的乙炔存在的條件下，NO能夠結(jié)合O2變成NO2，然后就變成亞硝酸鹽和硝酸鹽，這一步是不可計(jì)量的。自從1997年Bollmann和Conrad以及Mckenny和Drury發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)后，該項(xiàng)技術(shù)就沒(méi)有再被使用了。 BaPS IFU發(fā)明的BaPS技術(shù)是一個(gè)全新的測(cè)定土壤中硝化反應(yīng)總轉(zhuǎn)化率的技術(shù)。它有著N15技術(shù)和氣體抑制劑技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。 四、可測(cè)參數(shù) 在密封、充氣、有壓力的恒溫系統(tǒng)中放置著通氣良好的壤芯，通過(guò)像記錄O2和CO2的平衡一樣來(lái)記錄系統(tǒng)內(nèi)空氣壓力的改變，BaPS就可以測(cè)定下列參數(shù)： 1、即時(shí)的反硝化率、硝化率和土壤呼吸率 2、觀察某一特定時(shí)間微生物所起的作用（硝化（和）或反硝化） 3、通過(guò)觀測(cè)N2O釋放，能夠得出每個(gè)反應(yīng)在其中的所占的含量 五、測(cè)試方法介紹 在充氣的壓力體系中放進(jìn)土柱，土壤呼吸、硝化和反硝化這些微生物的活動(dòng)就會(huì)影響系統(tǒng)壓力的改變。頂部空間里的氣態(tài)CO2濃度和液相CO2濃度保持動(dòng)態(tài)平衡（ΔCO2aq/Δt）。 單一過(guò)程 土壤呼吸是一個(gè)凈氣體既不產(chǎn)生也不消耗的過(guò)程，也就是說(shuō)凈氣體產(chǎn)生量Δn/Δt=0，因?yàn)橄牡难鯕獾牧亢蜕傻?/span>CO2氣體量是相同的，所以呼吸系數(shù)等于1.0，這和在充氣良好的土壤上是一樣的。 硝化反應(yīng)使得系統(tǒng)里的壓力降低，因?yàn)槊?/span>mol銨需要消耗0.5mol分子氧，但是不產(chǎn)生任何氣體。 然而反硝化卻使系統(tǒng)里壓力增加，因?yàn)樵?/span>4mol硝酸根完成還原反應(yīng)后，除了產(chǎn)生N2外，還有2.5mol CO2氣體產(chǎn)生。 測(cè)量原理 在密封、充氣、有壓力的恒溫系統(tǒng)中放置著通氣良好的土樣，通過(guò)記錄系統(tǒng)中O2，CO2，氣壓、溫度等參數(shù)，即時(shí)得到硝化率、反硝化率和土壤呼吸率。 土壤呼吸是一個(gè)凈氣體既不產(chǎn)生也不消耗的過(guò)程，也就是說(shuō)凈氣體產(chǎn)生量Δn/Δt=0，因?yàn)橄牡难鯕獾牧亢蜕傻?/span>CO2氣體量是相同的，所以呼吸系數(shù)等于1.0，這和在充氣良好的土壤上是一樣的。 硝化反應(yīng)使得系統(tǒng)里的壓力降低，因?yàn)槊?/span>mol銨需要消耗0.5mol分子氧，但是不產(chǎn)生任何氣體。 然而反硝化卻使系統(tǒng)里壓力增加，因?yàn)樵?/span>4mol硝酸根完成還原反應(yīng)后，除了產(chǎn)生N2外，還有2.5mol CO2氣體產(chǎn)生。 如果發(fā)現(xiàn)凈壓力降低，那么系統(tǒng)中就發(fā)生了硝化反應(yīng)。同樣，如果壓力增加就說(shuō)明發(fā)生了反硝化反應(yīng)?？梢杂孟旅娴姆磻?yīng)式來(lái)描述上面的三個(gè)微生物反應(yīng)： a）土壤呼吸 CH2O+O2 CO2+H2O（壓力平衡） b）硝化反應(yīng) NH4++2O2 NO3-+H2O+2H+（壓力降低） c）反硝化反應(yīng) 5CH2O+4NO3-+4H+ 5CO2+7H2O+2N2（壓力增加） 土樣頂部的CO2濃度和O2濃度（隨意的N2O濃度）可以隨著系統(tǒng)壓力一起被檢測(cè)到。 通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)壓力的改變來(lái)確定4個(gè)反應(yīng)過(guò)程總的平衡。 將氧氣的平衡和二氧化碳的平衡合并，可以確定反硝化過(guò)程中產(chǎn)生的氣體氮化合物的分子式。 如果通過(guò)氣壓測(cè)得系統(tǒng)總氣體平衡不能被氧氣平衡和二氧化碳平衡來(lái)說(shuō)明的話（總氣體 平衡 氧氣平衡加二氧化碳平衡），那么平衡差就必須是在反硝化過(guò)程中產(chǎn)生的氣態(tài)氮化合物。 其中：VBS 代表土柱中氣體存留量 R 表示通用氣體常數(shù)（R=8.314JK-1mol-1） T 表示溫度[k] P（x） 表示時(shí)間X時(shí)的氣壓 索引：Den：反硝化；Nit硝化；Res呼吸；aq液相 逐步分解和替代后，得到總的公式： 逐步分解和替代后，得到總的公式： 因此，NxOy是氣體變化、二氧化碳變化和氧氣變化的差值?？梢酝ㄟ^(guò)反向平衡定量測(cè)得土壤呼吸和硝化反應(yīng)。 六、 系統(tǒng)組成 氣密測(cè)量室?guī)?/span>7個(gè)土樣環(huán) 測(cè)量蓋，帶O2傳感器、CO2傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器 恒溫水浴 軟件 取樣套件 七、基本技術(shù)指標(biāo) 測(cè)量范圍：CO2 ：0…3Vol％， 精度：+/- 2％ O2：15..21Vol％，精度：+/- 1％ 氣壓：800….1200hPa， 精度：+/-0.1％ 溫度：-30….70℃，精度: 0.1℃ DC50-K10冷卻水?。核ui大容積 3L 工作溫度： -10℃~150℃ 精度：+/- 0.01K 20℃冷卻能力：240W 加熱能力：230v：2kW DL30-V26/B 開(kāi)放式冷卻水?。核ui大容積：19---26L 水浴尺寸：（寬x長(zhǎng)x深）30x35x20cm 工作溫度范圍：-10℃~150℃ 精度：+/- 0.01K 20℃冷卻能力：240W 加熱能力：230v：2kW 氣密測(cè)量室: 100ml，40.5高，60mm直徑 或：100ml，51.0mm高，53mm直徑 或：250ml，50mm高，84mm直徑 取樣組件：BaPS 100-SC-3 取樣組件 （7個(gè)容積100ml，高51mm，53mmx50mm環(huán)刀） 或：BaPS 100-SC-3 取樣組件 （7個(gè)容積100ml，高40.5mm，60mmx56mm環(huán)刀） 或：BaPS 250 C-3 取樣組件 （3個(gè)容積250ml，高50mm，84mmx80mm環(huán)刀） 八、操作步驟 1、盛放土樣的容器可以放在實(shí)驗(yàn)室和取樣點(diǎn)，但放在采樣點(diǎn)。運(yùn)送用的容器是用沒(méi)有傳感器的蓋子密封，傳感器仍然放在實(shí)驗(yàn)室。乘放土樣的容器放在在冷藏容器中儲(chǔ)存。這樣當(dāng)返回實(shí)驗(yàn)室時(shí)就可以很快進(jìn)行測(cè)試工作了。 2、在實(shí)驗(yàn)中，將容器運(yùn)輸中用的蓋子換成帶有傳感器的蓋子。 3、打開(kāi)軟件 4、讀取配置參數(shù)，也可以根據(jù)需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。 5、因?yàn)槭窃诰€進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算，所以應(yīng)該在測(cè)試之前先測(cè)量容器頂部。 6、程序會(huì)確認(rèn)是否進(jìn)行了足夠的熱平衡調(diào)節(jié)。然后程序就開(kāi)始測(cè)試 7、在測(cè)試過(guò)程中，傳感器讀取和分析的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)圖表表示出來(lái)?？梢詫?duì)系統(tǒng)進(jìn)行*的控制。 8、測(cè)試工作會(huì)按照設(shè)置自動(dòng)結(jié)束，也可以人工停止 9、為了提高精確度，應(yīng)該在測(cè)試工作結(jié)束時(shí)用重量法測(cè)試土壤中的含水量，這樣，測(cè)量結(jié)果可以和土壤的干重相關(guān)。 10．借助幫助菜單的作用：自動(dòng)計(jì)算出硝化率率、反硝化率和土壤呼吸率 11．處理結(jié)果可以以ASCII文件輸出。另外可以打印包含所有信息、表格的檢測(cè)報(bào)告。 九、測(cè)量時(shí)間 測(cè)量時(shí)間和土壤類型以及溫度和濕度的這樣的參數(shù)有關(guān)。通常在5-10小時(shí)之間。 |
| 十、參考文獻(xiàn) [BOL 1997]土壤生物學(xué)和生物化學(xué)1067-1077 [DAV1992]美國(guó)生態(tài)學(xué)會(huì)球果森林土壤中硝酸鹽的內(nèi)循環(huán)。 [ING1999] 定量測(cè)定土壤中硝化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)和N2O源的新方法 產(chǎn)地：德國(guó) |
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