CN105651895A - 一种土壤呼吸-硝化-反硝化速率原位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及原位测量土壤呼吸、硝化和反硝化速率的方法，属于生态系统技术领域。本发明通过构建一个内含原位土柱的封闭腔体，封闭腔体内土柱的截面积为S；分别测量得封闭腔体内N_xO_y、CO₂和O₂三种气体在Δt时间内的变化量，并分别标记为：ΔN_xO_y、ΔCO_2,total和ΔO_2,total，再通过公式分别计算得土壤单位面积的反硝化速率v_den、土壤单位面积的呼吸速率v_res和土壤单位面积的硝化速率v_nit。本发明可以实现在不扰动土壤和不控制温度的条件下，同时进行土壤呼吸、硝化和反硝化速率的原位灵活时间尺度、动态测量。

Description

一种土壤呼吸-硝化-反硝化速率原位测量方法

技术领域

本发明涉及土壤呼吸、硝化、反硝化速率的测量方法，特别涉及原位测量土壤呼吸、硝化和反硝化速率的方法，属于生态系统技术领域。

背景技术

通常，土壤呼吸过程、硝化过程、反硝化过程被认为是土壤环境中主要的三个生物化学过程。目前，土壤呼吸速率的测量方法主要有封闭式动态气室法、开放式动态气室法、封闭式静态气室法、气相色谱法等，能够满足原位测量的需要。硝化和反硝化速率的测量方法主要有总量平衡法、NO₃ ^-消耗法、微电极法、¹⁵N示踪法、BaPS技术等，能够满足同时测量硝化和反硝化速率的方法有¹⁵N示踪法、C₂H₂抑制法和BaPS技术。若能够原位同时测量土壤呼吸、硝化、反硝化速率，对于提升对土壤生物化学过程的认识具有重要意义，但原位测量的方法未见报道，因此亟需开发一种能够实现原位同时测量土壤呼吸、硝化、反硝化速率的方法。

发明内容

针对现有技术存在的不能同时原位测量土壤呼吸、硝化、反硝化速率的问题，本发明提出了一种可以实现在不扰动土壤情况下，同时进行土壤呼吸、硝化和反硝化速率的原位灵活时间尺度、动态测量的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

将底端为空的腔体插入土壤中，构建一个内含原位土柱的封闭腔体(封闭腔体内土柱的截面积为S；封闭腔体内的气体的体积为V)，在t₀时刻(第一次采集气体时间)将抽气针筒插入封闭腔体内，采集LmL气体，通过气相色谱测量得其中N_xO_y浓度为N_xO_y,1、CO₂浓度为CO_2,1和O₂浓度为O_2,1；在t₁时刻(第二次采集气体时间)，即间隔Δt时间(Δt＝t₁-t₀)后，再次抽取同等体积的气体，并再次通过气相色谱测量得其中N_xO_y的浓度为N_xO_y,2、CO₂浓度为CO_2,2和O₂浓度为O_2,2。

将N_xO_y、CO₂和O₂三种气体在Δt时间内的变化量分别标记为：ΔN_xO_y、ΔCO_2,total和ΔO_2,total，其中：

${\mathrm{\ΔN}}_x{O}_y=\frac{(N{x}_{}{O}_{y,2}-N_x{O}_{y,1})\×V}{L}$ 公式(1)

${\mathrm{\ΔCO}}_{2,total}=\frac{({\mathrm{CO}}_{2,2}-{\mathrm{CO}}_{2,1})\×V}{L}$ 公式(2)

${\mathrm{\ΔO}}_{2,total}=\frac{(O_{2,2}-O_{2,1})\×V}{L}$ 公式(3)

故：

1.土壤反硝化速率

土壤单位面积的反硝化速率v_den为：

$v_{den}=\frac{{\mathrm{\ΔM}}_x{O}_y}{\mathrm{\Δ}t\×S}$ 公式(4)

2.土壤呼吸速率

土壤的反硝化过程为：

(一)

基于式(一)和ΔN_xO_y，可计算Δt时间内反硝化过程中产生的CO₂的量，即，在Δt时间内产生的CO_2,den的量为：

${\mathrm{\ΔCO}}_{2,den}=\frac{5}{2}{\mathrm{\ΔN}}_x{O}_y$ 公式(5)

同时，由于ΔCO_2,total为反硝化过程产生的ΔCO_2,den量与土壤呼吸产生的ΔCO_2,res量之和，故Δt时间内土壤呼吸过程产生的CO₂量为：

${\mathrm{\ΔCO}}_{2,res}={\mathrm{\ΔCO}}_{2,total}-{\mathrm{\ΔCO}}_{2,den}={\mathrm{\ΔCO}}_{2,total}-\frac{5}{2}{\mathrm{\ΔN}}_x{O}_y$ 公式(6)

而土壤呼吸化学过程如式(二)所示：

CH₂O+O_2,res→CO_2,res+H₂O(二)

则，土壤单位面积的呼吸速率v_res可以表示为：

$v_{res}=\frac{{\mathrm{\ΔCO}}_{2,total}-\frac{5}{2}{\mathrm{\ΔN}}_x{O}_y}{\mathrm{\Δ}t\×S}$ 公式(7)

3.土壤硝化速率

由于O₂的消耗主要涉及土壤呼吸过程耗氧和土壤硝化过程耗氧，且由式(二)可知，土壤呼吸过程在Δt时间内的耗氧量O_2,res为：

${\mathrm{\ΔO}}_{2,res}={\mathrm{\ΔCO}}_{2,res}={\mathrm{\ΔCO}}_{2,total}-\frac{5}{2}{\mathrm{\ΔN}}_x{O}_y$ 公式(8)

故土壤硝化过程在Δt时间内的耗氧量O_2,nit可表示为：

${\mathrm{\ΔO}}_{2,nit}={\mathrm{\ΔO}}_{2,total}-{\mathrm{\ΔO}}_{2,res}={\mathrm{\ΔO}}_{2,total}-({\mathrm{\ΔCO}}_{2total}-\mathrm{\Δ}\frac{5}{2}{\mathrm{\ΔN}}_x{O}_y)$ 公式(9)

而土壤硝化过程如式(三)所示：

(三)

则土壤单位面积的硝化速率v_nit为：

$v_{nit}=\frac{\frac{1}{2}\[{\mathrm{\ΔO}}_{2,total}-({\mathrm{\ΔCO}}_{2,total}-\frac{5}{2}{\mathrm{\ΔN}}_x{O}_y)\]}{\mathrm{\Δ}t\×S}$ 公式(10)

前述封闭腔体中气体的体积V可采用以下方法来计算：

在封闭腔体内，测量t时刻腔体内的压强、温度值，记为：P₀、T₀；然后快速将抽气针筒插入封闭腔体内，快速抽取LmL气体，并记录此时封闭腔体内的压强、温度值，分别记为：P₁、T₁。

PV＝NRT(11)

其中，P为压强，单位为Pa；V为体积，单位为m³；N为封闭腔体内气体的摩尔量，单位为mol；R为理想气体常数，数值为8.31J·mol^-1·K^-1；T为绝对温度，单位为K。

由(11)式可得：

P₀V＝NRT₀(12)

P₁(V+L)＝NRT₁(13)

由式(12)、(13)可得：

$\frac{P_{0}V}{P_1(V+L)}=\frac{T_0}{T_1}---\left(14\right)$

则封闭腔体内气体的体积V为：

$V=\frac{P_1{T}_{0}L}{P_0{T}_1-P_1{T}_0}---\left(15\right)$

上述封闭腔体的构建：可采用一个底端开口、腔体内安放有压强传感器、温度传感器、二氧化碳浓度传感器、氧气浓度传感器的桶形或其他形状的测量装置，传感器均与电脑连接，便于实时读取、记录封闭腔体内的压强、温度、二氧化碳、氧气等数据的变化，装置结构可参见专利2015204617320；将开口端直接插入土壤中后不动，土壤作为开口底端的封闭物将装置封闭后形成一个封闭腔体，所以腔体内土柱的截面积即是装置底端开口的面积。

目前的其他方法中，土壤呼吸速率的测量方法能够满足原位连续、动态监测的需要；BaPS技术在室内控制温度条件下能够同时连续、动态测量土壤呼吸、硝化、反硝化速率。本发明所提供的方法最大的优势是：

(1)可以实现在不扰动土壤和不控制温度的条件下，同时进行土壤呼吸、硝化和反硝化速率的原位灵活时间尺度、动态测量；

(2)本方法有效地克服了土壤硝化和反硝化速率室内或原位培养测量方法(如：总量平衡法、C₂H₂抑制法等)仅能得到较长一段时间内氮矿化速率平均值或者土壤硝化和反硝化速率的平均值这一不足；

(3)本方法将土壤反硝化过程产生的CO₂量和土壤呼吸过程产生的CO₂量从总的CO₂产生量中分离出来，比现有的土壤呼吸速率测量方法更精确地测量了土壤呼吸速率。

附图说明

图1是原位测定系统各种速率计算关系示意图。箭头指向化学式，表示产生气体；箭头指向化学式相反方向表示消耗；大括号表示合计关系。

具体实施方式

在稻田中构建一个内含有原位土柱的封闭腔体，封闭腔体内土柱的截面积为314.16cm²。

在2015年8月25日14时23分将抽气针筒插入封闭腔体内，测量得腔体内的压强为91070Pa、温度为27.62℃，然后迅速快速抽取10ml气体，测得此时封闭腔体内的压强为90039Pa、温度为27.62℃。由式(15)计算得到封闭腔体中气体的体积V＝873.26ml。

将在2015年8月25日14时23分抽取的10ml气体通过气相色谱测量得其中：

N_xO_y浓度为1.49×10^-4mol·m^-3；

CO₂浓度为0.058mol·m^-3；

O₂浓度为7.49mol·m^-3。

在2015年8月25日15时23分，即间隔1小时后，再次从腔体中抽取10ml气体，并再次通过气相色谱测量得其中：

N_xO_y的浓度为2.42×10^-4mol·m^-3；

CO₂浓度为0.066mol·m^-3；

O₂浓度为7.48mol·m^-3。

根据公式(1)可得，1小时内，N_xO_y产生的量ΔN_xO_y为8.06×10^-8mol；

根据公式(2)可得，1小时内，CO₂产生的量ΔCO_2,total为6.55×10^-6mol；

根据公式(3)可得，1小时内，O₂消耗的量ΔO_2,total为7.07×10^-6mol。

因此，由公式(4)可得土壤单位面积的反硝化速率v_den为3.59×10^-5g(N)·m^-2·h^-1；

由公式(7)可得土壤单位面积的呼吸速率v_res为2.43×10^-3g(C)·m^-2·h^-1；

由公式(10)可得土壤单位面积的硝化速率v_nit为1.62×10^-4g(N)·m^-2·h^-1。

Claims (4)

1.一种土壤反硝化速率原位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)构建一个内含原位土柱的封闭腔体，封闭腔体中气体的体积为V，土柱的截面积为S；将抽气针筒插入封闭腔体内，抽取LmL气体，通过气相色谱测量其中N_xO_y浓度、CO₂浓度和O₂浓度分别为N_xO_y,1、CO_2,1和O_2,1，间隔Δt时间后，再次抽取同等体积的气体，并再次通过气相色谱测量其中N_xO_y的浓度、CO₂浓度和O₂浓度分别为N_xO_y,2、CO_2,2和O_2,2；

(b)将三种气体在Δt时间内变化的量分别标记为：ΔN_xO_y、ΔCO_2,total和ΔO_2,total，根据以下公式可计算得到：

${\mathrm{\ΔN}}_x{O}_y=\frac{(N_x{O}_{y,2}-N_x{O}_{y,1})\×V}{L}$

${\mathrm{\ΔCO}}_{2,total}=\frac{({\mathrm{CO}}_{2,2}-{\mathrm{CO}}_{2,1})\×V}{L}$

${\mathrm{\ΔO}}_{2,total}=\frac{(O_{2,2}-O_{2,1})\×V}{L}$

(c)根据下式计算土壤单位面积的反硝化速率v_den：

$v_{den}=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_x{O}_y}{\mathrm{\Δ}t\×S}.$

2.一种土壤呼吸速率原位测量方法，其特征在于，在权利要求1的步骤(b)之后，根据下式计算土壤单位面积的呼吸速率v_res：

$v_{res}=\frac{{\mathrm{\ΔCO}}_{2,total}-\frac{5}{2}{\mathrm{\ΔN}}_x{O}_y}{\mathrm{\Δ}t\×S}.$

3.一种土壤硝化速率原位测量方法，其特征在于，在权利要求1的步骤(b)之后，根据下式计算土壤单位面积的硝化速率v_nit：

$v_{nit}=\frac{\frac{1}{2}\[{\mathrm{\ΔO}}_{2,total}-({\mathrm{\ΔCO}}_{2,total}-\frac{5}{2}{\mathrm{\ΔN}}_x{O}_y)\]}{\mathrm{\Δ}t\×S}.$

4.一种土壤呼吸-硝化-反硝化速率原位测量方法，其特征在于：权利要求1-3中分别所述的封闭腔体内土壤的反硝化速率v_den、土壤呼吸速率v_res和硝化速率v_nit在同一个时间间隔内测量和计算完成。