北京澳作生態(tài)儀器土壤氮循環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
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人氣：3685 發(fā)布時(shí)間：2008-06-18 16:54 關(guān)鍵詞：其它 產(chǎn)品型號(hào)： 應(yīng)用領(lǐng)域：電磁輻射 產(chǎn)品價(jià)格：面議 想了解更多產(chǎn)品詳情，請(qǐng) |
適用于土壤中硝化和反硝化反應(yīng)總轉(zhuǎn)化率的測(cè)定
一、序言：
BaPS是一種新的鑒定方法，用來(lái)檢測(cè)土壤中微生物的主要的碳、氮元素的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，而這些轉(zhuǎn)化反應(yīng)中最主要的是硝化和反硝化反應(yīng)。
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，唯一可用的檢測(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?/p>
·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)。
眾所周知，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最新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)用在推薦施肥上。
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)的第一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-)，最后是亞硝酸鹽(NO2-)被氧化成最終產(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)生的最穩(wěn)定因素，而且是產(chǎn)生硝酸鹽的唯一可以量化的反應(yīng)。不過(guò)，直到現(xiàn)在，測(cè)定土壤中總硝化量的唯一方法仍是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。
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| 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，所以最好在兩天內(nèi)完成N15的測(cè)定。
凈轉(zhuǎn)化率測(cè)定法
因?yàn)槌杀镜脑，大多?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)完善的方法，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（抑制不完全）
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)中最后的酶這個(gè)事實(shí)建立的。然而最新研究發(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。
BaPSIFU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腃O2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)槊縨ol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?mol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。
相關(guān)公式
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)。可以用下面的反應(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。
用下列不同的公式來(lái)區(qū)分這些：
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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：
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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、BaPS的系統(tǒng)組成
盛放土樣的鋁制壓力容器
氧化鋁是做測(cè)量容器的絕好材料，因?yàn)樗Y(jié)合牢固且質(zhì)量輕，這樣可以避免因?yàn)轶w積改變而造成的誤讀。這種材料具有良好的導(dǎo)熱性，可以使得系統(tǒng)內(nèi)能夠迅速得到期望的反應(yīng)溫度。鋁價(jià)格便宜且容易加工。尺寸：直徑220毫米，高100毫米。
為了保證土壤頂部空間和土樣體積的理想比例（大約1:2），盛放容器的土壤取樣環(huán)有小孔。這樣可以快速且可靠地檢測(cè)土壤中的氣體形成和轉(zhuǎn)化反應(yīng)。簡(jiǎn)易手通過(guò)快鎖和容器連接。通常盛放土樣的容器是高質(zhì)量的不銹鋼作成的，可以修改尺寸。
帶有RS232接口的傳感頭
要獲取具有重復(fù)性好、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，就要用到高質(zhì)量的傳感器。氧氣傳感器是獲得高精確度的關(guān)鍵，這就要求在一個(gè)氧氣量比較大（大約20％體積）的情況下，氧氣減少（大約1％體積）也要能被檢測(cè)得出。
傳感頭包括下列傳感器：
1） 氧氣傳感器（最好是一個(gè)ZrO2傳感器）
2） 雙紅外線二氧化碳傳感器
3） 檢測(cè)系統(tǒng)絕對(duì)壓力的抗壓傳感器
4） 精確度在±0.2K的2個(gè)溫度傳感器（頂部空間和土壤）
系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)RS232連續(xù)的接口來(lái)讀取檢測(cè)數(shù)據(jù)。這樣就可以不需要任何額外的軟件而系統(tǒng)和各種類型的計(jì)算機(jī)連接。
帶接口電纜的視窗軟件
BaPS通過(guò)軟件來(lái)設(shè)置和操作，這些軟件可以進(jìn)行所有的計(jì)算并控制反應(yīng)。最主要的是可以獲取最精確的數(shù)據(jù)，而且界面友好。該軟件適用于WIN95、WIN和WINNT，還提供了詳細(xì)的在線幫助，操作起來(lái)可以更直觀。記錄數(shù)據(jù)可以存放在表格和圖表中。操作過(guò)程的簡(jiǎn)單使得學(xué)生使用和培訓(xùn)工作極為簡(jiǎn)便。
通過(guò)輸入?yún)?shù)來(lái)設(shè)置有關(guān)的控制任務(wù)和配置。程序本身提供了默認(rèn)參數(shù)值，這些數(shù)據(jù)是可以改變的。BaPS操作簡(jiǎn)單，不需要任何軟件專業(yè)的背景，就是在進(jìn)行一些特殊的應(yīng)用和任務(wù)時(shí)也很容易修改參數(shù)。（該系統(tǒng)銷售時(shí)不包括電腦）
七、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)，但最好放在采樣點(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)行長(zhǎng)期的控制。
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。
八、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。
九、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
[MOS1993]
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