基于BaPS系統(tǒng)的旱地土壤呼吸作用及其分量確定探討

一、序言：

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�是土壤中硝酸鹽逐漸產(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。

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�因，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)有樹根的土樣（為了防止樹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。

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（ΔCO_2aq/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�耗的氧氣的量和生成的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。

其中：V_BS 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：

因此，N_xO_y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

七、基本技術(shù)指標(biāo)

工作溫度： -10℃~150℃

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
[MOS1993]

產(chǎn)地：德國(guó)

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