北京澳作生態儀器土壤氮循環監測系統
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人氣：3906 發布時間：2008-06-18 16:54 關鍵詞：其它 產品型號： 應用領域：電磁輻射 產品價格：面議 想了解更多產品詳情，請 |
適用于土壤中硝化和反硝化反應總轉化率的測定
一、序言：
BaPS是一種新的鑒定方法，用來檢測土壤中微生物的主要的碳、氮元素的轉化反應，而這些轉化反應中最主要的是硝化和反硝化反應。
硝化反應（SCHL 1992）是土壤中硝酸鹽逐漸產生的一個關鍵反應。到目前為止，唯一可用的檢測方法就是昂貴的N15庫稀釋法。
環境中硝酸鹽的含量很高，主要是因為它：
·作為肥料應用在農業生產上
·對地下水和飲用水帶來危害
在使用液體肥料時也會面對同樣的問題。
硝酸鹽及其分解物進入人體后對人體健康是有危害的。因此，必須防止嚴重的硝酸鹽污染，特別是對飲用水的污染。一般來說，每升水硝酸鹽的含量不超過50mg是可以接受，但是對嬰兒來說，這種含量水平還是非常危險。
眾所周知，硝酸鹽作為肥料施加在農田中，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。但是要快速檢測出這些物質（主要是硝酸鹽）的含量和分布情況卻很難，盡管這些是精準施肥和灌溉的關鍵。
由IFU最新研制出的方法能夠簡單、可靠地通過測量硝化和反硝化反應的總轉化率來分析和觀測土壤中N素的轉化過程。因能夠在24小時之內得到結果，所以可將該方法應用在推薦施肥上。
有了這種方法后，現在就可以通過科學合理地使用N素肥料來保護地下水。另外，獲得有關N素的轉化率的相關知識可以促進對土壤中微生物所起的作用的進一步了解。
二、土壤中硝化和反硝化
硝化反應是土壤中等同與NH4+ 的NH3被氧化成NO3-的過程。反應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-)被氧化成最終產物硝酸鹽。
反硝化反應是在厭氧條件下硝酸鹽逐步被還原成N2的過程。
(硝酸鹽 → 亞硝酸鹽 → NO → N2O → N2)
三、現有的檢測方法
硝化反應和反硝化反應對于土壤中N素的循環有著非常重要的意義。硝化仍就是倍受關注的反應，因為它是土壤中硝酸鹽逐漸產生的最穩定因素，而且是產生硝酸鹽的唯一可以量化的反應。不過，直到現在，測定土壤中總硝化量的唯一方法仍是N15稀釋法。 但是這個方法比較復雜，且耗財耗力。在做總轉化率測定時應該說明確切的轉化反應，在進行單一反應的凈轉化量測定時可以不用說明反應過程。
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| 圖1 陸地生態系統中的N素循環和有關N素轉化相關的專業術語的定義說明 |
N15稀釋技術
這項技術是將帶有N15標記的硝酸鹽施入到土壤中。接下來隨著時間的推移，由于硝化作用引起轉化就將N15逐步稀釋，這一變化是可以可以被檢測的。（N15稀釋法）（MOS1993，DAV1992）。但是N15本身以及檢測用的大型分光計使得本方法費用昂貴（設備費用、購買標記物質、必要的重復測試、樣品的重新處理），另外還得考慮下列問題：
1、應該盡量地選擇結構相似的土壤，以便標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構。
2、加入的N15能促進微生物的降解反應，為了避免此類問題，所以最好在兩天內完成N15的測定。
凈轉化率測定法
因為成本的原因，大多數研究N素循環的學者通常不測定有關的總硝化率，而僅僅檢測硝化反應凈轉化率。凈轉化率能夠說明硝酸鹽在土壤中的動態變化。但是測定凈轉化率不是一個完善的方法，它得不到任何有關總硝化反應轉化率的結論(如硝化反應中NH4+到NO3-的量的轉變)。
通常檢測硝化反應凈轉化率是從監測點取沒有樹根的土樣（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行孵化，通常為一個月。通過測定開始培養和培養結束后NO3庫的大小就可以計算出凈量（P開始—P一個月后=硝化反應的凈量，與土壤干重相關連）。
抑制技術
抑制技術的應用與示蹤氣體N2O和NO的產生和釋放相關聯，這兩種氣體和氣候都有關系，并且在硝化反應和反硝化反應中都產生。反應中主要產生了示蹤氣體，就是說明發生了硝化和反硝化反應。
常用的抑制劑是乙炔，在低濃度時，乙炔能夠抑制硝化反應。測定抑制前后土壤釋放出來的N2O和NO釋放量的變化，就可以量化硝化反應和反硝化反應的作用。
此法有以下弊端：
1. 有些硝化劑可能對抑制劑不敏感
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生N2O和NO，可能也被算做反硝化反應了
測定土壤中的反硝化主要用抑制法和N15技術。抑制法是根據10％（體積比）的乙炔能夠抑制反硝化反應中最后的酶這個事實建立的。然而最新研究發現在有氧氣和高濃度的乙炔存在的條件下，NO能夠結合O2變成NO2，然后就變成亞硝酸鹽和硝酸鹽，這一步是不可計量的。自從1997年Bollmann和Conrad以及Mckenny和Drury發表了這一發現后，該項技術就沒有再被使用了。
BaPSIFU發明的BaPS技術是一個全新的測定土壤中硝化反應總轉化率的技術。它有著N15技術和氣體抑制劑技術不可比擬的優勢。
四、可測參數
在密封、充氣、有壓力的恒溫系統中放置著通氣良好的壤芯，通過像記錄O2和CO2的平衡一樣來記錄系統內空氣壓力的改變，BaPS就可以測定下列參數：
1、即時的反硝化率、硝化率和土壤呼吸率
2、觀察某一特定時間微生物所起的作用(硝化(和)或反硝化)
3、通過觀測N2O釋放，能夠得出每個反應在其中的所占的含量
五、測試方法介紹
在充氣的壓力體系中放進土柱，土壤呼吸、硝化和反硝化這些微生物的活動就會影響系統壓力的改變。頂部空間里的氣態CO2濃度和液相CO2濃度保持動態平衡（ΔCO2aq/Δt）。
單一過程
土壤呼吸是一個凈氣體既不產生也不消耗的過程，也就是說凈氣體產生量Δn/Δt=0，因為消耗的氧氣的量和生成的CO2氣體量是相同的，所以呼吸系數等于1.0，這和在充氣良好的土壤上是一樣的。
硝化反應使得系統里的壓力降低，因為每mol銨需要消耗0.5mol分子氧，但是不產生任何氣體。
然而反硝化卻使系統里壓力增加，因為在4mol硝酸根完成還原反應后，除了產生N2外，還有2.5mol CO2氣體產生。
相關公式
如果發現凈壓力降低，那么系統中就發生了硝化反應。同樣，如果壓力增加就說明發生了反硝化反應。可以用下面的反應式來描述上面的三個微生物反應：
a)土壤呼吸：CH2O+O2→CO2+H2O（壓力平衡）
b）硝化反應：NH4++2O2→NO3-+H2O+2H+（壓力降低）
c)反硝化反應：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)可以隨著系統壓力一起被檢測到。
通過測試系統壓力的改變來確定4個反應過程總的平衡。
將氧氣的平衡和二氧化碳的平衡合并，可以確定反硝化過程中產生的氣體氮化合物的分子式。
如果通過氣壓測得系統總氣體平衡不能被氧氣平衡和二氧化碳平衡來說明的話（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程中產生的氣態氮化合物。
用下列不同的公式來區分這些：
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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（R=8.314JK-1mol-1）
T 表示溫度[k]
P(x) 表示時間X時的氣壓
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。可以通過反向平衡定量測得土壤呼吸和硝化反應。
六、BaPS的系統組成
盛放土樣的鋁制壓力容器
氧化鋁是做測量容器的絕好材料，因為它結合牢固且質量輕，這樣可以避免因為體積改變而造成的誤讀。這種材料具有良好的導熱性，可以使得系統內能夠迅速得到期望的反應溫度。鋁價格便宜且容易加工。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有小孔。這樣可以快速且可靠地檢測土壤中的氣體形成和轉化反應。簡易手通過快鎖和容器連接。通常盛放土樣的容器是高質量的不銹鋼作成的，可以修改尺寸。
帶有RS232接口的傳感頭
要獲取具有重復性好、準確的數據，就要用到高質量的傳感器。氧氣傳感器是獲得高精確度的關鍵，這就要求在一個氧氣量比較大（大約20％體積）的情況下，氧氣減少（大約1％體積）也要能被檢測得出。
傳感頭包括下列傳感器：
1） 氧氣傳感器（最好是一個ZrO2傳感器）
2） 雙紅外線二氧化碳傳感器
3） 檢測系統絕對壓力的抗壓傳感器
4） 精確度在±0.2K的2個溫度傳感器（頂部空間和土壤）
系統通過一個RS232連續的接口來讀取檢測數據。這樣就可以不需要任何額外的軟件而系統和各種類型的計算機連接。
帶接口電纜的視窗軟件
BaPS通過軟件來設置和操作，這些軟件可以進行所有的計算并控制反應。最主要的是可以獲取最精確的數據，而且界面友好。該軟件適用于WIN95、WIN和WINNT，還提供了詳細的在線幫助，操作起來可以更直觀。記錄數據可以存放在表格和圖表中。操作過程的簡單使得學生使用和培訓工作極為簡便。
通過輸入參數來設置有關的控制任務和配置。程序本身提供了默認參數值，這些數據是可以改變的。BaPS操作簡單，不需要任何軟件專業的背景，就是在進行一些特殊的應用和任務時也很容易修改參數。（該系統銷售時不包括電腦）
七、操作步驟
1、盛放土樣的容器可以放在實驗室和取樣點，但最好放在采樣點。運送用的容器是用沒有傳感器的蓋子密封，傳感器仍然放在實驗室。乘放土樣的容器放在在冷藏容器中儲存。這樣當返回實驗室時就可以很快進行測試工作了。
2、在實驗中，將容器運輸中用的蓋子換成帶有傳感器的蓋子。
3、打開軟件
4、讀取配置參數，也可以根據需要對參數進行調整。
5、因為是在線進行測量數據的計算，所以應該在測試之前先測量容器頂部。
6、程序會確認是否進行了足夠的熱平衡調節。然后程序就開始測試。
7、在測試過程中，傳感器讀取和分析的數據會通過圖表表示出來。可以對系統進行長期的控制。
8、測試工作會按照設置自動結束，也可以人工停止
9、為了提高精確度，應該在測試工作結束時用重量法測試土壤中的含水量，這樣，測量結果可以和土壤的干重相關。
10．借助幫助菜單的作用：自動計算出硝化率率、反硝化率和土壤呼吸率。
11．處理結果可以以ASCII文件輸出。另外可以打印包含所有信息、表格的檢測報告。
八、測量時間
測量時間和土壤類型以及溫度和濕度的這樣的參數有關。通常在5-10小時之間。
九、參考文獻
[BOL 1997]土壤生物學和生物化學1067-1077
[DAV1992]美國生態學會 球果森林土壤中硝酸鹽的內循環。
[ING1999] 定量測定土壤中硝化反應、反硝化反應和N2O源的新方法
[MOS1993]
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