测定氧化亚氮在土壤中扩散与还原过程的方法及装置

摘要

本发明涉及一种测定氧化亚氮在土壤中扩散与还原过程的方法和装置，方法包括如下步骤：A、土柱样品装填；B、预培养；C、样品测定：预培养试验结束后，在两套装填的土柱样品中分别通过充气系统注入N

说明书

技术领域

本发明涉及一种测定氧化亚氮在土壤中扩散与还原过程的方法及装置，属于精准农业配套试验技术领域。

背景技术

氧化亚氮（N₂O）是重要温室气体之一，土壤是大气氧化亚氮的重要排放源，土壤N₂O排放取决于土壤中生成N₂O的扩散及扩散过程中的还原强度。但是，国内外土壤N₂O排放研究大多利用静态箱式法测定土壤表层，对土壤中生成的N₂O的扩散与还原过程以及下层土壤产生的N₂O对表层排放的贡献方面的研究非常薄弱，主要原因在于没有找到一种合适的方法来定量测定N₂O在土壤中的扩散及其扩散过程中的还原强度。

大量研究表明，过量施肥已造成农田深层土体蓄积大量N₂O，这部分蓄积的N₂O是否对表层排放有贡献、其贡献度多大仍不清楚。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够定量测定N₂O气体在土壤中的扩散与还原强度的方法和装置，可以定量下层土壤中产生的N₂O的去向以及对表层排放的贡献度。为了以上目的，本发明提供了一种能够定量测定N₂O气体在土壤中的扩散与还原强度的装置。

本发明的技术方案是这样实现的：这种测定氧化亚氮在土壤中扩散与还原过程的方法，包括如下步骤：

A、土柱样品装填：取混匀后的风干土，装罐前先测定风干土水分含量，然后按田间土壤容重与培养罐体积折算所需土重，土壤称重后分层进行装填，土柱样装填的上表面至培养罐上边缘5cm；

B、预培养：将土壤水分调节至孔隙含水量为40%，以激活土壤微生物活性，期间不连接充气瓶，只是每天下午14:00时定期采气，测定土壤N₂O排放通量；前后两天测定值在统计学上不存在显著差异即可结束预培养；

C、样品测定：预培养试验结束后，在两套装填的土柱样品中分别通过充气系统注入N₂O或作为对照试验的N₂气体，监测充气后土壤表层的N₂O排放通量，定量N₂O扩散与还原量；待N₂O排放通量恒定后，结束采气；

D、N₂O残留量测定：

D-1、测定充气瓶和硅胶管中N₂O残留量；

D-2、测定土壤孔隙中残留N₂O量；

D-3、计算N₂O扩散与还原量。

所述的测定氧化亚氮在土壤中扩散与还原过程的方法，步骤B所述预培养的采气方法是：在培养罐封闭情况下，按照0，10，20，30，40分钟时利用采气注射器通过采气孔采集20ml气体，作为待测样测定N₂O浓度，采气时同时记录温度计读数。

所述的测定氧化亚氮在土壤中扩散与还原过程的方法，步骤B所述预培养测定N₂O浓度方法是：所采气体于当天用安捷伦6820型气相色谱仪进行测定；N₂O排放通量计算：根据不同时段采集气样的N₂O浓度梯度、培养罐采气空间体积及采气时温度计算N₂O排放通量：

$>F=\frac{\mathrm{dm}}{A·\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{dc}·\mathrm{V\rho }}{A·\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{MPh}}{\mathrm{RT}}·\frac{\mathrm{dc}}{\mathrm{dt}}$>         式Ⅰ，

式中，F为气体排放通量mg·m^-2·h^-1，_ρ为气体密度，R为气体常数，dm、和dc分别为dt时间内密闭采气室内气体质量和浓度的变化，h、A、V分别为采气室高度、底面积和体积，M为气体分子量，T为采气室内绝对温度，P为采气室内气压，通常为1个大气压。

所述的测定氧化亚氮在土壤中扩散与还原过程的方法，步骤C所述样品测定具体方法如下：

C-1、外接充气瓶：预培养试验结束后，连接充气瓶，连接前，首先将充气瓶通过三通开关用真空泵抽真空，然后用氮气洗涤，如此操作3次，最终充入氮气，然后将充气瓶通过连接管连接到培养罐上；连接时三通均处于关闭状态，待连接好后，打开连接培养罐与充气瓶的三通，使充气系统处于密闭的连续状态；

C-2、充气：预培养土柱一式两份，一份利用注射器向充气瓶注入已知浓度的N₂O气体，另一份注入等量的纯N₂气体作为对照；试验开始的第一天分别于8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00、20:00时注气，共注入7次气体；第二天，分别于8:00、12:00、16:00、20:00时注气，共注入4次气体；以后每天于8:00、20:00时注气，共注入2次气体，每次注气量为5ml；试验持续至N₂O排放通量稳定为止，试验过程中记录充入N₂O气体总量，以T_N2O表示；

C-3、N₂O排放通量监测：每天于下午14:00时采气、测定N₂O浓度、计算其排放通量，具体采气方法、N₂O浓度测定方法和通量计算方法如B步骤所述,待步骤C-3的N₂O排放通量恒定后，结束采气。

所述的测定氧化亚氮在土壤中扩散与还原过程的方法，步骤D所述N₂O残留量测定具体方法如下：

D-1、测定充气瓶和硅胶管中N₂O残留量：测定前，首先关闭充气瓶与硅胶管连接的三通，使充气瓶和硅胶管断开，但要保证两部分仍处于密闭状态，用50ml注射器通过三通分别从充气瓶和硅胶管中采集20ml气体，利用气相色谱仪测定N₂O浓度，根据充气瓶和硅胶管体积及N₂O浓度计算其内N₂O含量，分别用S_bottle和S_tube表示；

D-2、测定土壤孔隙中残留N₂O量：用体积为100cm³的环刀采集培养罐原状土柱样，迅速转移至500ml可以密闭、盖上具有采气孔的振荡瓶中，转移过程中动作要迅速、尽量使土壤保持原状，避免土壤孔隙中的空气与外界空气进行交换；土壤转移至振荡瓶中后，迅速将瓶密闭，上振荡机振荡1小时，用注射器采集20ml瓶内气体，利用气相色谱仪分析N₂O浓度，振荡时，同步放3个未加土壤的振荡瓶振荡，测定其瓶内N₂O浓度，以此作为空白，计算土柱内残留N₂O量；测定土柱中N₂O残留量时，同步利用烘干法测定土壤水分含量；土壤孔隙中N₂O残留量计算方法如式Ⅴ：

S₁₀₀＝(C₁-C₀)×(V-V_S100-V_W100)               式Ⅱ，

式Ⅱ中：S₁₀₀为用100cm³环刀所采土壤中N₂O含量mg，C₁为加入土壤的振荡瓶中N₂O浓度mg/L，C₂为未加土壤的振荡瓶中N₂O浓度mg/L，V为振荡瓶体积L，V_S100为所采100cm3土壤中土粒体积L，V_W100为所采100cm3土壤中土壤水分所占体积L；

$>S_{\mathrm{soil}}=S_{100}\times \frac{V_{\mathrm{Soil}}}{100}$>            式Ⅲ，

式Ⅲ中：S_soil为培养罐土柱样中N₂O残留量mg，S₁₀₀为用100cm³环刀所采土壤中N₂O含量mg，V_soil为培养土柱体积cm³，100为用环刀所采土壤体积，为培养土柱体积对环刀所采土壤体积的倍数；

S＝S_bottle+S_tube+S_soil                    式Ⅳ

式Ⅳ中：S为充气瓶、硅胶管和培养土柱中N₂O残留总量mg，S_bottle、S_tube和S_soil分别代表充气瓶、硅胶管和培养土柱样中N₂O残留量mg；

样品残留总量S与充N₂处理对照试验的充气瓶、硅胶管和培养土柱中N₂O残留总量之差代表充入N₂O气体引起的残留量，以ΔS表示；

D-3、N₂O扩散与还原量计算：对于充入N₂气体的对照试验土柱，测得的表层N₂O排放通量代表土壤本身硝化反硝化过程排放的N₂O通量F_N2；对于充入N₂O气体的土柱，测得的表层N₂O排放通量代表土壤本身硝化反硝化过程排放的N₂O通量和充入的N₂O气体在土柱中扩散至表层的N₂O之和F_N2O；充入N₂O和N₂处理测得的N₂O排放总量之差代表充入N₂O从土柱底部扩散至表层的扩散总量D；充入N₂O气体在从土柱底部向上扩散过程中会不断被土壤微生物还原，充入N₂O总量T_N2O减去充入N₂O气体引起的扩散总量D和残留量ΔS即代表扩散过程中的还原量R，还原量占充入N₂O总量的份额代表N₂O还原率P；N₂O扩散量D、还原量R及还原率P计算方法分别见如以下公式Ⅴ、ⅤⅠ、ⅤⅡ：

$>D=\Sigma F_{N_{2}O}-\Sigma F_{N_2}$>               式Ⅴ，

$>R=T_{N_{2}O}-D-\mathrm{\Delta S}$>                 式ⅤⅠ，

$>P=\frac{R}{T_{N_{2}O}}$>                      式ⅤⅡ，

式中分别代表充入N₂气体的土柱和充入N₂O气体的土柱N₂O排放总量，其它各个参数的物理意义如上所述。

所述测定氧化亚氮在土壤中扩散与还原过程的方法使用的装置，由一个设置有充气系统和采气系统的圆柱形密闭土壤培养罐构成，设置于培养罐底部的硅胶管与设置于培养罐底部侧壁的连接管、充气瓶形成一个封闭的充气系统；设置于密闭培养罐上面的注射器与密闭培养罐形成采气系统。

所述测定氧化亚氮在土壤中扩散与还原过程的方法使用的装置，所述的培养罐上口为盘式水封结构，密封盖扣在盘式水封槽内。

所述测定氧化亚氮在土壤中扩散与还原过程的方法使用的装置，所述的培养罐密封盖顶部设置有两个小孔，一个用于插放温度计，一个设置三通与采气用注射器连接。

所述测定氧化亚氮在土壤中扩散与还原过程的方法使用的装置，所述的充气系统是在培养罐底部侧壁上设置两个快速接口，接口内端与培养罐内底部盘放的硅胶管连接，快速接口外端通过三通、连接管与充气瓶连接，充气瓶口另一三通与充气用注射器连接。

本发明测定氧化亚氮在土壤中扩散与还原过程的方法和装置，对于深入研究下层土壤蓄积N₂O的扩散过程与还原机制，定量土体中N₂O的去向及其与环境因素间的数量关系有重要意义。可为制定强化N₂O还原强度、减少N₂O排放的农业管理措施提供依据，为精确评估下层土壤对农田N₂O排放的贡献提供科学参数。

附图说明

图1为本发明测定装置的结构示意图

图中：1、采气用注射器，2、温度计，3、三通，4、采气孔，5、密封盖，6、盘式水封槽，7、水封，8、培养罐，9、三通，10、充气用注射器11、连接管，12、充气瓶，13、快速接口，14，硅胶管

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步说明。

A、土柱样品装填：取混匀后的风干土，装罐前先测定风干土水分含量，然后按田间土壤容重与培养罐体积折算所需土重，土壤称重后分层进行装填，土柱样装填的上表面至培养罐（8）上边缘5cm；

B、预培养：将土壤水分调节至孔隙含水量为40%，以激活土壤微生物活性，期间不连接充气瓶，只是每天下午14:00时定期采气，测定土壤N₂O排放通量；前后两天测定值在统计学上不存在显著差异即可结束预培养；刚刚加水时，N₂O排放值波动比较大，逐渐升高，随着培养时间延长，N2O值升高趋势变慢，直至平稳，通常一周即可。

步骤B所述预培养的采气方法是：采气前将密封盖（采气孔上的三通处于封闭状态）放在水封槽内，注水形成水封，使罐内与外部环境隔绝。密封盖盖上后，按照0，10，20，30，40分钟时利用采气注射器（1）通过采气孔采集20ml气体，作为待测样测定N₂O浓度，采气时同时记录温度计读数。

步骤B所述预培养测定N₂O浓度方法是：所采气体于当天用安捷伦6820型气相色谱仪进行测定；N₂O排放通量计算：根据不同时段采集气样的N₂O浓度梯度、培养罐采气空间体积及采气时温度计算N₂O排放通量：

$>F=\frac{\mathrm{dm}}{A·\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{dc}·\mathrm{V\rho }}{A·\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{MPh}}{\mathrm{RT}}·\frac{\mathrm{dc}}{\mathrm{dt}}$>            式Ⅰ，

式中，F为气体排放通量mg·m^-2·h^-1，ρ为气体密度，R为气体常数，dm、和dc分别为dt时间内密闭采气室内气体质量和浓度的变化，h、A、V分别为采气室高度、底面积和体积，M为气体分子量，T为采气室内绝对温度，P为采气室内气压，通常为1个大气压。

气相色谱仪检测器为电子捕获检测器，色谱分离柱4m×4mm，填充PorapackQ（80～100目），柱温70℃，检测器温度300℃，高纯氮（99.999%）为载气，流速20ml/min，气体进样量2ml。

C、样品测定：预培养试验结束后，在两套装填的土柱样品中分别通过充气系统注入N₂O或作为对照试验的N₂气体，待N₂O排放通量恒定后，结束采气；监测充气后土壤表层的N₂O排放通量，定量N₂O扩散与还原量，具体方法如下：

C-1、外接充气瓶：预培养试验结束后，连接充气瓶12，连接前，首先将充气瓶通过三通开关用真空泵抽真空，然后用氮气洗涤，如此操作3次，最终充入氮气，然后将充气瓶12通过特氟龙连接管连接到培养罐上；连接时三通均处于关闭状态，待连接好后，打开连接培养罐与充气瓶的三通，使充气系统处于密闭的连续状态；

C-2、充气：预培养土柱一式两份，一份利用注射器向充气瓶注入已知浓度的N₂O气体，另一份注入等量的纯N₂气体作为对照；试验开始的第一天分别于8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00、20:00时注气，共注入7次气体；第二天，分别于8:00、12:00、16:00、20:00时注气，共注入4次气体；以后每天于8:00、20:00时注气，共注入2次气体，每次注气量为5ml；试验持续至N₂O排放通量稳定为止，试验过程中记录充入N₂O气体总量，以T_N2O表示；

C-3、N₂O排放通量监测：每天于下午14:00时采气、测定N₂O浓度、计算其排放通量，具体采气方法、N₂O浓度测定方法和通量计算方法如B步骤所述,待步骤C-3的N₂O排放通量恒定后，结束采气。

D、N₂O残留量测定：D-1、测定充气瓶和硅胶管中N₂O残留量：测定前，首先关闭充气瓶与硅胶管连接的三通（9），使充气瓶和硅胶管断开，但要保证两部分仍处于密闭状态，用50ml注射器通过三通分别从充气瓶和硅胶管中采集20ml气体，利用气相色谱仪测定N₂O浓度，根据充气瓶和硅胶管体积及N₂O浓度计算其内N₂O含量，分别用S_bottle和S_tube表示；

D-2、测定土壤孔隙中残留N₂O量：用体积为100cm³的环刀采集培养罐（8）原状土柱样，迅速转移至500ml可以密闭、盖上具有采气孔的振荡瓶中，转移过程中动作要迅速、尽量使土壤保持原状，避免土壤孔隙中的空气与外界空气进行交换；土壤转移至振荡瓶中后，迅速将瓶密闭，上振荡机振荡1小时，用注射器采集20ml瓶内气体，利用气相色谱仪分析N₂O浓度，振荡时，同步放3个未加土壤的振荡瓶振荡，测定其瓶内N₂O浓度，以此作为空白，计算土柱内残留N₂O量；测定土柱中N₂O残留量时，同步利用烘干法测定土壤水分含量；土壤孔隙中N₂O残留量计算方法如式Ⅴ：

S₁₀₀＝(C₁-C₀)×(V-V_S100-V_W100)                 式Ⅱ，

式Ⅱ中：S₁₀₀为用100cm³环刀所采土壤中N₂O含量mg，C₁为加入土壤的振荡瓶中N₂O浓度mg/L，C₂为未加土壤的振荡瓶中N₂O浓度mg/L，V为振荡瓶体积L，V_S100为所采100cm3土壤中土粒体积L，V_W100为所采100cm3土壤中土壤水分所占体积L；

$>S_{\mathrm{soil}}=S_{100}\times \frac{V_{\mathrm{Soil}}}{100}$>式Ⅲ，

式Ⅲ中：S_soil为培养罐土柱样中N₂O残留量mg，S₁₀₀为用100cm³环刀所采土壤中N₂O含量mg，V_soil为培养土柱体积cm³，100为用环刀所采土壤体积，为培养土柱体积对环刀所采土壤体积的倍数；

S＝S_bottle+S_tube+S_soil                       式Ⅳ

式Ⅳ中：S为充气瓶、硅胶管和培养土柱中N₂O残留总量mg，S_bottle、S_tube和S_soil分别代表充气瓶、硅胶管和培养土柱样中N₂O残留量mg；

样品残留总量S与充N₂处理对照试验的充气瓶、硅胶管和培养土柱中N₂O残留总量之差代表充入N₂O气体引起的残留量，以ΔS表示；

D-3、N₂O扩散与还原量计算：对于充入N₂气体的对照试验土柱，测得的表层N₂O排放通量代表土壤本身硝化反硝化过程排放的N₂O通量F_N2；对于充入N₂O气体的土柱，测得的表层N₂O排放通量代表土壤本身硝化反硝化过程排放的N₂O通量和充入的N₂O气体在土柱中扩散至表层的N₂O之和F_N2O；充入N₂O和N₂处理测得的N₂O排放总量之差代表充入N₂O从土柱底部扩散至表层的扩散总量D；充入N₂O气体在从土柱底部向上扩散过程中会不断被土壤微生物还原，充入N₂O总量T_N2O减去充入N₂O气体引起的扩散总量D和残留量ΔS即代表扩散过程中的还原量R，还原量占充入N₂O总量的份额代表N₂O还原率P；N₂O扩散量D、还原量R及还原率P计算方法分别见如以下公式Ⅴ、ⅤⅠ、ⅤⅡ：

$>D=\Sigma F_{N_{2}O}-\Sigma F_{N_2}$>            式Ⅴ，

$>R=T_{N_{2}O}-D-\mathrm{\Delta S}$>                    式ⅤⅠ，

$>P=\frac{R}{T_{N_{2}O}}$>                          式ⅤⅡ，

式中分别代表充入N₂气体的土柱和充入N₂O气体的土柱N₂O排放总量，其它各个参数的物理意义如上所述。

上述测定氧化亚氮在土壤中扩散与还原过程的方法使用的装置，由一个设置有充气系统和采气系统的圆柱形密闭土壤培养罐8构成，设置于培养罐底部的硅胶管14与设置于培养罐底部侧壁的连接管11、充气瓶12构成一个封闭的充气系统，在培养罐底部侧壁上设置两个快速接口13，接口内端与培养罐内底部盘放的硅胶管14连接，快速接口外端通过三通9、特氟龙连接管11与充气瓶连接12，充气瓶口另一三通与充气用注射器10连接。

本发明利用硅胶管透气不透水的特性向系统内土壤中充气，设置于密闭培养罐上面的注射器1与密闭培养罐形成采气系统。

培养罐8上口为盘式水封结构，密封盖5扣在盘式水封槽6内。培养罐的密封盖5顶部设置有两个小孔，一个用于插放温度计2，一个设置三通3与采气用注射器1连接。