一种土壤呼吸、硝化、反硝化过程速率原位测量方法

摘要

本发明涉及一种土壤呼吸、硝化、反硝化过程中各种气体产生速率的原位测量方法，属于土壤科学技术领域。本方法通过在取土原位构建一个密闭腔体，根据密闭系统气体状态方程计算得密闭腔体内气体的体积V，再测量和计算得到密闭系统中二氧化碳与氧气的变化量，进而获取单位时间内、单位质量的土壤的相关化学过程的速率——反硝化速率K

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤呼吸过程的速率的测量方法，具体地说是涉及一种土壤呼 吸、硝化、反硝化过程中各种气体产生速率的原位测量方法，属于土壤科学技术领域。

背景技术

作为陆地生态系统的基础组成，土壤通过碳循环和氮循环作用参与生物地化循环 与陆地生态系统碳、氮循环。土壤碳循环主要通过土壤呼吸作用实现。土壤氮循环主要通过 硝化反应、反硝化反应作用实现。土壤呼吸作用一般指土壤释放CO₂或吸收O₂的强度。土壤硝 化反硝化主要指土壤释放氮氧化物或氮气的强度。而土壤中二氧化碳气体，氮氧化物的排 放是造成以全球变暖为主要特征的全球气候变化的主要原因。因而，对土壤中排放二氧化 碳、氮氧化物速率的测量对于应对全球气候变化具有重要的意义。通常，土壤环境中主要存 在三个生物化学反应：土壤呼吸、硝化反应、反硝化反应；同时由于CO₂存在易溶于水的特 点，因而，土壤中还存在一个弱相关化学过程。因而在一般情况下，需要考虑土壤呼吸、硝化 反应、反硝化反应三个化学过程和二氧化碳溶于水的气体变化过程。

土壤呼吸作用强度测量一直是衡量土壤微生物总活性或者评价土壤肥力的重要 指标之一。土壤硝化与反硝化过程监测与研究，对于全球变化生态学、氮素相关土壤生物与 生物化学、土壤生态学、土壤与植物营养(氮肥高效利用、硝化与反硝化抑制剂制备以及效 用检测等)都具有极重要的理论与现实意义。

目前常用方法存在的不足之处在于：静态箱法需要抽取部分系统，并通过气相的 方式测量，因此工作量较大，且无法实时进行测量。而目前，密闭气室法则测量过程需在恒 温环境下运行，平衡时间较长，因而，控制恒温环境较为困难，因而无法实现野外的原位实 时测定；该种方法尽管是对原状土柱进行测定，但是在采样后需在室内控制条件下测定，因 此难以对于野外原位进行测定，难以反应原位硝化反硝化过程，更不能实时测定不同环境 条件下土壤的硝化反硝化过程、速率及通量，无法获取土壤相关化学过程随温度变化的规 律。

同时，亦有同位素标定方法实现土壤中相关化学过程速率的测定。但是同位素标 定方法需要对土壤添加相关同位素，且测定同位素的方法需要较高的经济投入，测定过程 较为复杂，花费较高。显然该方法对于大规模的实验研究具有一定的局限。且同位素信号会 随着时间的加长而逐渐消失。因而，无法实现长时间尺度的测定。同时，放射性同位素存在 环境健康的问题，因此，很多实验只能限制在实验室内的短期实验。

另外，土壤气体排放原位测量装置(ZL201520461732.0)公开了一种在原位对土 壤的排放气体进行测量的装置，但并没有给出具体的测量和计算方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种可实时、动态且同时原位测量土壤 呼吸、硝化和反硝化过程速率的方法。实时是指本方法可以有选择地进行任意两个时刻间 的土壤呼吸、硝化、反硝化速率的测定；动态时指本方法可以通过连续多次对土壤的呼吸、 硝化、反硝化速率进行测定，从而实现对土壤化学反应过程的动态监测；同时是指本方法不 仅可以单独在原位测量土壤呼吸、硝化或反硝化过程速率，还可以在同一个时间间隔内同 时实现三个速率的测量和计算。

本发明采用以下技术方案实现本发明目的：

在取土原位将所取的待测土壤放入可密闭的测量装置中，形成一个密闭腔体，腔 体内置有压力传感器、温度传感器、二氧化碳浓度传感器和氧气浓度传感器，在任意时刻测 量腔体内的压强、温度值，记为P₀、T₀；测量完后立即将抽气针筒插入密闭腔体内，快速抽取 LmL气体，并记录此时密闭腔体内的压强、温度值，分别记为：P₀‵、T₀‵。根据密闭系统气体状 态方程PV＝NRT可得：

P₀V＝NRT₀(1)

P′₀(V+L)＝NRT′₀(2)

其中：N为密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 8.314J·mol^-1·K^-1；P₀、P₀‵为压强，单位为Pa；T₀、T₀‵为绝对温度，单位为K；V为密闭腔体内 气体的体积，单位为m³。

由式(1)、(2)可得：

$\frac{P_{0}V}{P_0^{\prime }(V+L)}=\frac{T_0}{T_0^{\prime }}---\left(3\right)$

则密闭腔体内气体所占的体积V为：

$V=\frac{T_0{\mathrm{LP}}_0^{\prime }}{P_0·T_0^{\prime }-P_0^{\prime }·T_0}---\left(4\right)$

本发明中，将土壤呼吸过程通过下式进行表达：

CH₂O+O_2,res→CO_2,res+H₂O(一)

硝化反应过程主要通过下式进行表达：

${\mathrm{NH}}_4^{+}+2O_{2,nit}\to {\mathrm{NO}}_3^{-}+H_{2}O+2H^{+}$(二)

反硝化反应过程主要通过下式进行表述：

$5{\mathrm{CH}}_{2}O+4{\mathrm{NO}}_3^{-}+4H^{+}\to 5{\mathrm{CO}}_{2,den}+7H_{2}O+2N_x{O}_y$(三)

设在某两个时刻t₁与t₂的时间间隔△t内，即Δt＝t₂-t₁，土壤呼吸反应中产生的 CO₂的量为xmol，硝化反应中消耗的O₂的量为ymol，反硝化反应中产生的CO₂的量为zmol，而 在该段时间内密闭腔体中CO₂变化的量为O₂变化的量为其中二氧化碳与 氧气的变化量可以通过布置在密闭腔体中的相关传感器实时读数与密闭腔体中气体的体 积V得到。任意时刻密闭腔体内含有的CO₂的量为：首先根据理想气体状态方程PV＝NRT，将 此时刻状态下密闭腔体的体积，转换为标准状态下的体积。其转换过程为：即 其中P_t、V_t、T_t分别为t时刻密闭腔体内的压强、体积与温度值。P₀、T₀分别为 标准状态下的压强值101325pa与温度值273K。V₀为转换过后，标准状态下密闭腔体体积转 换后的体积值。该时刻密闭腔体内CO₂的摩尔量为：V₀乘以CO₂体积浓度并除以标准状况下气 体摩尔体积，标准状态下气体摩尔体积值为22.4L/mol。而CO₂浓度可以通过CO₂浓度传感器 实时得到，单位为体积比值(V/V)。同理可得到任意时刻密闭腔体内含有的O₂的量为：V₀乘以 O₂体积浓度并除以标准状况下气体摩尔体积，标准状态下气体摩尔体积值为22.4L/mol。而 O₂体积浓度可以通过O₂体积浓度传感器实时得到，单位为体积比值(V/V)。由于CO₂易溶于 水，因而，在密闭腔体内，CO₂会部分溶解到土壤中的水分中。因此，本发明的计算过程通过 亨利定律来计算在任意状态下，溶解在土壤中的二氧化碳的量。通过计算亨利系数的计算 公式，可获得在任意时刻的二氧化碳在水中溶解的亨利系数，进而，通过式(5)计算出，在任 意时刻土壤水分溶解的二氧化碳的摩尔量。

在某时刻t，溶于土壤水中的二氧化碳的量可以按照下式计算：

${\mathrm{CO}}_{2dis}={\mathrm{HK}}_{{\mathrm{CO}}_2}\times \lambda \times V_{H_{2}O}\times P_t\times C_{{\mathrm{CO}}_2}---\left(5\right)$

其中，CO_2dis为t时刻腔体内溶解于土壤水分中的二氧化碳的量，单位为mol；为亨利系数；是密闭腔体土壤中所含水的体积；P_t为密闭腔体在t时刻的压强；为t 时刻二氧化碳的体积浓度；λ为相关系数，是经验系数，取值为：

其中亨利系数计算公式为：${\mathrm{HK}}_{{\mathrm{CO}}_2}=3.9905\times T^2-0.01931\times T+3.03553;$T为时刻t 密闭腔体内的温度，单位为开尔文温度。通过公式(5)则可以计算出，t₂时刻与t₁时刻之间溶 解到土壤水中的二氧化碳摩尔量。

在△t时间间隔内，溶解于水中的二氧化碳的变量计为：则，根据式(一)、 (二)和(三)表示的化学过程关系，在密闭腔体内，可以有下式：

${\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}+{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}^{dis}z={\Delta }_{o_2}-y---\left(6\right)$

则有：

$y=z+{\Delta }_{o_2}{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}^{dis}---\left(7\right)$

若△t时间内反硝化反应中产生的CO₂的量为zmol，则会产生的N_xO_y。若密 闭腔体内的气体变化量用表示，则可得密闭腔体内在△t时间内的气体变化量为：

${\mathrm{\Delta n}}_{t_1}^{t_2}=\frac{2}{5}z+{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}+{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}^{dis}-{\Delta }_{o_2}---\left(8\right)$

在t₁时刻时，密闭腔体有气体状态方程：

P₁V＝N₁RT₁(9)

则在t₂时刻有：

P₂V＝N₂RT₂(10)

则△t时间内密闭腔体内气体变化量为：

${\mathrm{\Delta n}}_{t1}^{t2}=|N_1-N_2|=\frac{2}{5}z+{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}+{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}^{dis}-{\Delta }_{o_2}---\left(11\right)$

其中，Δt＝t₂-t₁；P₁、P₂、T₁、T₂可以分别通过布置在测量装置中的压强传感器、温 度传感器直接获取读数；通过二氧化碳浓度传感器、氧气浓度传感器读取的数值， 经过计算后可以获取；通过计算后可以获取；密闭腔体内气体的体积V可以通过求解式 (4)得到，则通过式(11)可得反硝化反应中产生的CO₂的变化量，即有：

$\frac{2}{5}z={\mathrm{\Delta n}}_{t1}^{t2}+{\Delta }_{o_2}-{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}-{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}^{dis}---\left(12\right)$

则，Δt时间内土壤呼吸过程中产生的二氧化碳的量为：

$x={\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}+{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}^{dis}-z---\left(13\right)$

Δt时间内土壤硝化反应消耗氧气的量为：

$y={\Delta }_{O_2}-x---\left(14\right)$

进而获取单位时间内、单位质量的土壤的相关化学过程的速率，本发明中计算速 率所用的为土壤干重m(利用烘箱将土壤在105℃，烘12个小时)：

(1)反硝化速率K_den为：

$K_{den}=\frac{{\mathrm{\Delta n}}_{t1}^{t2}+{\Delta }_{O_2}-{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}-{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}^{dis}}{m·\Delta t}$

(2)呼吸速率K_res为：

$K_{res}=\frac{{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}+{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}^{dis}-z}{m·\Delta t}$

(3)硝化反应速率K_ni为：

$K_{ni}=\frac{{\Delta }_{O_2}-x}{m·\Delta t}$

同理，在任意△t＝t_n-t_k时间段内的反硝化速率、呼吸速率和硝化反应速率也可依 据上述原理计算，k,n＝1,2,3……，k<n。

本发明中，将土壤环境的化学反应过程总结为主要存在的三个生物化学反应：土 壤呼吸、硝化反应、反硝化反应；同时由于CO₂存在易溶于水的特点，因而，土壤中还存在一 个弱相关化学过程。但一般情况下，主要考虑土壤呼吸、硝化反应、反硝化反应三个过程。

土壤呼吸过程主要通过下式进行表达：

CH₂O+O_2,res→CO_2,res+H₂O

由于该过程中，土壤呼吸的O₂与产生的CO₂的量相同，因而，该过程中净气体产生量 Δn/Δt＝0，所以呼吸系数等于1.0，即该过程中，土壤呼吸的气体量与产生的气体量相同， 对密闭腔体内气压无影响。

硝化反应过程主要通过下式进行表达：

${\mathrm{NH}}_4^{+}+2O_{2,nik}\to {\mathrm{NO}}_3^{-}+H_{2}O+2H^{+}$

在该过程中，1mol铵需要消耗2mol氧分子，而不产生任何气体，因而该过程中，土 壤将吸收空气中的氧气，在密闭环境下，会减小密闭空腔内部气体的压强。

反硝化反应过程主要通过下式进行表述：

$5{\mathrm{CH}}_{2}O+4{\mathrm{NO}}_3^{-}+4H^{+}\to 5{\mathrm{CO}}_{2,den}+7H_{2}O+2N_x{O}_y$

在该过程中，当4mol硝酸根完成还原反应后，除了产生N_xO_y(包括：N₂、N₂O、NO)相关 气体外，还有2.5molCO₂气体产生。因而该过程将放出气体，所以该过程会增加密闭空腔内 部气体的压强。其中C₂HO易溶于水，在土壤环境中以水溶液的形式存在。

根据上述反应过程中土壤对相关气体的“呼出”与“吸入”，可以构建一个密闭腔 体：采用一个底端开口且可以封闭的装置，内部安放有压强传感器、温度传感器、二氧化碳 浓度传感器、氧气浓度传感器，形状可以是桶形或方形。将土壤放入其中，将其放置在取土 原位，并将其底端开口密封起来形成密闭腔体；密封物可以是与底端开口尺寸形状匹配的 塑料板或钢板其他任意可以密封的材料。根据各个反应过程产生的气体量引起密闭腔体中 压强的变化，进而根据压强变化情况测定各个反应过程的速率。如果包含土壤的密闭腔体 中总压强下降，表明土壤中硝化作用占主导地位；相反，压强上升表明反硝化作用占主导地 位。监测土壤上部空间气体中的CO₂和O₂浓度以及密闭腔体内部压强变化，并根据理想气体 状态方程可获得各个反应过程的速率。

由于三个过程中，主要有三类气体参与相关化学反应：CO₂、O₂、N_xO_y(N₂、N₂O、NO)， CO₂与土壤呼吸作用和反硝化反应相关，O₂与土壤呼吸作用和硝化反应相关，而N_xO_y(N₂、N₂O、 NO)仅与反硝化过程相关。由于土壤呼吸过程中有：

CH₂O+O_2,res→CO_2,res+H₂O

即该过程消耗O₂的量与产生CO₂量相同，则可以根据该等式关系以及密闭腔体内气 体量的变化，建立硝化反应与反硝化反应速率之间的关系。并通过解方程的方式求出硝化 反应或反硝化反应的速率，进而分别计算出反硝化反应或硝化反应的速率，并最终求解出 土壤呼吸反应过程的速率。

本方法首先突破了目前的其他测量方法中，需要对温度进行恒温控制的弊端。本 方法可以实现在变温情况下计算任意时刻土壤相关化学过程的速率。因而，本方法可以在 野外原位实现土壤相关化学过程的连续测定，而且可以通过本方法实时测定相关土壤化学 过程的速率，从而实现更加精确的土壤化学过程变化过程的测定与绘制。本方法可以在野 外测定点直接取土进行原位测定，因而，可以大大增加相关化学过程测定的精确度。

本方法还突破了原有测定方法中，需要在测量过程中对密闭腔体内进行抽气并进 行气相色谱测定的过程。从而大大降低了该过程测定的复杂度与工作量和成本。

具体实施方式

实施例1

本实施例选择三个时间点，对土壤的相关化学过程进行动态测量，并观察其变化。

2015年12月28日下午3:00，在某田中取6块土柱放入土壤气体排放原位测量装置 中，土柱共重855.775g。封闭整个腔体，并将装置完全埋入取土处。系统稳定15分钟后，通过 测量装置上的压力传感器和温度传感器读取出此时刻腔体内的压强P₀为98631pa，温度T₀为 14.12℃；然后将抽气针筒插入密闭腔体内，快速抽取10mL气体，记录此时密闭腔体内的压 强P₀‵为97476pa、温度T₀‵为14.12℃。根据公式(4)计算出密闭腔体内气体的体积V＝ 905.0964mL。

在下午3:15:58(t₁时刻)，通过密闭腔体内的压力传感器、温度传感器、二氧化碳 浓度传感器和氧气浓度传感器分别读出此时刻的压强P₁为97709pa，温度T₁为17.76+273K， CO₂浓度为0.345％(V/V)，O₂浓度为19.79％(V/V)；在下午5:15:58时(t₂时刻)，读取出此时 刻的压强P₂为97654pa，温度T₂为16.62+273K，CO₂浓度为0.48％(V/V)，O₂浓度为19.27％(V/ V)；在下午7:15:58时(t₃时刻)，读取出此时刻的压强P₃为97389.2pa，温度T₃为16.55+273K， CO₂浓度为0.60.01％(V/V)，O₂浓度为18.792％(V/V)。理想气体状态常量R选择为8.314。

通过理想气体状态方程分压计算可得，在该测量过程中，所取时间间隔(2小时)t₁到t₂时间内，CO₂变化的量O₂变化的量由于CO₂易溶于水，因而，在密闭腔体内，CO₂会部分溶解到土壤中的水分中。因此，通过计算 亨利系数的计算公式，可获得在t₁时刻的二氧化碳在水中溶解的亨利系数，进而，计算出， 在t₁时刻土壤水分溶解的二氧化碳的摩尔量。亨利系数计算公式为：

${\mathrm{HK}}_{{\mathrm{CO}}_2}=3.9905\times T^2-0.01931\times T+3.03553;$T为开尔文温度。在最初取土的质量为 855.775g，而实验结束后，完全烘干后土壤的质量为726.8104g；则土壤中含水为 128.9646g，其中

下面计算t₁时刻到t₂时刻所测土壤中相关反应的速率：

通过公式(5)可以计算出，t₂时刻与t₁时刻之间溶解到土壤水中的二氧化碳摩尔量 为：6.69412786×10^-4mol。

根据公式(12)可得反硝化反应中产生的N_xO_y的摩尔量为：2.3936523×10^-4mol，该 时间间隔内，通过反硝化反应过程产生的二氧化碳的摩尔量为：5.9841307×10^-4mol。由于 t₁与t₂时间间隔为2小时，系统测试所用土壤的干土重量为726.8104g，即反硝化速率K_den为：

$K_{den}^{t_1:t_2}=\frac{2.3936823\times {10}^{-4}mol}{0.7268104kg\times 2h}=1.6466827\times {10}^{-4}mol·{\mathrm{kg}}^{-1}·h^{-1}$

则，土壤呼吸过程中产生的二氧化碳的摩尔量x为：

$\left(\begin{array}{c}x={\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}+{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}^{dis}-z\\ =4.9981737\times {10}^{-4}+6.6941278\times {10}^{-4}-5.9841307\times {10}^{-4}\\ =1.2098145\times {10}^{-4}\end{array}\right)$

则土壤呼吸速率为：

$K_{res}^{t_1:t_2}=\frac{1.2098145\times {10}^{-4}mol}{0.7268104kg\times 2h}=8.3227657\times \times {10}^{-5}mol·{\mathrm{kg}}^{-1}·h^{-1}$

土壤硝化反应过程中消耗氧气的mol量为：

$y={\Delta }_{O_2}-x=1.6566799\times {10}^{-4}-1.2098145\times {10}^{-4}$

则土壤硝化反应速率为：

$K_{ni}^{t_1:t_2}=\frac{4.4686537\times {10}^{-5}mol}{0.7268104kg\times 2h}=3.074153675\times {10}^{-5}mol·{\mathrm{kg}}^{-1}·h^{-1}$

下面计算t₂时刻到t₃时刻所测土壤中相关反应的速率：

通过公式(5)可以计算出，t₃时刻与t₂时刻之间溶解到土壤水中的二氧化碳摩尔量 为：6.010699671×10^-4mol。

根据公式(12)可得反硝化反应中产生的N_xO_y的摩尔量为：2.4024686×10^-4mol，该 时间间隔内，通过反硝化反应过程产生的二氧化碳的摩尔量为：6.006171559×10^-4mol。由 于t₂与t₃时间间隔为2小时，系统测试所用土壤的干土重量为726.8104g，即反硝化速率为：

$K_{den}^{t_2:t_3}=\frac{2.4024686\times {10}^{-4}mol}{0.7268104kg\times 2h}=1.65274783\times {10}^{-4}mol·{\mathrm{kg}}^{-1}·h^{-1}$

则，土壤呼吸过程中产生的二氧化碳的摩尔量x为：

$\left(\begin{array}{c}x={\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}+{\Delta }_{{\mathrm{co}}_2}^{dis}-z\\ =4.38699861\times {10}^{-5}+6.01069967\times {10}^{-4}-6.006171559\times {10}^{-4}\\ =4.43227973\times {10}^{-5}\end{array}\right)$

则土壤呼吸速率为：

$K_{res}^{t_2:t_3}=\frac{1.2098145\times {10}^{-4}mol}{0.7268104kg\times 2h}=8.3227657\times {10}^{-5}mol·{\mathrm{kg}}^{-1}·h^{-1}$

土壤硝化反应过程中消耗氧气的摩尔量为：

$\left(\begin{array}{c}y={\Delta }_{O_2}-x=1.93268268\times {10}^{-4}-4.4322797\times {10}^{-5}\\ =1.4894547\times {10}^{-4}\end{array}\right)$

则土壤硝化反应速率为：

$K_{ni}^{t_2:t_3}=\frac{1.4894547\times {10}^{-4}mol}{0.7268104kg\times 2h}=1.024651485\times {10}^{-4}mol·{\mathrm{kg}}^{-1}·h^{-1}$

通过上述计算就获取了相关反应的速率。

但在本方法中，需要注意的是，由于本系统中的压强值与温度值会随着时间的变 化而变化，因此，在选择计算相关过程的速率时，在时间选择上不要选择在压强变化曲线的 局部顶点(局部极大值、局部极小值)两侧的时间点。同时也不要选择在温度变化曲线的局 部顶点(局部极大值、局部极小值)两侧的时间点。因为，这样选择会出现两个时刻的压强值 或温度值相同的情况(而事实上，在这种情况下，其压强值或温度值是有变化的)。