论文部分内容阅读
反硝化过程是闭合全球氮循环的重要环节。土壤反硝化同步底物测定系统（SMOS系统）可动态监测土壤反硝化过程的碳氮底物（包括NO3--N、NO2--N和DOC等）浓度，与氦环境培养-直接测定氮气系统（GFSC系统）对土壤进行同步培养，以揭示反硝化速率、气态产物及其组成与碳氮底物的定量关系。本研究对初建的SMOS系统进行问题识别，改进系统培养罐气密性和控温能力，采用三阶段培养法对SMOS系统和GFSC系统之间温度和碳氮底物浓度的一致性进行测试和评估，以保证两套系统在土壤培养过程中保持同步;采用气相化学发光法(NC法)测定土壤NO2-N浓度，探索该方法对于土壤中反硝化底物NO2--N含量测定的适用性。主要研究结果如下: (1)通过对SMOS系统进行问题识别，发现SMOS系统在培养罐气密性、土壤温度和碳氮底物浓度方面与GFSC系统不一致。SMOS系统的培养罐存在不同程度的漏气，漏气部位为焊接处、密封垫和罐口螺纹处。SMOS系统的培养温度变化明显滞后于GFSC系统，主要原因可能是两套系统的控温装置不同，GFSC系统的培养罐由水浴箱控温，而SMOS系统由高精度恒温箱控温。SMOS系统的土壤DOC浓度显著低于GFSC系统，这可能是由两套系统培养罐气密性和控温能力方面的差异导致的。 (2)针对SMOS系统存在的问题，对系统培养罐气密性和控温能力进行改进。培养罐气密性的改进包括粘合焊接处、更换密封垫、涂抹凡士林，改进后对SMOS系统培养罐进行正压和负压测试，所有培养罐气密性均表现良好。控温能力的改进包括重建系统构造、设定置换气体流速、选择合适的培养罐连接管路。将SMOS系统改为水浴箱控温，所有的培养罐均移入GFSC系统水浴箱中，对系统构造进行了重建;重新设定了置换气体的流速，调节后培养罐出气口实际气体流速范围为49.7～50.9mL/min，与设定值吻合度为100％～102％，各路气体流速控制基本一致;连接不同材质和长度的管路后，培养罐之间土壤温度没有显著差异，偏差范围为0.14～0.54℃，表明泰富龙管的长度(3～6m)对培养罐内土壤的温度变化没有影响，管路的材质也不会影响培养土壤的温度变化。考虑到泰富龙管体积小、方便使用和更换，选择3m长泰富龙管作为培养罐前端的连接管路。对改进后的SMOS系统进行了温度一致性的测试和评估。在湿度变化过程中，两套系统培养土壤的温度偏差小于0.88℃，偏差主要发生在降温过程中，温度保持时土壤温度偏差小于0.18℃。培养罐气密性和控温能力问题解决后，对SMOS系统与GFSC系统碳氮底物浓度一致性进行了测试评估。在培养过程中，两套系统土壤的无机氮、NO3--N和NH4+-N浓度均没有显著差异，DOC含量的相对偏差在5％～23％之间，远优于之前的结果（相对偏差能高达80％）;两系统重复测定的NO3--N和DOC浓度均无差异，相对偏差小于11％。 (3)NC法测定土壤中NO2--N含量的检测范围为2～500μg/L，即10～2500μg/kg（以水土比为5∶1计），平均变异系数为2.5％，检测下限为10μg/kg，优于比色法(15μg/kg);精度为6μg/kg(95％置信区间)，优于比色法45％;方法回收率为90％～97％。但该方法可能会高估碱性土壤的NO2--N含量。NC法不受浸提液中悬浮物质或有色物质的影响，所用试剂无毒性，分析时间随着NO2--N浓度的增加而增长(8～15min)。 改进后的SMOS系统与GFSC系统在培养罐气密性、土壤温度和碳氮底物浓度上达到了很好的一致性，能够准确地同步动态监测培养过程中土壤碳氮底物的浓度变化。SMOS系统的成功研制与气相化学发光法测定土壤NO2--N浓度的探索为土壤反硝化及氮素转化过程的研究提供了可靠的技术支持。