一种有效估算土壤硝态氮同化速率的方法

1.本发明涉及一种土壤修护技术领域，尤其涉及一种有效估算土壤硝态氮同化速率的方法。


背景技术：

2.过量氮肥施用及降雨或灌溉造成农田土壤硝态氮累积。这些累积的硝态氮易通过淋溶、径流以及反硝化等途径发生损失，进而导致土地质量下降、水体污染和温室气体氧化亚氮(n2o)排放等生态问题(yang et al.,2020；gao et al.,2021)。土壤硝态氮同化过程是指土壤微生物能够通过一系列的生化反应，将硝态氮转化为微生物生物量氮，从而降低硝酸盐的累积，可能在解决目前土壤硝酸盐积累问题上发挥重要的作用(qiu et al.,2013；wang et al.,2021)。然而，农田因其土地利用方式，土壤有机碳含量和质量均显著低于森林和草地土壤，限制了微生物对硝态氮的利用(zhang et al.,2013；li et al.,2019)。不过，通过荟萃分析发现，当添加易分解碳源，如葡萄糖当其输入量超过500mg c kg-1
时或者难分解碳源，如植物残体当其碳(c)/n比大于18时，则能够显著增强土壤硝态氮同化过程(cheng et al.,2017)。
3.传统上通常采用
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n同位素稀释法、有机氮
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n回收法和微生物生物量氮
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n回收法计算土壤的硝态氮同化速率，而上述三种方法需要添加
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n标记物，使得计算硝态氮同化速率的费用成本较高(burger and jackson,2003；chen et al.,2019)；同时由于测量指标较多，因此整个操作流程较为繁琐。为了快速方便测定有机物料输入下土壤硝态氮同化速率，亟需研究得到一种有效估算土壤硝态氮同化速率的方法，从而有助于快速确定最佳使用的有机碳源种类并降低农田土壤硝态氮累积及缓解相关环境风险。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明旨在提供一种能够有效估算土壤硝态氮同化速率的方法。
5.技术方案：本发明所述的有效估算土壤硝态氮同化速率的方法包括以下步骤：
6.(1)获取有机物料的理化性质；
7.(2)获取通过
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n示踪技术下的有机氮
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n回收法计算有机物料输入下的土壤硝态氮同化速率；
8.(3)将步骤(1)和步骤(2)获取的数据输入simca软件中，利用投影重要性分析评估有机物料的理化性质对土壤硝态氮同化速率的重要性，获取vip图；
9.(4)根据vip图确定最佳影响土壤硝态氮同化速率的有机物料的理化性质，再利用回归分析建立回归关系式。
10.进一步地，步骤(1)中，所述有机物料为小麦叶、玉米叶、米糠、花生秸秆、稻叶、稻壳、玉米秆、木质素磺酸钠、纤维素、乙酸钠、葡萄糖、锯末或糖蜜粉中的五种及以上；所述理化性质包括ph、总氮、c/n比、木质素、综纤维素、可溶性有机碳、可溶性有机氮、木质素/氮比、综纤维素/氮比、可溶性有机碳/可溶性有机氮比和有机物料碳矿化速率。进一步地，步
骤(2)中，所述土壤为干旱、半干旱或半湿润地区受硝酸盐污染的土壤；所述有机物料经粉碎处理，过40-100目筛。
11.进一步地，所述方法还包括：步骤(5)通过其他有机物料的理化性质和通过步骤(2)测得的有机物料输入下的土壤硝态氮同化速率验证回归关系式。
12.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
13.(1)本发明可以通过简单测量从而估算出不同种类有机物料输入下的土壤硝态氮同化速率，克服了在野外操作繁琐和技术上的不足；
14.(2)本发明可以使得在后续评估有机物料输入下土壤硝态氮同化能力时不再用添加
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n标记物，估算成本较低；
15.(3)本发明不仅可以估算土壤硝态氮同化速率，利于快速找出最佳有机物料，同时可以反映土壤的微生物活性状况。
附图说明
16.图1为本发明实施例1中不同有机物料处理中土壤硝态氮同化速率与植物残体性质的变量投影重要性分析(vip值)图；
17.图2为本发明实施例1中有机物料碳矿化速率与土壤硝态氮同化速率的回归关系图；
18.图3为本发明实施例1和实施例2中有机物料碳矿化速率与土壤硝态氮同化速率的回归关系图。
具体实施方式
19.下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步说明。
20.实施例1：本发明所述的有效估算土壤硝态氮同化速率的方法，包括以下步骤：
21.(1)获取有机物料的理化性质：ph、总氮、c/n比、木质素、综纤维素、可溶性有机碳、可溶性有机氮、木质素/氮比、综纤维素/氮比、可溶性有机碳/可溶性有机氮比和有机物料碳矿化速率；
22.(2)获取通过
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n示踪技术下的有机氮
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n回收法计算有机物料输入下的土壤硝态氮同化速率，具体为：
23.(3)从野外采集土壤样品1，剔除植物根系和石子等杂质，过10目筛(2mm)后储存在4℃冰箱中用于培养实验；其中，土壤样品为于2019年采自中国科学院封丘农业生态实验站周边受硝酸盐污染的土壤；
24.(4)称取若干个20g(干土重)土壤分别放置于250ml锥形瓶中并置于25℃恒温培养箱中培养一天；
25.(5)培养后，分别向土壤样品添加小麦叶、玉米叶、米糠、花生秸秆、稻叶、稻壳、玉米秆、木质素磺酸钠、纤维素、乙酸钠和葡萄糖，添加量为5g c kg-1
，同时设定不添加有机物料处理。其中，小麦叶、玉米叶、米糠、花生秸秆、稻叶、稻壳、玉米秆和纤维素经德克实验室粉碎机进行粉碎、过60目筛(250μm)后，以粉末状形式加入，其他有机物料与下一步中标记的硝态氮溶液混匀加入；
26.(6)添加2ml含有
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n标记的硝态氮溶液，并加入去离子水使土壤样品含水量调节至
60％最大持水量，具塞，并放置于25℃恒温培养箱中进行连续12天的培养；培养期间，每隔两天曝气30分钟以确保瓶内氧气充足同时通过称重以补充因蒸发流失的水分，其中，所述水分条件为模拟干旱、半干旱和半湿润地区田间一般水分状况；
27.(7)于培养后的第0.02、1、3、6和12天，从每种有机物料处理和不添加有机物料处理中随机取出3个土壤样品，用于测定土壤硝态氮和难溶性有机氮含量和其
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n丰度；同时除0.02天外测定土壤co2排放速率；培养天数主要根据植物残体活性有机碳释放时间大致在2周以内确定(blagodatskaya et al.,2009；zheng and marschner,2017)。硝态氮浓度利用2m氯化钾溶液按照1：5比例浸提，之后利用流动分析仪测定；在测定硝态氮的
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n丰度之前，需用扩散法处理浸提液，首先利用氧化镁将铵态氮转化成nh3进行移除，然后再继续放入戴氏合金将硝态氮转化为nh3，并使用草酸进行吸收，随后干燥测定硝态氮的
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n丰度；浸提后的土壤用定性滤纸再进行2-3次的过滤以去除土壤中无机氮浓度，之后放置于《60℃烘箱中进行干燥、研磨、过100目筛(150μm)、包样，然后利用稳定同位素质谱仪(irms 20-22,sercon,crewe，uk)测定土壤难溶性有机氮含量和其
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n丰度；
28.(8)气体样品采集前，对所有样品进行换气，即用新鲜空气反复冲洗瓶内气体3次，以保障培养瓶内部空间气体不存在土壤产生的co2残留，同时采集换气装置进气口处的40ml空气作为空白，注入22.5ml真空瓶中，作为初始气体。之后培养瓶具塞密闭6h后，用50ml注射器采集培养瓶中气体，转移在已抽真空的气瓶中，用于测定co2的浓度；
29.(9)利用有机氮
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n回收法计算土壤硝态氮同化速率(i
no3
)，公式为：
30.org
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ni＝orgni×
ae
orgni
[0031][0032]
式中：i为第i次取样；org
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ni为对应取样时的土壤难溶性有机氮
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n浓度；orgni为对应取样时的土壤难溶性有机氮浓度；ae
orgni
为对应取样时的土壤难溶性有机氮
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n的丰度；aei为对应取样时的硝态氮
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n丰度；n为取样次数；d为培养天数；同时采用气体排放量公式计算所有处理的co2排放速率，计算公式如下：
[0033][0034]
式中：f为co2产生速率(mg kg-1
d-1
)，ρ为标准状态下气体密度(0.54kg co
2-c m-3
)，v为培养瓶有效体积(m3)，w为培养的干土重(kg)，dc/dt表示相邻两次取样时间间隔的气体浓度变化(ppm)，t为培养时的温度(25℃)，δt为采气间隔(h)，24用于单位转换。此外，有机物料碳矿化速率为对应有机物料处理的土壤co2排放速率差减不添加有机物料处理的土壤co2速率。
[0035]
(10)将步骤(1)和步骤(2)获取的数据(见表1)输入simca软件中，利用投影重要性分析评估有机物料的理化性质对土壤硝态氮同化速率的重要性，获取vip图；
[0036]
(11)根据vip图确定最佳影响土壤硝态氮同化速率的有机物料的理化性质，如图1所示，结果表明仅有有机物料碳矿化速率是影响土壤硝态氮同化速率的关键有机物料性质，进而利用回归分析建立有机物料碳矿化速率对硝态氮同化速率的量化关系，如图2所示，关系式为：y＝0.02x+0.81。
[0037]
表1多种有机物料处理下土壤硝态氮同化速率和有机物料碳矿化速率
[0038][0039]
实施例2：与实施例1的区别在于：步骤(1)中，有机物料为玉米叶、米糠、稻壳、麦秆和葡萄糖；步骤(2)中，土壤为于2021年采自中国科学院封丘农业生态实验站周边受硝酸盐污染的土壤。
[0040]
通过计算得到有机物料碳矿化速率和相应的硝态氮同化速率(表2)，将数据输入回归模型中，校正系数，得到最终回归关系式，关系式为：y＝0.03x+0.60。
[0041]
实施例2还包括步骤(5)通过锯末和糖蜜粉的理化性质和通过步骤(2)测得的有机物料输入下的土壤硝态氮同化速率验证回归关系式，如表3所示，添加锯末后，根据有机物料碳矿化速率模拟的土壤硝态氮同化速率低于实际硝态氮同化速率33.75％；添加糖蜜粉后，根据有机物料碳矿化速率模拟的土壤硝态氮同化速率低于实际硝态氮同化速率17.40％，以上结果表明通过测定有机物料输入下有机物料碳矿化速率能够较好的预估土壤硝态氮同化速率。同时，有机物料碳矿化速率也反映了土壤中微生物的代谢情况。糖蜜粉作为制糖加工厂的副产品，相比于锯末更易被微生物利用，因此，糖蜜粉碳矿化速率高出锯末碳矿化速率，该处理下微生物活性更高。该方法的提出有助于快速确定最佳提高土壤硝态氮同化速率的有机物料类型，从而为缓解农田土壤硝态氮累积环境风险提供理论支撑和技术支持。
[0042]
表2不同有机物料处理下土壤硝态氮同化速率和有机物料碳矿化速率
[0043][0044]
表3添加锯末和糖蜜粉碳矿化速率以及相应处理下土壤模拟和实测的硝态氮同化
速率
[0045]

技术特征：
1.一种有效估算土壤硝态氮同化速率的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)获取有机物料的理化性质；(2)获取通过
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n示踪技术下的有机氮
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n回收法计算有机物料输入下的土壤硝态氮同化速率；(3)将步骤(1)和步骤(2)获取的数据输入simca软件中，利用投影重要性分析评估有机物料的理化性质对土壤硝态氮同化速率的重要性，获取vip图；(4)根据vip图确定最佳影响土壤硝态氮同化速率的有机物料的理化性质，再利用回归分析建立回归关系式。2.根据权利要求1所述的有效估算土壤硝态氮同化速率的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机物料为小麦叶、玉米叶、米糠、花生秸秆、稻叶、稻壳、玉米秆、木质素磺酸钠、纤维素、乙酸钠、葡萄糖、锯末或糖蜜粉中的五种及以上。3.根据权利要求1所述的有效估算土壤硝态氮同化速率的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述理化性质包括ph、总氮、c/n比、木质素、综纤维素、可溶性有机碳、可溶性有机氮、木质素/氮比、综纤维素/氮比、可溶性有机碳/可溶性有机氮比和有机物料碳矿化速率。4.根据权利要求1所述的有效估算土壤硝态氮同化速率的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述土壤为干旱、半干旱或半湿润地区受硝酸盐污染的土壤。5.根据权利要求1所述的有效估算土壤硝态氮同化速率的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述有机物料经粉碎处理，过40-100目筛。6.根据权利要求1所述的有效估算土壤硝态氮同化速率的方法，其特征在于，所述方法还包括：步骤(5)通过其他有机物料的理化性质和通过步骤(2)测得的有机物料输入下的土壤硝态氮同化速率验证回归关系式。

技术总结
本发明公开了一种有效估算土壤硝态氮同化速率的方法，步骤如下：(1)获取有机物料理化性质；(2)获取通过


技术研发人员：程谊 陈招兄 涂小顺 张慧敏 王敬
受保护的技术使用者：南京师范大学
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/7/25