监测土壤氮动态的方法
【专利摘要】本发明公开了一种监测土壤氮动态的方法，包括以下步骤：S10、土壤采样前准备；S20、对土壤进行采样作业，采集土壤样本；S30、对采集的土壤样本进行处理，得到处理后的土壤样本；S40、测量处理后的土壤样本的全氮含量；S50、收集步骤S40测量全氮含量后的土壤样本；S60、利用同位素质谱仪测定所述步骤S50收集的土壤样本的15N丰度；S70、根据所述15N丰度得到土壤氮动态。本发明的监测土壤氮动态的方法包括对土壤进行采样、测量土壤样本的全氮含量和15N丰度，利用固氮植物的生物固氮作用对15N/14N同化差异的特性，充分利用稳定性同位素15N对氮动态的自然标记特点，监测土壤氮动态。
【专利说明】监测土壤氮动态的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种土壤的物质循环的监测方法，尤其涉及一种监测土壤氮动态的方法。
【背景技术】
[0002]氮循环是生态系统最基本的物质循环之一，对生态系统的结构和功能起着重要的调节作用。作为植物生长和发育所需的大量营养元素之一，氮在土壤中主要来自于土壤有机碎屑，经生物学过程矿化后，供植物吸收，从而完成其生长发育过程；而且氮元素也是植物从土壤中吸收量最大的矿质元素。可见，土壤氮动态深刻影响着植被的群落演替和生物多样性。近年来，化石燃料的过度开采利用和土地利用方式的改变，引起了全球气候变化及碳氮循环的改变。随着人类活动对生态系统影响的加剧，氮循环、碳循环及气候变化间相互作用与关系对生态系统的发展与演替日益显现出其重要的决定性作用。
[0003]土壤氮动态是生态系统氮循环的重要组成部分。一方面，大气中的氮经生物固氮和氮沉降作用进入土壤中。植物通过根系从土壤中吸收氮素，满足其生长发育的需求。土壤微生物则在短期内可将土壤中的氮还原成氮气归还到大气中，但长期来看，却能够促进土壤中的氮以有机质的形式固定到土壤中。另一方面，大气中的氮还可通过工业转化为其它化合物，施于土壤中，同样经由植物和微生物等作用参与土壤氮循环过程。土壤氮动态还在诸多方面影响和调控着其它物质或养分的循环过程，尤其是碳循环，从而深刻影响全球碳循环，间接作用于因碳循环改变而引起的全球气候变化。至今，氮素在土壤中的转化和去向已成为科学研究的焦点之一。
【发明内容】
[0004]本发明目的是提供一种监测土壤氮动态的方法。
[0005]本发明解决技术问题采用如下技术方案:一种监测土壤氮动态的方法，包括以下步骤:
[0006]S10、土壤采样前准备；
[0007]S20、对土壤进行采样作业，采集土壤样本；
[0008]S30、对采集的土壤样本进行处理，得到处理后的土壤样本；
[0009]S40、测量处理后的土壤样本的全氮含量；
[0010]S50、收集步骤S40测量全氮含量后的土壤样本；
[0011]S60、利用同位素质谱仪测定所述步骤S50收集的土壤样本的15N丰度；
[0012]S70、根据所述15N丰度得到土壤氮动态。
[0013]可选的，所述步骤SlO具体为:
[0014]S101、选择采样土壤:选择土壤背景值相近，且分别生长着固氮植物群落和非固氮植物群落的土壤作为采样土壤；
[0015]S103、采样点确定:依据随机取样法在采样土壤上选取采样点；[0016]S105、采样器选择:采样器选择为直径2cm的土钻；并根据采样深度选择土钻钻杆和钻头。
[0017]可选的，步骤S20具体为:
[0018]S201、将土钻垂直压入土中，直至钻头到达或超过采样深度；
[0019]S203、360°旋转土钻，切断土钻中的土柱与土体的连接；
[0020]S205、垂直拔出土钻；
[0021]S207、用修土刀将土钻中的土柱分层，将不同层的土壤样本分别装入自封袋中。
[0022]可选的，所述步骤S30具体为:
[0023]S301、将采集到的土壤样本置于阴凉通风处风干，并将风干后的土壤样本磨碎；
[0024]S303、将磨碎后的土壤样本过Imm筛，将过筛之后的土壤样本混合均匀；
[0025]S305、称取5克混合均匀后的土壤样本，并测定所称取土壤样本的含水量；
[0026]S307、将称取5克土壤样本后的混合均匀的土壤样本过0.149mm筛，将过0.149mm筛之后的土壤样本混合均匀；得到处理后的土壤样本。
[0027]可选的，所述步骤S40具体为:
[0028]S401、称取处理后的土壤样本I克，并对所称取的I克土壤样本进行消煮；
[0029]S403、对消煮后的土壤样本进行蒸馏，并收集氨的馏出液；
[0030]S405、通过对氨的馏出液的滴定，得到处理后的土壤样本的全氮含量。
[0031]可选的，所述步骤S70具体为:对比固氮植物群落和非固氮植物群落的土壤样本的全氮含量和15N丰度，得到土壤氮动态。
[0032]可选的，所述步骤S40中测量处理后的土壤样本的全氮含量的方法为开式法。
[0033]本发明具有如下有益效果:本发明的监测土壤氮动态的方法包括对土壤进行采样、测量土壤样本的全氮含量和15N丰度，利用固氮植物的生物固氮作用对15N/14N同化差异的特性，充分利用稳定性同位素15N对氮动态的自然标记特点，监测土壤氮动态。
【具体实施方式】
[0034]下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。
[0035]实施例1
[0036]本实施例提供了一种监测土壤氮动态的方法，包括以下步骤:
[0037]S10、土壤采样前准备；
[0038]S20、对土壤进行采样作业，采集土壤样本；
[0039]S30、对采集的土壤样本进行处理，得到处理后的土壤样本；
[0040]S40、测量处理后的土壤样本的全氮含量；
[0041]S50、收集步骤S40测量全氮含量后的土壤样本；
[0042]S60、利用同位素质谱仪测定所述步骤S50收集的土壤样本的15N丰度；
[0043]S70、根据所述15N丰度得到土壤氮动态。
[0044]本发明的监测土壤氮动态的方法包括对土壤进行采样、测量土壤样本的全氮含量和15N丰度，利用固氮植物的生物固氮作用对15N/14N同化差异的特性，充分利用稳定性同位素15N对氮动态的自然标记特点,监测土壤氮动态。
[0045]本实施例中，可选的，所述步骤SlO具体为:[0046]S101、选择采样土壤:选择土壤背景值相近，且分别生长着固氮植物群落和非固氮植物群落的土壤作为采样土壤；即固氮植物和非固氮植物交替生长，且完成三次循环的土壤；
[0047]S103、采样点确定:依据随机取样法在采样土壤上选取采样点；
[0048]S105、采样器选择:采样器选择为直径2cm的土钻；并根据采样深度选择土钻钻杆和钻头，以通过土壤样本的选择实现对土壤氮动态的精确监测，提高结果的可信度。
[0049]本实施例中，可选的，步骤S20具体为:
[0050]S201、将土钻垂直压入土中，直至钻头到达或超过采样深度；
[0051]S203、360°旋转土钻，切断土钻中的土柱与土体的连接；
[0052]S205、垂直拔出土钻；
[0053]S207、用修土刀将土钻中的土柱分层，将不同层的土壤样本分别装入自封袋中，通过对土壤样本的采集，得到不同层的土壤样本，从而为后续的土壤中的氮元素含量的测量提供了基础。
[0054]本实施例中，可选的，所述步骤S30具体为:
[0055]S301、将采集到的土壤样本置于阴凉通风处风干，并将风干后的土壤样本磨碎；
[0056]S303、将磨碎后的土壤样本过1_筛，将过筛之后的土壤样本混合均匀；
[0057]S305、称取5克混合均匀后的土壤样本，并测定所称取土壤样本的含水量；
[0058]S307、将称取5克土壤样本后的混合均勻的土壤样本过0.149mm筛,将过0.149mm筛之后的土壤样本混合均匀；得到处理后的土壤样本，以通过这些处理步骤后续全氮测量的数据的精确性。
[0059]本实施例中，可选的，所述步骤S40具体为:
[0060]S401、称取处理后的土壤样本I克，并对所称取的I克土壤样本进行消煮；
[0061]S403、对消煮后的土壤样本进行蒸馏，并收集氨的馏出液；
[0062]S405、通过对氨的馏出液的滴定，得到处理后的土壤样本的全氮含量，并保存滴定至终点的馏出液，以测量土壤样本的全氮含量，且为监测15N的丰度做好准备。
[0063]本实施例中，可选的，将滴定至终点的馏出液浓缩至体积不超过3ml，利用同位素质谱仪测定浓缩液中15N的含量，从而实现对15N丰度的检测。
[0064]本实施例中，可选的，所述步骤S70具体为:对比固氮植物群落和非固氮植物群落的土壤样本的全氮含量和15N丰度，得到土壤氮动态。
[0065]本实施例中，可选的，所述步骤S40中测量处理后的土壤样本的全氮含量的方法为开式法，以方便实现对土壤样本的全氮含量的检测。
[0066]本发明的监测土壤氮动态的方法中的固氮植物通过生物固氮作用可将大气中的氮大量转化为氨或硝酸盐后，固定到土壤中。这些固定到土壤中的氮，一方面，直接参与土壤氮循环，如有机质的形成等；另一方面，供植物吸收利用，来满足其生长发育过程中对氮素的需求，但最终这部分氮又以植物残体或死亡体的形式归还于土壤，参与土壤氮循环。由于大气氮的15N组分显著低于土壤氮的15N组分。可见，长期来看，固氮植物的生物固氮作用对14N/15N的同化差异会导致大气中的氮大量地进入土壤中并参与其中的氮循环，从而使土壤氮的15N组分显著降低，对土壤氮动态起到标记作用。因此，可利用固氮植物对14N/15N的这种同化差异可达到监测土壤氮动态的目的。[0067]本发明具有以下优点和有益效果:
[0068]1、结果精确可靠:由于稳定性同位素15N组分在大气氮中的含量低于土壤氮，固氮植物主要通过生物固氮作用同化吸收大气中的氮，从而形成对15n/14n的同化差异。经固氮植物同化的氮进入土壤中，降低了土壤氮的15N组分含量，同时参与土壤氮循环，从而起到对土壤氮动态的精确监测，结果可信度高。
[0069]2、操作明晰简洁，省工省时:利用土钻直接采取土壤样本，分层后于阴凉通风处风干、磨碎和过筛；称取一定质量的土壤样本进行消煮，消煮后蒸馏，收集馏出液；滴定馏出液至终点，记录滴定液用量；将滴定至终点的馏出液浓缩至体积不超过3ml，然后利用同位素质谱仪测定浓缩液中15N含量，计算土壤全氮含量和15N丰度，从而得出土壤氮动态；可见本发明的监测土壤氮动态的方法操作较为简单，指标测量较少，且节省大量人工和时间。
[0070]以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
[0071]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种监测土壤氮动态的方法，其特征在于，包括以下步骤: S10、土壤采样前准备； S20、对土壤进行采样作业，采集土壤样本； S30、对采集的土壤样本进行处理，得到处理后的土壤样本； S40、测量处理后的土壤样本的全氮含量； S50、收集步骤S40测量全氮含量后的土壤样本； S60、利用同位素质谱仪测定所述步骤S50收集的土壤样本的15N丰度； S70、根据所述15N丰度得到土壤氮动态。
2.根据权利要求1所述的监测土壤氮动态的方法，其特征在于，所述步骤SlO具体为: S101、选择采样土壤:选择土壤背景值相近，且分别生长着固氮植物群落和非固氮植物群落的土壤作为采样土壤； S103、米样点确定:依据随机取样法在米样土壤上选取米样点； S105、采样器选择:采样器选择为直径2cm的土钻；并根据采样深度选择土钻钻杆和钻头。
3.根据权利要求2所述的监测土壤氮动态的方法，其特征在于，步骤S20具体为: S201、将土钻垂直压入土中，直至钻头到达或超过采样深度； S203、360°旋转土钻，切断土钻中的土柱与土体的连接； S205、垂直拔出土钻； S207、用修土刀将土钻中的土柱分层，将不同层的土壤样本分别装入自封袋中。
4.根据权利要求3所述的监测土壤氮动态的方法，其特征在于，所述步骤S30具体为: S301、将采集到的土壤样本置于阴凉通风处风干，并将风干后的土壤样本磨碎； S303、将磨碎后的土壤样本过Imm筛，将过筛之后的土壤样本混合均匀； S305、称取5克混合均匀后的土壤样本，并测定所称取土壤样本的含水量； S307、将称取5克土壤样本后的混合均勻的土壤样本过0.149mm筛,将过0.149mm筛之后的土壤样本混合均匀；得到处理后的土壤样本。
5.根据权利要求4所述的监测土壤氮动态的方法，其特征在于，所述步骤S40具体为: S401、称取处理后的土壤样本I克，并对所称取的I克土壤样本进行消煮； S403、对消煮后的土壤样本进行蒸馏，并收集氨的馏出液； S405、通过对氨的馏出液的滴定，得到处理后的土壤样本的全氮含量。
6.根据权利要求1所述的监测土壤氮动态的方法，其特征在于，所述步骤S70具体为:对比固氮植物群落和非固氮植物群落的土壤样本的全氮含量和15N丰度，得到土壤氮动态。
7.根据权利要求1所述的监测土壤氮动态的方法，其特征在于，所述步骤S40中测量处理后的土壤样本的全氮含量的方法为开式法。
【文档编号】G01N1/08GK103940896SQ201410145985
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】张卫建, 宋振伟, 郭嘉, 郑成岩, 邓艾兴, 黄山 申请人:中国农业科学院作物科学研究所