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AZ-A202原位氮素遷移觀測(cè)系統(tǒng)

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詳細(xì)介紹

1 引言
氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，氮素對(duì)作物最終產(chǎn)量的貢獻(xiàn)達(dá)到40％~50％，但是氮素的過量施用也會(huì)帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。近年由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施用氮肥過量及不合理的管理措施，大量氮素不能被當(dāng)季作物吸收利用而富集在土壤中，由于土壤硝化作用造成NO₃^-N淋溶及反硝化作用造成N₂O、NO的排放以及氨揮發(fā)等途徑損失，形成土壤酸化、地下水硝酸鹽污染、江河湖泊富營(yíng)養(yǎng)化以及大氣環(huán)境污染等潛在威脅；此外，還會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)氮素營(yíng)養(yǎng)水平超過臨界值形成氮素脅迫，直接影響植物對(duì)水分和光能的吸收利用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)目前氮肥年施用量是2500萬t，是世界平均水平的3倍，但是氮肥的利用效率卻只有30％。因此，廣泛開展減少氮素施用對(duì)水土氣等環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)、提高氮素利用率、保證農(nóng)產(chǎn)品安全等領(lǐng)域的研究有重要的意義。
2 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 目標(biāo)
在以往的傳統(tǒng)研究中，采集樣品室內(nèi)測(cè)定植物氮素含量，土壤硝化和反硝化作用通常為取回土樣培養(yǎng)或施加外源同位素、抑制劑進(jìn)行測(cè)量，土壤NO₃^-N的淋溶也是野外取實(shí)驗(yàn)土柱，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬研究。這些過程均破壞了樣品的原有結(jié)構(gòu)，并且改變了其固有的生長(zhǎng)環(huán)境條件，無法最確切的反映出真實(shí)情況；而且傳統(tǒng)的試驗(yàn)手段在取樣、測(cè)定和數(shù)據(jù)分析等方面需要耗費(fèi)大量人力、物力，時(shí)效性差。
AZ－A202原位氮素遷移觀測(cè)系統(tǒng)將植物、土體和地下水連續(xù)體作為對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)，為闡述氮素在植物、土體和地下水中的轉(zhuǎn)化遷移規(guī)律提供科學(xué)手段，為科學(xué)施肥管理和提高氮素利用效率提供數(shù)據(jù)支撐。
AZ－A202原位氮素遷移觀測(cè)系統(tǒng)采用基于光譜分析技術(shù)的葉綠素測(cè)量單元在田間快速、原位、無損測(cè)試活體樣品，測(cè)量植物氮含量水平；采用氮素脅迫測(cè)量單元，測(cè)量紫外光和藍(lán)光激發(fā)的紅外熒光比值，有效診斷植物氮素營(yíng)養(yǎng)脅迫程度；采用基于方法氣壓過程分離（BaPS）技術(shù)的土壤氮素轉(zhuǎn)化速率測(cè)量單元，以原狀土壤樣品為對(duì)象，同時(shí)測(cè)量某一土壤溫度和土壤水分條件下的土壤總硝化速率和反硝化速率，從而定量分析不同環(huán)境條件下土壤中占主導(dǎo)地位的微生物學(xué)過程（硝化作用or反硝化作用），判斷過度施肥情況下土壤硝化作用和反硝化作用對(duì)地下水硝酸鹽污染和大氣污染的貢獻(xiàn)率；采用埋設(shè)于大田土壤不同深度的原位土壤溶液取樣單元，結(jié)合自動(dòng)土壤離子分析單元，在接近自然的條件下實(shí)時(shí)監(jiān)控氮素向下的淋溶遷移過程，并進(jìn)行長(zhǎng)期定位試驗(yàn)。
2.2 樣品采集
2.2.1 土壤樣品采集
自然條件下，選取具有代表性的典型區(qū)域作為取樣樣地；實(shí)驗(yàn)研究條件下，根據(jù)研究目的選取特定區(qū)域作為取樣樣地。根據(jù)樣地類型、開闊平坦程度、土壤勻質(zhì)程度等條件可選擇“梅花形"“棋盤式"“S形"“網(wǎng)格法"進(jìn)行布點(diǎn)，同一類型的土壤樣品，取3～7個(gè)原狀土樣作為重復(fù)。樣品采集的時(shí)間和頻率根據(jù)研究對(duì)象和目的決定。具體操作和細(xì)節(jié)可參照《土壤理化分析》中相關(guān)部分。
2.2.2 土壤溶液取樣
在農(nóng)田土壤中，通常按如下層次埋設(shè)土壤溶液取樣器，0-20cm，20-40cm，40-60cm，60-80cm，80-100cm，100-150cm。取樣頻率通常為生長(zhǎng)季至少每2周一次，非生長(zhǎng)季頻率要低一些。
2.3 觀測(cè)指標(biāo)
植物葉綠素相對(duì)含量、紫外光和藍(lán)光激發(fā)的紅外熒光比值、土壤總硝化速率、土壤反硝化速率、NO₃^-N濃度。
2.4 觀測(cè)系統(tǒng)組成
AZA202原位氮素遷移觀測(cè)系統(tǒng)由植物葉綠素含量測(cè)量單元、植物氮素營(yíng)養(yǎng)脅迫測(cè)量單元、土壤氮素轉(zhuǎn)化速率測(cè)量單元、土壤氮素淋溶遷移觀測(cè)單元、地下水取樣單元和土壤離子自動(dòng)分析單元共同組成。
3 數(shù)據(jù)處理
3.1 葉綠素相對(duì)含量（CCI）----反映植物氮含量水平
CCI=931nm透光率％ / 653nm 透光率％
3.2 土壤氮素轉(zhuǎn)化速率----反映土壤中硝化作用和反硝化作用對(duì)地下水和大氣污染的貢獻(xiàn)
該系統(tǒng)土壤氮素轉(zhuǎn)化速率測(cè)量單元主要關(guān)注土壤中土壤呼吸、硝化作用、反硝化作用三個(gè)土壤微生物學(xué)過程，監(jiān)測(cè)O₂ 消耗 (△O₂)、CO₂ 生成 (△CO₂)、氣體的總變化量 (△n)。
土壤呼吸過程：CH2O + O2 ? CO2 + H2O
異養(yǎng)硝化菌硝化過程：NH4+ + 2O2 ? NO3- + H2O + H+
自養(yǎng)硝化菌硝化過程：NH3 + 1.68O2 + 0.23CO2 ? 0.05C5H7O2N + 0.86H2O + 0.95HNO3
反硝化過程：5CH2O + 4NO3- + 4H+ ? 5CO2 + 7H2O + 2NxOy

4 應(yīng)用案例
4.1 應(yīng)用葉綠素相對(duì)含量測(cè)量單元判斷煙草氮素營(yíng)養(yǎng)狀況（李佛琳等，2007）
2003~2005年生長(zhǎng)季測(cè)定了不同施氮量和烤煙品種葉片的葉綠素相對(duì)含量和實(shí)際葉綠素濃度、全氮濃度，并進(jìn)行了三者關(guān)系分析。結(jié)果表明，應(yīng)用葉綠素相對(duì)含量測(cè)量單元監(jiān)測(cè)烤煙葉片測(cè)定部位為展開葉的中部。葉綠素相對(duì)含量測(cè)量單元測(cè)定值因年份、地點(diǎn)、氮肥水平、葉位、同一葉片不同的部位而異。葉綠素相對(duì)含量測(cè)量單元讀數(shù)與葉片總氮濃度之間有穩(wěn)定的極顯著相關(guān)性。葉綠素相對(duì)含量測(cè)量單元讀數(shù)與總氮含量之間回歸方程為N=0.0265SPAD+0.9601（R2=0.7649， p<>

4.2 土壤氮素轉(zhuǎn)化速率測(cè)量單元應(yīng)用于荒漠綠洲帶膜下滴灌土壤硝化-反硝化和呼吸作用的研究（卜東升，鄭德明等，2009）
采用氣壓過程分離(BaPS)方法研究了覆膜和裸地(CK)土壤在常規(guī)施肥和不施肥條件下的硝化-反硝化速率和呼吸速率，目的是探討膜下滴灌土壤硝化-反硝化作用及呼吸作用的規(guī)律。結(jié)果表明:覆膜與裸地土壤在兩種施肥水平下的硝化-反硝化速率及呼吸速率都有明顯的季節(jié)變化;覆膜與裸地兩種不同栽培措施的硝化-反硝化速率、呼吸速率差異極顯著，在相同栽培措施下，不同施肥處理間的硝化-反硝化、呼吸速率也達(dá)極顯著水平;硝化-反硝化速率、呼吸速率在不同栽培措施和不同施肥水平下大小排列為:覆膜>裸地，常規(guī)施肥>不施肥?？梢?，農(nóng)業(yè)栽培措施和不同施肥水平對(duì)土壤硝化-反硝化及呼吸.