引言

近年来，由于人类活动导致生态系统中氮含量不断增加，大气氮沉降借助其对土壤碳

固定、植物氮素利用等的直接或间接作用，极大地干预了生态系统碳蓄积和氮素重新分配过程。土壤碳氮转化是碳氮耦合循环非常重要的过程，对陆地生态系统的结构和功能有着重要的意义。土壤呼吸和硝化及反硝化作用是碳氮循环的重要环节，在促进初级生产力的同时，也可能引起土壤酸化、硝酸盐淋失和N₂O的释放，是造成土壤氮素损失和大气环境污染的潜在途径。土壤碳氮转化速率的定量研究受到越来越多的关注。

目前能同时测定硝化与反硝化速率的方法中，¹⁵N同位素法最直接，但该方法需要向样品中加入含有¹⁵N的NO3^-，影响培养样品的真实性，并且测量耗时长、耗费大；乙炔抑制法较为传统，主要利用乙炔抑制N₂O还原为N₂，通过测定N₂O的释放量计算反硝化损失情况，但后来的研究发现在有氧气和高浓度乙炔存在的条件下，NO能够结合O₂变成NO₂ ，然后变成亚硝酸盐和硝酸盐，而这一步是无法准确计量的，从而导致结果偏差，因此该方法逐渐被放弃。

2 测量系统设计

2.1 目标

AZ-S0101土壤碳氮转化速率测量系统，利用发展起来的气压过程分离技术(Barometric Process Separation)，以田间原状土柱为对象，主要用于测定土壤中微生物对碳素和氮素的转化速率，包括总硝化速率、反硝化速率以及土壤呼吸速率，在通气良好的土壤中，其准确性和¹⁵N同位素示踪法相当。该系统不仅避免了破坏原有土壤结构，并且不需要添加抑制剂或外源同位素，有效地避免了由同位素示踪法带来的土壤污染和由乙炔抑制法等带来的土壤原有气体组成改变等问题。

该系统通过定量测量分析，还可实现特定时间土壤中占主导地位的微生物过程（硝化作用和/或反硝化作用、土壤呼吸作用）的判断；结合进一步的气体成分分析，能够明确硝化作用和反硝化作用对土壤N₂O排放的贡献率，了解环境因子的改变对N₂O气体产生与排放的影响，从而准确估算和预测温室气体的排放量。

2.2 土壤样品采集

自然条件下，选取具有代表性的典型区域作为取样样地；实验研究条件下，根据研究目的选取特定区域作为取样样地。根据样地类型、开阔平坦程度、土壤匀质程度等条件可选择“梅花形”“棋盘式”“S形”“网格法”进行布点，同一类型的土壤样品，取3～7个原状土样作为重复。样品采集的时间和频率根据研究对象和目的决定。具体操作和细节可参照《土壤理化分析》中相关部分。

2.3 测量指标

CO₂实时浓度及其变化量、O₂实时浓度及其变化量、大气压、土壤温度、培养室上层空间温度、土壤总硝化速率、土壤反硝化速率、土壤呼吸速率。

2.4 测量系统组成

AZ-S0101土壤碳氮转化速率测量系统由土壤取样单元、土壤碳氮转化速率测量单元（包括气密测量室、ZrO₂氧气传感器、红外线CO₂传感器、气压传感器、温度传感器、数据传输界面单元）、恒温水浴测量单元、环境因子测量单元（土壤温度、土壤含水量、土壤pH值等）共同组成。

3 数据处理

3.1 数据记录与结果显示

实验过程中，AZ-S0101土壤碳氮转化速率测量系统通过软件自动记录保存数据，结束时，软件自动进行线性回归计算，得出总硝化速率、反硝化速率和土壤呼吸速率（单位均为μgN/kg SDW/h）数据，并以下图的形式显示。

该软件还可调入数据文件，修正实验之前没有确定的土壤pH值、土壤含水量等参数，重新进行计算。

3.2 数据计算

该系统主要关注土壤中土壤呼吸、硝化作用、反硝化作用三个土壤微生物学过程，监测O₂ 消耗 (△O₂)、CO₂ 生成 (△CO₂)、气体的总变化量 (△n)。

土壤呼吸过程：CH2O + O2 ? CO2 + H2O

异养硝化菌硝化过程：NH4+ + 2O2 ? NO3- + H2O + H+

自养硝化菌硝化过程：NH3 + 1.68O2 + 0.23CO2 ? 0.05C5H7O2N + 0.86H2O + 0.95HNO3

反硝化过程：5CH2O + 4NO3- + 4H+ ? 5CO2 + 7H2O + 2NxOy

3.3 模型拟合

该系统基于一定的理论假设，利用实测数据推演计算得到结果，其中需要设置一些特定参数值，如NxOy中N₂和N₂O的比率，土壤呼吸墒RQ。将实验数据和理论模型进行拟合，可以实现特定参数的反推，从而检验其设置值的合理性。

4 应用案例

4.1 AZ-S0101土壤碳氮转化速率测量系统在高山草甸土硝化和反硝化季节变化研究中应用

成都生物研究所的相关研究人员用AZ-S0101土壤碳氮转化速率测量系统测定川西北高山草甸土硝化和反硝化的季节动态变化。结果表明：植物生长季节内，土壤总硝化、反硝化和N₂O释放率的变化趋势一致。氮素物质基础（NO₃^--N和NH₄⁺-N）不是影响该高山草甸土硝化和反硝化的主要因素，土壤温度和湿度是该高山草甸土硝化、反硝化作用的主要影响因子。

4.3 AZ-S0101土壤碳氮转化速率测量系统在土壤呼吸研究中的应用

Christoph Mu¨ller用BaPS 和¹⁵N稀释法来确定原始草原同一土壤样品的硝化速率。利用AZ-S0101土壤碳氮转化速率测量系统可以将参与硝化的氧气和土壤有机质呼吸的氧气分开计算，通过BaPS技术计算最敏感的参数是有机质呼吸量，通过这种方式得出的数值考虑到受到硝化和反硝化作用影响而被修正，对不同的呼吸做了不同标识。试验结果表明：土壤培养试验中，6-10％的氧气在硝化作用过程中被消耗；利用AZ-S0101土壤碳氮转化速率测量系统在不同的土壤温度和水分条件下对同一土样进行测量，结果显示高达49％的氧气在硝化过程被硝化；通过BaPS–¹⁵N联合技术测量出的土壤有机质呼吸量同以往的研究资料非常接近。