Baps土壤碳氮循环监测系统

硝化反应（SCHL 1992）是土壤中硝酸盐逐渐产生的一个关键反应。到目前为止，唯一可用的检测方法就是昂贵的N¹⁵库稀释法。
    环境中硝酸盐的含量很高，主要是因为它：
        ·作为肥料应用在农业生产上
        ·对地下水和饮用水带来危害
    在使用液体肥料时也会面对同样的问题。
    硝酸盐及其分解物进入人体后对人体健康是有危害的。因此，必须防止严重的硝酸盐污染，特别是对饮用水的污染。一般来说，每升水硝酸盐的含量不超过50mg是可以接受，但是对婴儿来说，这种含量水平还是非常危险。
    众所周知，硝酸盐作为肥料施加在农田中，渗漏到地下，这是目前造成地下水和饮用水污染的主要原因。但是要快速检测出这些物质（主要是硝酸盐）的含量和分布情况却很难，尽管这些是精准施肥和灌溉的关键。
    由IFU最新研制出的方法能够简单、可靠地通过测量硝化和反硝化反应的总转化率来分析和观测土壤中N素的转化过程。因能够在24小时之内得到结果，所以可将该方法应用在推荐施肥上。
    有了这种方法后，现在就可以通过科学合理地使用N素肥料来保护地下水。另外，获得有关N素的转化率的相关知识可以促进对土壤中微生物所起的作用的进一步了解。

土壤中硝化和反硝化
    硝化反应是土壤中等同与NH₄⁺ 的NH₃被氧化成NO₃^-的过程。反应的第一步是在单氨氧化酶的作用，将分子氧加到氨上面形成羟胺（H₂NOH），第二步就是羟胺被氧化成亚硝酸盐(NO₂^-)，最后是亚硝酸盐(NO₂^-)被氧化成最终产物硝酸盐。
    反硝化反应是在厌氧条件下硝酸盐逐步被还原成N₂的过程。
    (硝酸盐 → 亚硝酸盐 → NO → N₂O → N₂)

现有的检测方法
    硝化反应和反硝化反应对于土壤中N素的循环有着非常重要的意义。硝化仍就是倍受关注的反应，因为它是土壤中硝酸盐逐渐产生的最稳定因素，而且是产生硝酸盐的唯一可以量化的反应。不过，直到现在，测定土壤中总硝化量的唯一方法仍是N¹⁵稀释法。 但是这个方法比较复杂，且耗财耗力。在做总转化率测定时应该说明确切的转化反应，在进行单一反应的净转化量测定时可以不用说明反应过程。

    图1 陆地生态系统中的N素循环和有关N素转化相关的专业术语的定义说明

N¹⁵稀释技术
    这项技术是将带有N¹⁵标记的硝酸盐施入到土壤中。接下来随着时间的推移，由于硝化作用引起转化就将N¹⁵逐步稀释，这一变化是可以可以被检测的。（N¹⁵稀释法）（MOS1993，DAV1992）。但是N¹⁵本身以及检测用的大型分光计使得本方法费用昂贵（设备费用、购买标记物质、必要的重复测试、样品的重新处理），另外还得考虑下列问题：
    1、应该尽量地选择结构相似的土壤，以便标记的硝酸盐能够均匀地分布。但是这样就破坏了土壤的自然结构。
    2、加入的N¹⁵能促进微生物的降解反应，为了避免此类问题，所以最好在两天内完成N¹⁵的测定。

净转化率测定法
    因为成本的原因，大多数研究N素循环的学者通常不测定有关的总硝化率，而仅仅检测硝化反应净转化率。净转化率能够说明硝酸盐在土壤中的动态变化。但是测定净转化率不是一个完善的方法，它得不到任何有关总硝化反应转化率的结论(如硝化反应中NH₄+到NO₃-的量的转变)。
    通常检测硝化反应净转化率是从监测点取没有树根的土样（为了防止树根吸收铵盐或者硝酸盐，但是还有反硝化和微生物固氮作用）。然后，将土壤放在袋子里进行孵化，通常为一个月。通过测定开始培养和培养结束后NO₃库的大小就可以计算出净量（P_开始—P_一个月后=硝化反应的净量，与土壤干重相关连）。

抑制技术
    抑制技术的应用与示踪气体N₂O和NO的产生和释放相关联，这两种气体和气候都有关系，并且在硝化反应和反硝化反应中都产生。反应中主要产生了示踪气体，就是说明发生了硝化和反硝化反应。
    常用的抑制剂是乙炔，在低浓度时，乙炔能够抑制硝化反应。测定抑制前后土壤释放出来的N₂O和NO释放量的变化，就可以量化硝化反应和反硝化反应的作用。
    此法有以下弊端：
    1. 有些硝化剂可能对抑制剂不敏感
    2. 土样中存在不明的乙炔（抑制不完全）
    3. 一些不明确的反映也可能产生N₂O和NO，可能也被算做反硝化反应了
    测定土壤中的反硝化主要用抑制法和N¹⁵技术。抑制法是根据10%（体积比）的乙炔能够抑制反硝化反应中最后的酶这个事实建立的。然而最新研究发现在有氧气和高浓度的乙炔存在的条件下，NO能够结合O₂变成NO₂，然后就变成亚硝酸盐和硝酸盐，这一步是不可计量的。自从1997年Bollmann和Conrad以及Mckenny和Drury发表了这一发现后，该项技术就没有再被使用了。

BaPS
    IFU发明的BaPS技术是一个全新的测定土壤中硝化反应总转化率的技术。它有着N¹⁵技术和气体抑制剂技术不可比拟的优势。

可测参数
    在密封、充气、有压力的恒温系统中放置着通气良好的壤芯，通过像记录O₂和CO₂的平衡一样来记录系统内空气压力的改变，BaPS就可以测定下列参数：
    1、即时的反硝化率、硝化率和土壤呼吸率
    2、观察某一特定时间微生物所起的作用(硝化(和)或反硝化)
    3、通过观测N₂O释放，能够得出每个反应在其中的所占的含量

测试方法介绍
    在充气的压力体系中放进土柱，土壤呼吸、硝化和反硝化这些微生物的活动就会影响系统压力的改变。顶部空间里的气态CO₂浓度和液相CO₂浓度保持动态平衡（ΔCO_2aq/Δt）。

单一过程
    土壤呼吸是一个净气体既不产生也不消耗的过程，也就是说净气体产生量Δn/Δt=0，因为消耗的氧气的量和生成的CO₂气体量是相同的，所以呼吸系数等于1.0，这和在充气良好的土壤上是一样的。
    硝化反应使得系统里的压力降低，因为每mol铵需要消耗0.5mol分子氧，但是不产生任何气体。
     然而反硝化却使系统里压力增加，因为在4mol硝酸根完成还原反应后，除了产生N₂外，还有2.5mol CO₂气体产生。

相关公式
    如果发现净压力降低，那么系统中就发生了硝化反应。同样，如果压力增加就说明发生了反硝化反应。可以用下面的反应式来描述上面的三个微生物反应：
    a)土壤呼吸：CH₂O+O₂→CO₂+H₂O（压力平衡）
    b）硝化反应：NH₄⁺+2O₂→NO₃^-+H₂O+2H⁺（压力降低）
    c)反硝化反应：5CH₂O+4NO₃^-+4H⁺→5CO₂+7H₂O+2N₂（压力增加）
    土样顶部的CO₂浓度和O₂浓度(随意的N₂O浓度)可以随着系统压力一起被检测到。
    通过测试系统压力的改变来确定4个反应过程总的平衡。
    将氧气的平衡和二氧化碳的平衡合并，可以确定反硝化过程中产生的气体氮化合物的分子式。
    如果通过气压测得系统总气体平衡不能被氧气平衡和二氧化碳平衡来说明的话（总气体平衡→氧气平衡加二氧化碳平衡），那么平衡差就必须是在反硝化过程中产生的气态氮化合物。
    用下列不同的公式来区分这些：

其中：V_BS 代表土柱中气体存留量
      R 表示通用气体常数（R=8.314JK^-1mol^-1）
      T 表示温度[k]
      P(x) 表示时间X时的气压
    索引：Den：反硝化；Nit硝化；Res呼吸；aq液相
逐步分解和替代后，得到总的公式：

因此，N_xO_y是气体变化、二氧化碳变化和氧气变化的差值。可以通过反向平衡定量测得土壤呼吸和硝化反应。

BaPS的系统组成

盛放土样的铝制压力容器
    氧化铝是做测量容器的绝好材料，因为它结合牢固且质量轻，这样可以避免因为体积改变而造成的误读。这种材料具有良好的导热性，可以使得系统内能够迅速得到期望的反应温度。铝价格便宜且容易加工。尺寸：直径220毫米，高100毫米。
    为了保证土壤顶部空间和土样体积的理想比例（大约1:2），盛放容器的土壤取样环有小孔。这样可以快速且可靠地检测土壤中的气体形成和转化反应。简易手通过快锁和容器连接。通常盛放土样的容器是高质量的不锈钢作成的，可以修改尺寸。

带有RS232接口的传感头
    要获取具有重复性好、准确的数据，就要用到高质量的传感器。氧气传感器是获得高精确度的关键，这就要求在一个氧气量比较大（大约20%体积）的情况下，氧气减少（大约1%体积）也要能被检测得出。
    传感头包括下列传感器：
        1） 氧气传感器（最好是一个ZrO2传感器）
        2） 双红外线二氧化碳传感器
        3） 检测系统绝对压力的抗压传感器
        4） 精确度在±0.2K的2个温度传感器（顶部空间和土壤）
    系统通过一个RS232连续的接口来读取检测数据。这样就可以不需要任何额外的软件而系统和各种类型的计算机连接。

带接口电缆的视窗软件
    BaPS通过软件来设置和操作，这些软件可以进行所有的计算并控制反应。最主要的是可以获取最精确的数据，而且界面友好。该软件适用于WIN95、WIN和WINNT，还提供了详细的在线帮助，操作起来可以更直观。记录数据可以存放在表格和图表中。操作过程的简单使得学生使用和培训工作极为简便。
    通过输入参数来设置有关的控制任务和配置。程序本身提供了默认参数值，这些数据是可以改变的。BaPS操作简单，不需要任何软件专业的背景，就是在进行一些特殊的应用和任务时也很容易修改参数。（该系统销售时不包括电脑）

操作步骤
    1、盛放土样的容器可以放在实验室和取样点，但最好放在采样点。运送用的容器是用没有传感器的盖子密封，传感器仍然放在实验室。乘放土样的容器放在在冷藏容器中储存。这样当返回实验室时就可以很快进行测试工作了。
    2、在实验中，将容器运输中用的盖子换成带有传感器的盖子。
    3、打开软件
    4、读取配置参数，也可以根据需要对参数进行调整。
    5、因为是在线进行测量数据的计算，所以应该在测试之前先测量容器顶部。
    6、程序会确认是否进行了足够的热平衡调节。然后程序就开始测试
    7、在测试过程中，传感器读取和分析的数据会通过图表表示出来。可以对系统进行长期的控制。
    8、测试工作会按照设置自动结束，也可以人工停止
    9、为了提高精确度，应该在测试工作结束时用重量法测试土壤中的含水量，这样，测量结果可以和土壤的干重相关。
    10．借助帮助菜单的作用：自动计算出硝化率率、反硝化率和土壤呼吸率
    11．处理结果可以以ASCII文件输出。另外可以打印包含所有信息、表格的检测报告。

测量时间
    测量时间和土壤类型以及温度和湿度的这样的参数有关。通常在5-10小时之间。