一种干湿交替土壤反硝化速率确定方法

摘要

本发明涉及一种干湿交替土壤反硝化速率确定方法，针对乙炔抑制法低估干湿交替土壤反硝化速率，而膜进样质谱法只能定量淹水环境反硝化速率的难题，通过乙炔抑制法和膜进样质谱法同时测定平行土壤样品的反硝化速率，确定乙炔抑制法的系统误差和矫正系数，同时明确乙炔抑制法和膜进样质谱法的测定误差，应用贝叶斯层次模型最终建立起乙炔抑制法测定结果和土壤反硝化真实值之间的数量关系，该技术成本低廉，操作简单，估算精度高，有效地实现了干湿交替土壤反硝化速率的确定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种干湿交替土壤反硝化速率确定方法，属于种植业面统计技术领域。

背景技术

干湿交替土壤包括稻田，沟渠，水库消落带，海洋潮汐带，河流缓冲带，季节性河流等，是反硝化的热点区域。反硝化作为氮循环的关键环节，一方面导致水田氮肥利用率降低；另一方面是富营养化水体氮素去除的重要途径，反硝化的重要产物N₂O还是一种重要的温室气体。然而，大气高N₂背景值和反硝化过程高时空异质性使得反硝化定量研究变得十分困难。

目前已建立的土壤反硝化测定方法包括乙炔抑制法、N₂通量法、质量平衡法、化学计量法和同位素法等。但这些方法大多存在人为扰动大，操作繁琐，误差大的不足。尤其是干湿交替土壤，现在还没有可靠的方法。虽然广泛采用的乙炔抑制法操作简单，成本较低，能反映反硝化的特征和趋势，但是乙炔对硝化-反硝化耦合作用的抑制以及由于乙炔扩散不均匀对N₂O还原为N₂抑制不完全等均会低估反硝化强度，尤其在硝酸盐含量较低的淹水沉积物中比较严重。同位素方法是在土壤中施入¹⁵N肥料，用氮素总损失量中扣除氨挥发损失量而作为硝化－反硝化作用的损失量。其优点是¹⁵N的丰度和氨挥发量可准确测得，缺点是施入的¹⁵N肥料与土壤原有的氮素间的生物交换作用、土壤中的气体逸出受阻等，使得测定值偏低；再加上氮损失总量、氨挥发量等各个环节的测定，使得最终的测定误差很大。Kana等(1994)基于N₂:Ar法开发的膜进样质谱仪(MIMS)虽然在测定超饱和水样溶解性气体以及制备与待测水样环境条件完全一致的标准水方面存在困难，但是其可以直接测定水体N₂/Ar，测定精度<0.03％，被认为是目前最具潜力的反硝化测定方法。但是该方法只能测定淹水环境土壤的反硝化，仪器比较昂贵，一般实验室无法建立该方法，因此应用有一定的局限性。

鉴于此，如何简单，经济，准确确定干湿交替土壤反硝化损失量，是当前研究农田氮素高效利用，土壤源N₂O气体减排机制，湿地富营养化水体氮素高效去除等需要解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简单，经济可行，准确度高的干湿交替土壤反硝化速率确定方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种干湿交替土壤反硝化速率确定方法，包括如下步骤：

步骤001.由目标土壤区域中采集淹水土壤样本或者非淹水土壤样本，将采集到的土壤样本进行混合，并平均分成预设数K份，构成K份土壤样本，然后进入步骤002；

步骤002.将K份土壤样本平均划分成预设数M组，构成M组土壤样本组，按照各组土壤样本组分别对应不相等NO₃^-离子浓度水溶液，且同一组土壤样本组中各份土壤样本对应相同NO₃^-离子浓度水溶液，向各组土壤样本组中的各份土壤样本中添加NO₃^-离子水溶液至没过土壤样本上表面预设高度，并培养预设时长，然后进入步骤003；

步骤003.将所有土壤样本控制在预设环境温度下，分别针对各组土壤样本组，按预设采集测定周期，分别采用乙炔抑制法和膜进样质谱法，针对一组土壤样本组中的各份土壤样本采集测定其反硝化速率，并获得分别对应乙炔抑制法和膜进样质谱法、该组土壤样本组中各份土壤样本反硝化速率的平均值和方差，作为该组土壤样本组分别对应乙炔抑制法和膜进样质谱法的反硝化速率和反硝化速率方差，进而获得各组土壤样本组分别对应乙炔抑制法和膜进样质谱法的反硝化速率和反硝化速率方差，然后进入步骤004；

步骤004.基于乙炔抑制法测定结果，构建土壤反硝化速率贝叶斯层次模型如下，然后进入步骤005；

D_m＝Dm_m+ε>

Dm_m+δ_m＝a_m+b_m×Da_m+ε_m>

式中，m＝{1、…、M}，D_m表示第m组土壤样本对应的反硝化速率真实值，Dm_m表示第m组土壤样本组对应膜进样质谱法的反硝化速率；Da_m表示第m组土壤样本组对应乙炔抑制法的反硝化速率；ε～N(0,σ²)，ε表示膜进样质谱法测定的反硝化速率与真实速率的误差，为服从数学期望是0，方差为σ²的正态分布；δ_m～N(0,(σ1_m)²)，σ1_m表示第m组土壤样本组对应膜进样质谱法的反硝化速率方差，δ_m表示第m组土壤样本组对应膜进样质谱法的测定误差，为服从数学期望为0，方差为(σ1_m)²的正态分布；ε_m～N(0,(σ2_m)²)，σ2_m表>m表示第m组土壤样本组对应乙炔抑制法的测定误差，为服从数学期望为0，方差为(σ2_m)²的正态分布；a_m～N(μ,w²)，a_m表示第m组土壤样本组对应乙炔抑制法的系统误差，为服从数学期望为μ，方差为w²的正态分布；b_m～N(θ,ρ²)，b_m表示第m组土壤样本组对应乙炔抑制法的矫正系数，为服从数学期望为θ，方差为ρ²的正态分布；

步骤005.根据各组土壤样本组分别对应乙炔抑制法和膜进样质谱法的反硝化速率Dm_m和Da_m，应用线性回归方法，获得各组土壤样本组对应乙炔抑制法的系统误差a_m的先验分布，以及各组土壤样本组对应乙炔抑制法的矫正系数b_m的先验分布，然后进入步骤006；

步骤006.根据各组土壤样本组分别对应乙炔抑制法和膜进样质谱法的反硝化速率Dm_m和Da_m，乙炔抑制方法反硝化速率测定误差ε_m，膜进样质谱法反硝化速率测定误差δ_m，乙炔抑制法的系统误差a_m的先验分布，以及对应乙炔抑制法的矫正系数b_m的先验分布，应用土壤反硝化速率贝叶斯层次模型方程2，获得各组土壤样本组对应乙炔抑制法的系统误差a_m的后验分布，以及各组土壤样本组对应乙炔抑制法的矫正系数b_m的后验分布，然后进入步骤007；

步骤007.采用乙炔抑制法测定目标土壤区域各组土壤样本对应研究周期内不同时间的反硝化速率Da_m，并根据乙炔抑制法的系统误差a_m的后验分布，以及各组土壤样本组对应乙炔抑制法的矫正系数b_m的后验分布，应用乙炔抑制方法反硝化速率测定误差ε_m，膜进样质谱法反硝化速率测定误差δ_m，根据土壤反硝化速率贝叶斯层次模型方程2，计算目标土壤区域对应研究周期内膜进样质谱法反硝化速率Dm_m，然后进入步骤008；

步骤008.应用膜进样质谱法反硝化测定速率与真实值的差异ε，根据土壤反硝化速率贝叶斯层次模型方程1，获得目标土壤区域第m组土壤样本对应研究周期内的真实反硝化速率D_m。

作为本发明的一种优选技术方案：所述大于等于2。

作为本发明的一种优选技术方案：所述

作为本发明的一种优选技术方案：所述各组土壤样本组中的各份土壤样本分别填装在PVC试管柱中，且填装深度10cm。

作为本发明的一种优选技术方案：所述002中，所述培养预设时长为24小时。

本发明所述一种干湿交替土壤反硝化速率确定方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计干湿交替土壤反硝化速率确定方法，针对乙炔抑制法低估干湿交替土壤反硝化速率，而膜进样质谱法只能定量淹水环境反硝化速率的难题，通过乙炔抑制法和膜进样质谱法同时测定平行土壤样品的反硝化速率，确定乙炔抑制法的系统误差和矫正系数，同时明确乙炔抑制法和膜进样质谱法的测定误差，应用贝叶斯层次模型最终建立起乙炔抑制法测定结果和土壤反硝化真实值之间的数量关系，该技术成本低廉，操作简单，估算精度高，有效地实现了干湿交替土壤反硝化速率的确定。

附图说明

图1是本发明设计的干湿交替土壤反硝化速率确定方法的流程示意图；

图2是实施例中针对各组土壤样本组中3份土壤样本，在不同上覆水NO₃-离子浓度下，采用膜进样质谱法所获反硝化速率的平均值和方差示意图；

图3是实施例中针对各组土壤样本组中另3份土壤样本，在不同上覆水NO₃-离子浓度下，采用乙炔抑制法所获反硝化速率的平均值和方差示意图；

图4是应用本发明设计的干湿交替土壤反硝化速率确定方法所获目标土壤区域的真实反硝化速率示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所设计一种干湿交替土壤反硝化速率确定方法在实际应用过程当中，具体包括如下步骤：

步骤001.由目标土壤区域中采集淹水土壤样本或者非淹水土壤样本，将采集到的土壤样本进行混合，并平均分成预设数K份，构成K份土壤样本，然后进入步骤002。

步骤002.将K份土壤样本平均划分成预设数M组，构成M组土壤样本组，其中，大于等于2；将各组土壤样本组中的各份土壤样本分别填装在PVC试管柱中，且填装深度10cm，按照各组土壤样本组分别对应不相等NO₃^-离子浓度水溶液，且同一组土壤样本组中>3^-离子浓度水溶液，向各组土壤样本组中的各份土壤样本中添加NO₃^-离子水溶液至没过土壤样本上表面约5cm，并培养24小时，然后进入步骤003。

步骤003.将所有土壤样本控制在预设环境温度下，分别针对各组土壤样本组采用乙炔抑制法和膜进样质谱法，针对一组土壤样本组中的各份土壤样本采集测定其反硝化速率，并获得分别对应乙炔抑制法和膜进样质谱法、该组土壤样本组中各份土壤样本反硝化速率的平均值和方差，作为该组土壤样本组分别对应乙炔抑制法和膜进样质谱法的反硝化速率和反硝化速率方差，进而获得各组土壤样本组分别对应乙炔抑制法和膜进样质谱法的反硝化速率和反硝化速率方差，然后进入步骤004。

步骤004.基于乙炔抑制法测定结果，构建土壤反硝化速率贝叶斯层次模型如下，然后进入步骤005；

D_m＝Dm_m+ε>

Dm_m+δ_m＝a_m+b_m×Da_m+ε_m>

式中，m＝{1、…、M}，D_m表示第m组土壤样本对应的反硝化速率真实值，Dm_m表示第m组土壤样本组对应膜进样质谱法的反硝化速率；Da_m表示第m组土壤样本组对应乙炔抑制法的反硝化速率；ε～N(0,σ²)，ε表示膜进样质谱法测定的反硝化速率与真实速率的误差，为服从数学期望是0，方差为σ²的正态分布；δ_m～N(0,(σ1_m)²)，σ1_m表示第m组土壤样本组对应膜进样质谱法的反硝化速率方差，δ_m表示第m组土壤样本组对应膜进样质谱法的测定误差，为服从数学期望为0，方差为(σ1_m)²的正态分布；ε_m～N(0,(σ2_m)²)，σ2_m表示第m组土壤样本组对应乙炔抑制法的反硝化速率方差，ε_m表示第m组土壤样本组对应乙炔抑制法的测定误差，为服从数学期望为0，方差为(σ2_m)²的正态分布；a_m～N(μ,w²)，a_m表示第m组土壤样本组对应乙炔抑制法的系统误差，为服从数学期望为μ，方差为w²的正态分布；b_m～N(θ,ρ²)，b_m表示第m组土壤样本组对应乙炔抑制法的矫正系数，为服从数学期望为θ，方差为ρ²的正态分布。

步骤005.根据各组土壤样本组分别对应乙炔抑制法和膜进样质谱法的反硝化速率Dm_m和Da_m，应用线性回归方法，获得各组土壤样本组对应乙炔抑制法的系统误差a_m的>m的先验分布，然后进入步骤006。

步骤006.根据各组土壤样本组分别对应乙炔抑制法和膜进样质谱法的反硝化速率Dm_m和Da_m，乙炔抑制方法反硝化速率测定误差ε_m，膜进样质谱法反硝化速率测定误差δ_m，乙炔抑制法的系统误差a_m的先验分布，以及对应乙炔抑制法的矫正系数b_m的先验分布，应用土壤反硝化速率贝叶斯层次模型方程2，获得各组土壤样本组对应乙炔抑制法的系统误差a_m的后验分布，以及各组土壤样本组对应乙炔抑制法的矫正系数b_m的后验分布，由此系数确定完毕，可以应用该模型对乙炔抑制法反硝化的测定速率进行矫正，然后进入步骤007。

步骤007.采用乙炔抑制法测定目标土壤区域各组土壤样本对应研究周期内不同时间的反硝化速率Da_m，并根据乙炔抑制法的系统误差a_m的后验分布，以及各组土壤样本组对应乙炔抑制法的矫正系数b_m的后验分布，应用乙炔抑制方法反硝化速率测定误差ε_m，膜进样质谱法反硝化速率测定误差δ_m，根据土壤反硝化速率贝叶斯层次模型方程2，计算目标土壤区域对应研究周期内膜进样质谱法反硝化速率Dm_m，然后进入步骤008。

步骤008.应用膜进样质谱法创始人(kana，1994)提供的反硝化测定速率与真实值的差异ε，根据土壤反硝化速率贝叶斯层次模型方程1，获得目标土壤区域第m组土壤样本对应研究周期内的真实反硝化速率D_m。

本发明所设计干湿交替土壤反硝化速率确定方法，针对乙炔抑制法低估干湿交替土壤反硝化速率，而膜进样质谱法只能定量淹水环境反硝化速率的难题，通过乙炔抑制法和膜进样质谱法同时测定平行土壤样品的反硝化速率，确定乙炔抑制法的系统误差和矫正系数，同时明确乙炔抑制法和膜进样质谱法的测定误差，应用贝叶斯层次模型最终建立起乙炔抑制法测定结果和土壤反硝化真实值之间的数量关系，该技术成本低廉，操作简单，估算精度高，有效地实现了干湿交替土壤反硝化速率的确定。

将本发明所涉及的干湿交替土壤反硝化速率确定方法应用到实际当中，选择沟渠为研究对象，进行2014.6至2015.10月土壤反硝化速率动态变化研究，具体包括如下步骤：

步骤001，分别在稻田，桃园，蔬菜地周围采集沟渠土壤沉积物，每种沉积物混匀之后分成36份土壤样本，然后进入步骤002。

步骤002，将36份土壤样本分成6组，每组6份土壤样本，将各组土壤样本组中的各份土壤样本分别填装在PVC试管柱中，且填装深度10cm，所有土壤的上覆水均采用蒸馏水与硝酸钾配置而成，硝酸钾上覆水浓度为0，0.5，1，2，5,10mgN/L，并培养24小时，然后进入步骤003。

步骤003，将所有土壤样本控制在25摄氏度下，分别针对各土壤样本组，针对土壤样本组中的6份土壤样本，各选取3份土壤样本，分别采用乙炔抑制法和膜进样质谱法测定其反硝化速率，分别得到乙炔抑制法和膜进样质谱法在该组土壤样本组中反硝化速率的平均值和方差，如图2和图3所示，然后进入步骤004。

步骤004.构建土壤反硝化速率贝叶斯层次模型如下，然后进入步骤005；

D_m＝Dm_m+ε>

Dm_m+δ_m＝a_m+b_m×Da_m+ε_m>

式中，m＝{1、…、M}，D_m表示第m组土壤样本对应的反硝化速率真实值，Dm_m表示第m组土壤样本组对应膜进样质谱法的反硝化速率；Da_m表示第m组土壤样本组对应乙炔抑制法的反硝化速率；ε～N(0,σ²)，ε表示膜进样质谱法测定的反硝化速率与真实速率的误差，为服从数学期望是0，方差为σ²的正态分布；δ_m～N(0,(σ1_m)²)，σ1_m表示第m组土壤样本组对应膜进样质谱法的反硝化速率方差，δ_m表示第m组土壤样本组对应膜进样质谱法的测定误差，为服从数学期望为0，方差为(σ1_m)²的正态分布；ε_m～N(0,(σ2_m)²)，σ2_m表示第m组土壤样本组对应乙炔抑制法的反硝化速率方差，ε_m表示第m组土壤样本组对应乙炔抑制法的测定误差，为服从数学期望为0，方差为(σ2_m)²的正态分布；a_m～N(μ,w²)，a_m表示第m组土壤样本组对应乙炔抑制法的系统误差，为服从数学期望为μ，方差为w²的正态分布；b_m～N(θ,ρ²)，b_m表示第m组土壤样本组对应乙炔抑制法的矫正系数，为服从数学期望为θ，方差为ρ²的正态分布。

步骤005.根据各组土壤样本组分别对应乙炔抑制法和膜进样质谱法的反硝化速率Dm_m和Da_m，应用线性回归方法，获得各组土壤样本组对应乙炔抑制法的系统误差a_m的先验分布，以及各组土壤样本组对应乙炔抑制法的矫正系数b_m的先验分布，如表1所示；>

a_m先验分布>b_m先验分布>桃园沟渠沉积物>N(59.33，5.24)>N(15.0，1.25)>稻田沟渠沉积物>N(70.26，6.02)>N(15.0，0.98)>蔬菜沟渠沉积物>N(54.68，4.12)>N(10.84，0.58)>

表1

步骤006.根据各组土壤样本组分别对应乙炔抑制法和膜进样质谱法的反硝化速率Dm_m和Da_m，乙炔抑制方法反硝化速率测定误差ε_m，膜进样质谱法反硝化速率测定误差δ_m，乙炔抑制法的系统误差a_m的先验分布，以及对应乙炔抑制法的矫正系数b_m的先验分布，应用土壤反硝化速率贝叶斯层次模型方程2，获得各组土壤样本组对应乙炔抑制法的系统误差a_m的后验分布，以及各组土壤样本组对应乙炔抑制法的矫正系数b_m的后验分布，如下表2所示，然后进入步骤007。

a_m后验分布>b_m后验分布>桃园沟渠沉积物>N(60.12，4.28)>N(14.6，1.09)>稻田沟渠沉积物>N(68.76，5.13)>N(14.4，0.76)>蔬菜沟渠沉积物>N(55.17，4.56)>N(11.19，0.59)>

表2

步骤007.采用乙炔抑制法测定目标土壤区域各组土壤样本对应研究周期内不同时间的反硝化速率Da_m，并根据乙炔抑制法的系统误差a_m的后验分布，以及各组土壤样本组对应乙炔抑制法的矫正系数b_m的后验分布，应用乙炔抑制方法反硝化速率测定误差ε_m，膜进样质谱法反硝化速率测定误差δ_m，根据土壤反硝化速率贝叶斯层次模型方程2，计算目标土壤区域对应研究周期内膜进样质谱法反硝化速率Dm_m，然后进入步骤008。

步骤008.应用膜进样质谱法创始人(kana，1994)提供的反硝化测定速率与真实值的差异ε，根据土壤反硝化速率贝叶斯层次模型方程1，获得目标土壤区域第m组土壤样本对应研究周期内的真实反硝化速率D_m，如图4所示。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。