專利名稱：一種土壤硝態(tài)氮的標(biāo)記方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壤肥料學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)、作物栽培與耕作學(xué)、農(nóng)業(yè)生態(tài) 學(xué)、區(qū)域環(huán)境質(zhì)量與安全等學(xué)科領(lǐng)域，主要用于農(nóng)田土壤硝態(tài)氮時空變異特性研究或監(jiān)測 過程中的土壤硝態(tài)氮的標(biāo)記。
背景技術(shù)：
氮是作物需要量最大的元素，也是一種重要的環(huán)境元素。氮肥施入土 壤后，既可以通過氨的揮發(fā)、反硝化脫氮進入大氣，又可以通過硝態(tài)氮淋洗進入地下水，從 而造成大氣環(huán)境和地下水的污染。旱地土壤硝態(tài)氮是土壤氮素的一種重要存在形態(tài)，也是 植物吸收氮素的主要形式。一方面，土壤有機態(tài)氮可通過礦化作用，轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮而被植物 吸收利用；另一方面，由于土壤膠體呈負(fù)電性，土壤硝態(tài)氮不能被土壤膠體所吸附，極易隨 水向土壤深層淋洗。在降雨或灌溉的影響下，土壤硝態(tài)氮淋出植物根系分布層則其植物有 效性喪失(不能被植物吸收利用)，若進一步淋洗進入地下水，則成為地下水硝酸鹽污染的 一個重要來源。當(dāng)前，因氮肥不合理施用造成的硝酸鹽地下水面源污染已經(jīng)成為國際、國內(nèi) 關(guān)注的焦點。而由于多年過量施肥的影響，我國農(nóng)田因施肥帶來的硝酸鹽面源污染已經(jīng)非 常嚴(yán)重。提高氮肥利用效率，實現(xiàn)合理施肥是減少氮素?fù)p失，保障作物產(chǎn)量，減輕環(huán)境污染 的根本途徑。在作物所吸收利用的氮素中，一部分來自于當(dāng)季施入的肥料氮，另一部分來自 于非當(dāng)季施入的土壤固有氮素，這部分氮約占作物吸收總氮的60%以上。定量評價肥料氮 和土壤氮在作物生長發(fā)育期間的吸收利用特性以及損失途徑與過程，是實現(xiàn)科學(xué)施肥的核 心環(huán)節(jié)。1N同位素標(biāo)記技術(shù)可以對投入的肥料氮(氮肥)進行直接標(biāo)記，因此作物生長發(fā) 育過程中有關(guān)肥料氮的吸收利用、在土壤中的轉(zhuǎn)化、損失等可以進行直接定量研究。但是， 對于土壤硝態(tài)氮，目前尚無方法對其進行標(biāo)記。由于土壤硝態(tài)氮的作物有效性、在土壤中的 轉(zhuǎn)化、淋洗等研究無法實現(xiàn)，作物氮肥的合理施用也就很難實現(xiàn)。因技術(shù)原因造成的土壤硝 態(tài)氮標(biāo)記困難，已經(jīng)成為定量研究其時空變異特性的瓶頸所在。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對農(nóng)田土壤硝態(tài)氮無法直接進行標(biāo)記的難題，利用15N同位 素標(biāo)記技術(shù)，提出了 “補償平衡法” 土壤硝態(tài)氮標(biāo)記方法。為了進行特定深度層次的土壤 (目標(biāo)層次土壤)的土壤硝態(tài)氮的變異特性研究或監(jiān)測，我們將該層次土壤采集出來，放置 于盆中栽種植物，通過植物吸收的方式最大限度地將土壤硝態(tài)氮消耗掉，使土壤硝態(tài)氮含 量降至最低水平，獲得土壤硝態(tài)氮充分耗竭的土壤(植物耗竭土壤)。在開始標(biāo)記前，同步 測定大田目標(biāo)層次土壤與植物耗竭土壤的硝態(tài)氮的實際含量，并計算土壤硝態(tài)氮的絕對耗 竭量，即需要添加的lfiN同位素標(biāo)記硝酸鹽的量。開始標(biāo)記時，為了平衡補償植物對土壤硝 態(tài)氮的耗竭，將與絕對耗竭量相等的15N同位素標(biāo)記的硝酸鹽添加到植物耗竭土壤中，以實 現(xiàn)與實際大田土壤硝態(tài)氮含量的平衡，獲得1N同位素標(biāo)記土壤。進而，通過監(jiān)測土壤中1N 標(biāo)記硝態(tài)氮的時空動態(tài)和植物對1N標(biāo)記硝態(tài)氮的吸收利用情況，以及耗竭土壤中殘留的 固有硝態(tài)氮和加入的1N標(biāo)記硝態(tài)氮的比值，推算大田實際目標(biāo)層次土壤硝態(tài)氮的植物吸 收利用、土壤時空變異特性等，實現(xiàn)對農(nóng)田土壤硝態(tài)氮的標(biāo)記。使用本技術(shù)能用1N同位素 成功地標(biāo)記土壤主要無機態(tài)有效氮一硝態(tài)氮(NO3--N),使土壤中當(dāng)季施入的肥料氮和固 有的土壤硝態(tài)氮得以區(qū)分開來，便于分別研究，填補了以往有關(guān)土壤氮素的研究只能標(biāo)記 肥料氮的空白。此項發(fā)明為進一步弄清土壤硝態(tài)氮的時空動態(tài)及各種去向提供了可能。


附圖(圖1)描述了目標(biāo)層次土壤硝態(tài)氮15N同位素標(biāo)記的整個過程， 圖1描述的整個過程與具體實施方式
相對應(yīng)。
具體實施例方式第一，準(zhǔn)確獲取目標(biāo)土壤層次的土壤，裝在特定的盆子中，種植高吸氮植物。根據(jù) 目標(biāo)土壤中硝態(tài)氮的含量以及植物對土壤硝態(tài)氮的吸收情況，可以種植多茬，以盡可能地 消耗土壤硝態(tài)氮。通過植物的吸收消耗，獲得植物耗竭土壤。第二，植物耗竭土壤中硝態(tài)氮含量的測定。經(jīng)過一茬或多茬植物的吸收消耗后，取 樣測定植物耗竭土壤鮮樣中硝態(tài)氮的含量，并根據(jù)土壤含水量計算單位干重土壤硝態(tài)氮的 含量，記為C1，單位以mg/kg表示。第三，目標(biāo)層次大田實際土壤中硝態(tài)氮含量的測定。取樣測定目標(biāo)層次大田實際 土壤鮮樣中的硝態(tài)氮含量，并根據(jù)土壤含水量計算單位干重土壤硝態(tài)氮的含量，記為C2，單 位以mg/kg表示。第四，計算1N同位素標(biāo)記硝酸鹽的添加量。根據(jù)需要標(biāo)記的目標(biāo)層次大田實際土 壤干重M(單位kg)以及耗竭土壤中硝態(tài)氮含量C1和目標(biāo)層次大田實際土壤中硝態(tài)氮含量 C2，計算需要添加的1N同位素量，記為m，計算公式為m = M(C2-C1),單位以mg表示。進而， 根據(jù)實際操作過程中選用的1N標(biāo)記的硝酸鹽(如硝酸鉀、硝酸鈣，等等)的1N的分子百分 含量，計算硝酸鹽的添加量。第五，植物耗竭土壤主要元素的補充量計算。取樣測定植物主要元素(如大量元 素P、K，當(dāng)?shù)卣系K元素等)的含量，根據(jù)植物的生物量計算吸收量。第六，置換土壤的制作。根據(jù)計算的1N同位素標(biāo)記硝酸鹽的添加量和植物消耗的 其他主要元素的量，等量添加到植物耗竭土壤，充分混合均勻。在混合的過程中，通過添加 水分的方式將土壤含水量調(diào)節(jié)到大田實際土壤含水量，獲得置換土壤。第七，土壤置換。將大田實際土壤取出，稱取等量相應(yīng)土壤層次的置換土壤，回填， 實現(xiàn)土壤的置換與目標(biāo)層次土壤硝態(tài)氮的標(biāo)記。植物在吸收消耗土壤硝態(tài)氮的同時，也會對其他營養(yǎng)元素進行吸收利用，造成其 他元素的消耗；同時，植物對養(yǎng)分的吸收也會加劇土壤有機態(tài)養(yǎng)分的礦化速度，降低土壤有 機質(zhì)含量，影響土壤肥力。雖然本方法通過補充主要元素的方法以消除其他元素改變帶來 的影響，但無法完全消除。因此，在利用本方法時，不能對整個土體一次性完全進行標(biāo)記，我 們要求應(yīng)分層次研究。在分層次研究土壤硝態(tài)氮時，由于置換土壤只占整個土體的一小部 分，因此在植物吸收消耗土壤硝態(tài)氮時造成的其他特性的改變將不會對正式研究中植物的 生長造成影響；同時，對于其他養(yǎng)分的消耗，也可以通過生產(chǎn)施肥獲得補償。這樣，因植物 吸收消耗土壤硝態(tài)氮造成的其他特性的改變可以忽略。研究或監(jiān)測時，層次分的越細(xì)，其對 植物的影響就越小。而分層次研究不同深度土壤的硝態(tài)氮變異也是和植物根系分布相對應(yīng) 的，可以更好地評估特定土壤層次硝態(tài)氮的植物有效性等。通過分層次的研究，將各個層次 數(shù)據(jù)合并匯總，可以獲得整個土體土壤硝態(tài)氮的數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1. 土壤硝態(tài)氮的標(biāo)記是通過植物消耗目標(biāo)土壤層次的硝態(tài)氮后，通過向耗竭土壤添加 等量1N同位素標(biāo)記的硝酸鹽，平衡補償植物消耗的土壤硝態(tài)氮來實現(xiàn)的。本發(fā)明在土壤硝 態(tài)氮的研究過程中首次使用，標(biāo)記土壤硝態(tài)氮的方法具有首創(chuàng)性，可以實現(xiàn)土壤硝態(tài)氮的 標(biāo)記。本發(fā)明要求獲得的專利權(quán)利為第一，通過植物吸收的方式耗竭土壤硝態(tài)氮，用1N同位素標(biāo)記的硝酸鹽等量添加(置 換)的方法實現(xiàn)土壤硝態(tài)氮標(biāo)記的方法，即“補償平衡法”。第二，實現(xiàn)大田目標(biāo)層次土壤硝態(tài)氮15N同位素標(biāo)記的標(biāo)記過程。具體過程包括1)目標(biāo)層次土壤硝態(tài)氮的植物吸收耗竭。2)大田目標(biāo)層次土壤與植物耗竭土壤硝態(tài)氮含量的測定以及1N同位素標(biāo)記硝酸鹽添 加量的計算。3)置換土壤的制作。將等量15N同位素標(biāo)記硝酸鹽均勻添加到植物耗竭土壤，并同步 等量補充植物消耗的其他主要元素，混合均勻。4)置換土壤與大田同層次土壤的置換。
全文摘要
本發(fā)明是研究土壤硝態(tài)氮的一種新方法，主要適用于土壤肥料學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)、作物栽培與耕作學(xué)、農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)、區(qū)域環(huán)境質(zhì)量與安全等學(xué)科領(lǐng)域。使用本技術(shù)能用15N同位素成功地標(biāo)記土壤主要無機態(tài)有效氮——硝態(tài)氮(NO3--N)，使土壤中當(dāng)季施入的肥料氮和固有的土壤硝態(tài)氮得以區(qū)分開來，便于分別研究，填補了以往有關(guān)土壤氮素的研究只能標(biāo)記肥料氮的空白。此項技術(shù)成功標(biāo)記土壤硝態(tài)氮是通過“先吸收”后“添加”的方式實現(xiàn)的，即首先通過植物吸收消耗土壤一部分硝態(tài)氮，然后再向該土壤中添加與植物吸收的硝態(tài)氮等量的15N同位素標(biāo)記的硝態(tài)氮，即“補償平衡法”，這樣土壤中的硝態(tài)氮含量前后保持不變的同時又成功地被標(biāo)記。
文檔編號G01N33/24GK102053143SQ20091021067
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者周順利, 張經(jīng)廷 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)