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一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测定方法

阅读：517发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测定方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测算方法，包括以下步骤：步骤1：在高寒草地采集土壤样品；步骤2：将土壤样品分成三个处理组；步骤3：采集土壤释放的气体，并测定N2O的浓度，以及N2O的同位素特征值δ15Nα、δ15Nbulk和δ18O；步骤4：计算出各个处理组N2O的排放速率以及N2O的同位素位嗜值SP；步骤5：计算得到硝化细菌的反硝化作用排放N2O的δ18ONiD；步骤6：计算出硝化作用、反硝化作用和硝化细菌的反硝化作用各自的贡献率。本发明采用方法，能够实现硝化作用和硝化细菌的反硝化作用对N2O排放贡献的精确量化辨识，为高寒草地N2O的排放途径及机制研究提供了理论基础和技术支撑。，下面是一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测定方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在高寒草地采集土壤样品，用于气体抑制培养实验；
步骤2：将土壤样品分成三个处理组，分别是无抑制处理组、纯氦抑制处理组和纯氧抑制处理组，每个处理组设置若干个重复组；
步骤3：采集每个处理组土壤释放的气体，并测定每个处理组土壤释放的N2O的浓度，以及N2O的同位素特征值δ15Nα、δ15Nbulk和δ18O；
步骤4：根据步骤3测定的各个处理组N2O的浓度以及N2O的同位素特征值δ15Nα、δ15Nbulk，分别计算出各个处理组N2O的排放速率以及N2O的同位素位嗜值SP；
步骤5：根据步骤4计算得到的各个处理组N2O的排放速率，结合各个处理组测定的δ18O，利用同位素混合模型，计算得到硝化细菌反硝化作用排放N2O的δ18ONiD；
步骤6：利用硝化作用SPN和硝化细菌反硝化作用SPNiD，再结合同位素线性混合模型和无
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抑制处理组土壤排放N2O的δ OE，计算出硝化作用、反硝化作用和硝化细菌反硝化作用各自的贡献率。
2.根据权利要求1所述的一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测算方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：
步骤1-1：在高寒草地采集0-20cm土壤样品后，过2.0mm筛后混合均匀，去除土壤中的植物根系和石块；
步骤1-2：用保温箱将步骤1-1得到的土壤样品带回实验室进行避光培养，培养温度为
10-15℃。
3.根据权利要求1所述的一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测算方法，其特征在于，所述步骤3中，在初始时间和气体抑制处理密闭培养两小时这两个时间点，分别采集
10-20ml气体注入无抗凝真空采血管中，用于测定N2O排放通量F；分多次且每次采集20-
40ml气体注入提前抽成真空状态的气体袋中，用于测定N2O的同位素特征值δ15Nα、δ15Nbulk和δ18O。
4.根据权利要求3所述的一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测算方法，其特征在于，所述步骤3中，利用气相色谱仪测定N2O的浓度，利用稳定同位素质谱仪配合痕量气体预浓缩装置测定N2O的同位素特征值。
5.根据权利要求1或4所述的一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测算方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：
步骤4-1：根据测定的各个处理组的N2O的浓度，计算出各个处理组对应的N2O排放速率F，具体公式如下：
其中，F表示N2O排放速率，单位为ng·g-1·d-1；ΔC表示培养前后的N2O浓度变化，单位为nL·L-1；V表示培养瓶气体的有效体积；M表示N2O的摩尔质量；Δt表示每次取样培养时间；m表示干土重量；Vm表示绝对零度(273K)时N2O的摩尔体积，22.4L·mol-1；T表示培养时的平均温度；24表示一天24h；
步骤4-2：利用测得的N2O的同位素特征值δ15Nα、δ15Nbulk，计算δ15Nβ和N2O的位嗜值SP，具体公式如下：
δ15Nbulk＝(δ15Nα+δ15Nβ)/2     (2)
SP＝δ15Nα-δ15Nβ         (3)
其中，δ15Nbulk、δ15Nα分别表示测得的N2O及其分子内α位氮原子的同位素特征值(m/z＝
44,45；m/z＝30,31)；δ15Nβ表示N2O分子内β位氮原子的同位素值，SP表示N2O的同位素位嗜值。
6.根据权利要求5所述的一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测算方法，其特征在于，所述步骤5中，采用如下公式计算得到纯培养条件下硝化细菌反硝化作用排放N2O的
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δ ONiD：
FNiD＝FE-FD-FN                                     (4)
δ18ONiD＝(δ18OE×FE-δ18OD×FD-δ18ON×FN)/FNiD       (5)
其中，FNiD和δ18ONiD分别表示硝化细菌反硝化作用的N2O的排放速率和氧同位素特征值；
FE、FD、FN分别表示测得的无抑制处理组、纯氦抑制处理组和纯氧抑制处理组排放N2O的速率，即土壤总排放、反硝化作用以及硝化作用N2O的排放速率；δ18OE、δ18OD、δ18ON分别表示测得的土壤总排放以及反硝化作用、硝化作用排放N2O的氧同位素特征值。
7.根据权利要求6所述的一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测算方法，其特征在于，所述步骤6中，采用如下公式计算出硝化作用、反硝化作用和硝化细菌反硝化作用各自的贡献率：
fN＝(δ18OE-δ18OD×fD-δ18ONiD×fNiD)/δ18ON      (6)
fN+fD+fNiD＝100％                             (7)
fD＝(SPE-SON×fN-SPNiD×fNiD)/SPD    (8)
其中，δ18OE和δ18ON、δ18OD分别表示实际测得的土壤样品排放N2O的δ18O同位素特征值以及纯氧抑制处理组和纯氦抑制处理组分别得到的硝化作用和反硝化作用排放N2O各自的δ
18O同位素特征值；δ18ONiD表示通过公式(5)计算得到的硝化细菌反硝化作用NiD的δ18O同位素特征值；fN、fD和fNiD分别表示由硝化作用、反硝化作用和硝化细菌的反硝化作用排放的N2O占总量的比例。

说明书全文

一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及温室气体N2O的来源研究领域，具体是一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测算方法。

背景技术

[0002] 草地是温室气体N2O的重要排放源，土壤微生物通过硝化作用、反硝化作用、硝化细菌的反硝化作用等途径产生N2O的过程，受土壤质地、温度、水分等多种因素的调控。由于受到研究方法与手段的限制，不同过程产生的N2O对排放贡献的精确量化研究目前仍存在较大不足，限制了对氮循环及其对增温响应的理解。因此，草地N2O 排放的动态规律、不同产生过程的区分辨识和贡献量化及其对气候变化的响应仍存在很大不确定性，是当前全球变化研究的热点和难点。

[0003] 高寒草地具有生态环境脆弱性和对外力作用响应敏感性的特点，是高寒生态系统物种及遗传因素最丰富和最集中的地区之一，在全球高寒生物多样性保护中具有十分重要的地位。因而，在这一独特的生态系统中，研究土壤N2O的排放规律、来源辨识和量化，对于更好地理解高寒草地土壤的氮循环过程、评估温室气体排放以及高寒生态系统的服务与管理具有重要的科学意义和实践价值。

[0004] 目前，关于高寒草地土壤硝化和反硝化作用的N2O产生途径和各过程贡献的影响研究，目前主要存在以下不足：

[0005] (1)关于硝化和反硝化作用N2O排放及机制的研究主要集中在农业生态系统，对森林、草地生态系统的研究较为缺乏，尤其是高寒草地生态系统。而已有研究中氮损失的变化规律很大，因而不同类型生态系统的估算模型不同。这对定量刻画土壤微生物对N2O排放的贡献可能存在一定的偏差，限制了我们对高寒草地硝化与反硝化过程的更深入研究。

[0006] (2)用于估算硝化和反硝化作用对N2O贡献率的SP参考值(同位素位嗜值)均系耕地土培养实验获得，在高寒草地生态系统中，土壤排放N2O的SP值参考数据十分匮乏，亟需完善和补充；由于缺乏对该生态系统δ18O-N2O特征值的研究，无法实现硝化作用和硝化细菌的反硝化作用对N2O排放贡献的量化辨识。

发明内容

[0007] 为克服现有技术的不足，本发明提供了一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测算方法，解决现有技术缺少对高寒草地N2O 排放及机制的研究，同时无法对硝化作用、反硝化作用以及硝化细菌的反硝化作用对N2O排放贡献做出精确量化的问题。

[0008] 本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

[0009] 一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测算方法，包括以下步骤：

[0010] 步骤1：在高寒草地采集土壤样品，用于气体抑制培养实验；

[0011] 步骤2：将土壤样品分成三个处理组，分别是无抑制处理组、纯氦抑制处理组和纯氧抑制处理组，每个处理组设置若干个重复组；

[0012] 步骤3：采集每个处理组土壤释放的气体，并测定每个处理组土壤释放的N2O的浓度，以及N2O的同位素特征值δ15Nα、δ15Nbulk和δ18O；

[0013] 步骤4：根据步骤3测定的各个处理组N2O的浓度以及N2O的同位素特征值δ15Nα、δ15Nbulk，分别计算出各个处理组N2O的排放速率以及N2O的同位素位嗜值SP；

[0014] 步骤5：根据步骤4计算得到的各个处理组N2O的排放速率，结合各个处理组测定的δ18O，利用同位素混合模型，计算得到硝化细菌的反硝化作用排放N2O的δ18ONiD；

[0015] 步骤6：利用硝化作用SPN和硝化细菌的反硝化作用SPNiD，再结合同位素线性混合18
模型和无抑制处理组土壤排放N2O的δ OE，计算出硝化作用、反硝化作用和硝化细菌的反硝化作用各自的贡献率。

[0016] 进一步地，作为优选技术方案，所述步骤1的具体过程为：

[0017] 步骤1-1：在高寒草地采集0-20cm土壤样品后，过2.0mm筛后混合均匀，去除土壤中的植物根系和石块；

[0018] 步骤1-2：用保温箱将步骤1-1得到的土壤样品带回实验室进行避光培养，培养温度为10-15℃。

[0019] 进一步地，作为优选技术方案，所述步骤3中，在初始时间和气体抑制处理密闭培养两小时这两个时间点，分别采集10-20ml气体注入无抗凝真空采血管中，用于测定N2O排放通量F；分多次且每次采集20-40ml气体注入提前抽成真空状态的气体袋中，用于测定N2O 的同位素特征值δ15Nα、δ15Nbulk和δ18O。

[0020] 进一步地，作为优选技术方案，所述步骤3中，利用气相色谱仪测定N2O的浓度，利用稳定同位素质谱仪配合痕量气体预浓缩装置测定N2O的同位素特征值。

[0021] 进一步地，作为优选技术方案，所述步骤4的具体过程为：

[0022] 步骤4-1：根据测定的各个处理组的N2O的浓度，计算出各个处理组对应的N2O排放速率F，具体公式如下：

[0023]

[0024] 其中，F表示N2O排放速率，单位为ng·g-1·d-1；ΔC表示培养前后的N2O浓度变化，单位为nL·L-1；V表示培养瓶气体的有效体积； M表示N2O的摩尔质量；Δt表示每次取样培养时间；m表示干土重量；Vm表示绝对零度(273K)时N2O的摩尔体积，22.4L·mol-1；T表示培养时的平均温度；24表示一天24h；

[0025] 步骤4-2：利用测得的N2O的同位素特征值δ15Nα、δ15Nbulk，计算δ15Nβ和N2O的位嗜值SP，具体公式如下：

[0026] δ15Nbulk＝(δ15Nα+δ15Nβ)/2 (2)

[0027] SP＝δ15Nα-δ15Nβ (3)

[0028] 其中，δ15Nbulk、δ15Nα分别表示测得的N2O及其分子内α位氮原子的同位素特征值(m/z＝44,45；m/z＝30,31)；δ15Nβ表示N2O分子内β位氮原子的同位素特征值，SP表示N2O的同位素位嗜值。

[0029] 进一步地，作为优选技术方案，所述步骤5中，采用如下公式计算得到纯培养条件下硝化细菌的反硝化作用排放N2O的δ18ONiD：

[0030] FNiD＝FE-FD-FN (4)

[0031] δ18ONiD＝(δ18OE×FE-δ18OD×FD-δ18ON×FN)/FNiD (5)

[0032] 其中，FNiD和δ18ONiD分别表示硝化细菌的反硝化作用的N2O的排放速率和氧同位素特征值；FE、FD、FN分别表示测得的无抑制处理组、纯氦抑制处理组和纯氧抑制处理组排放N2O的速率，即土壤总排放、反硝化作用以及硝化作用N2O的排放速率；δ18OE、δ18OD、δ18ON分别表示测得的土壤总排放以及反硝化作用、硝化作用排放 N2O的氧同位素特征值。

[0033] 进一步地，作为优选技术方案，所述步骤6中，采用如下公式计算出硝化作用、反硝化作用和硝化细菌反硝化作用各自的贡献率：

[0034] fN＝(δ18OE-δ18OD×fD-δ18ONiD×fNiD)/δ18ON (6)

[0035] fN+fD+fNiD＝100％ (7)

[0036] fD＝(SPE-SPN×fN-SPNiD×fNiD)/SPD (8)

[0037] 其中，δ18OE和δ18ON、δ18OD分别表示实际测得的土壤样品排放 N2O的δ18O同位素特征值以及纯氧抑制处理组和纯氦抑制处理组分别得到的硝化作用和反硝化作用排放N2O各自的δ18O同位素特征值；δ18ONiD表示通过公式(5)计算得到的硝化细菌的反硝化作用NiD的δ18O同位素特征值；fN、fD和fNiD分别表示由硝化作用、反硝化作用和硝化细菌的反硝化作用排放的N2O占总量的比例。

[0038] 本发明相比于现有技术，具有以下有益效果是：

[0039] 本发明通过设置无抑制处理组、纯氦抑制处理组、纯氧抑制处理组，采用测定各个处理组N2O排放速率以及同位素位嗜值的方式，再通过计算纯培养条件下硝化细菌的反硝化作用的N2O排放速率和氧同位素比值，区分出硝化作用和硝化细菌的反硝化作用对N2O排放的各自贡献，最后通过利用纯培养条件下的硝化作用以及硝化细菌的反硝化作用，根据同位素线性混合模型和土壤排放N2O的δ18OE，得到了硝化作用、反硝化作用和硝化细菌的反硝化作用各自的贡献率，从而解决了传统研究中由于硝化作用和硝化细菌的反硝化作用的 SP值区间有重叠，无法区分二者对N2O排放的各自贡献，无法全面考量N2O的排放特征的问题，实现了硝化作用和硝化细菌的反硝化作用对N2O排放贡献的精确量化辨识，为高寒草地N2O的排放途径及机制研究提供了理论基础和技术支撑。

具体实施方式

[0040] 下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

[0041] 实施例

[0042] 本发明较佳实施例所示的一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测算方法，包括以下步骤：

[0043] 步骤1：在高寒草地采集土壤样品，以采集0-20cm厚度的土壤为佳，所谓“0-20cm厚度的土壤”，指的是地面向下0-20cm，该深度范围内的土壤也称之为表层土壤或者浅层土壤，取该深度范围内的土壤有利于获得较为真实的实验结果，取土壤后过2.0mm筛，然后混合均匀，去除土壤中的植物根系和石块，然后用保温箱将土壤样品带回实验室进行避光培养，培养温度以10-15℃为佳，用于气体抑制培养实验，培养过程中，对土壤水分不做调节，只以喷淋方式维持土壤原有水分含量；

[0044] 步骤2：将土壤样品分成三个处理组，分别是无抑制处理组、纯氦抑制处理组和纯氧抑制处理组，每个处理组设置若干个重复组，每个处理组的重复组的数量以3-6个为最佳，重复组用于减小误差；所谓无抑制处理组，指的是不对该组土壤做任何抑制处理，该组土壤释放的N2O来自于土壤硝化作用(N)、反硝化作用(D)以及硝化细菌的反硝化作用(NiD)；而纯氦抑制处理组指的是对该组土壤进行 100％氦气抑制，该组土壤释放的N2O则全部来自于土壤反硝化作用 (D)；纯氧抑制处理组指的是对该组土壤进行100％氧气抑制，该组土壤释放的N2O则全部来自于土壤硝化作用(N)，忽略异养硝化作用；

[0045] 步骤3：采集每个处理组土壤释放的气体，并测定每个处理组土壤释放的N2O的浓15α 15 bulk 18
度，以及N2O的同位素特征值δ N、δ N 和δ O；

[0046] 步骤4：根据步骤3测定的各个处理组N2O的浓度以及N2O的同位素特征值δ15Nα、δ15Nbulk，分别计算出各个处理组N2O的排放速率以及N2O的同位素位嗜值SP；

[0047] 步骤5：根据步骤4计算得到的各个处理组N2O的排放速率，结合各个处理组测定的18 18
δ O，利用同位素混合模型，计算得到硝化细菌的反硝化作用排放N2O的δ ONiD；

[0048] 步骤6：利用硝化作用SPN和硝化细菌的反硝化作用SPNiD，再结合同位素线性混合模型和无抑制处理组土壤排放N2O的δ18OE，计算出硝化作用、反硝化作用和硝化细菌的反硝化作用各自的贡献率。

[0049] 在本实施例的步骤3中，采用如下方法来采集土壤释放的气体：首先，确定两个采集时间点，第一个是初始时间，即培养开始的时间点，第二个是气体抑制处理密闭培养两小时后开始采集这个时间点，对于无抑制处理组来说，只需密闭培养2小时后开始采集，而对于纯氦抑制处理组、纯氧抑制处理组，需要分别进行纯氦、纯氧抑制密闭培养两小时后开始采集；采集时，分别采集10-20ml气体注入无抗凝真空采血管中，用于测定N2O排放通量F；分多次且每次采集20-40ml 气体注入提前抽成真空状态的气体袋中，用于测定N2O的同位素特征值δ15Nα、δ15Nbulk和δ18O。

[0050] 具体地，在步骤3中，利用气相色谱仪测定N2O的浓度，利用稳定同位素质谱仪配合痕量气体预浓缩装置测定N2O的同位素特征值，具体地，气体进入Trace Gas装置经化学阱去除CO2、H2O及挥发性有机物VOC等，进入低温冷阱富集浓缩，再经RT-Q-BOND毛细管柱(30m×0.32mm×10μm)分离后进入质谱仪被电离，分别测定 NO+(m/z＝30,31)和N2O+(m/z＝44,45,46)即可得到N2O的同位素特征值δ15Nα、δ15Nbulk和δ18O。

[0051] 首先，根据测定出各个处理组的N2O的浓度，可计算出各个处理组对应的N2O排放速率F，具体公式如下：

[0052]

[0053] 其中，F表示N2O排放速率，单位为ng·g-1·d-1；ΔC表示培养前后的N2O浓度变化，单位为nL·L-1；V表示培养瓶气体的有效体积； M表示N2O的摩尔质量；Δt表示每次取样培养时间；m表示干土重量；Vm表示绝对零度(273K)时N2O的摩尔体积，22.4L·mol-1；T表示培养时的平均温度；24表示一天24h；

[0054] 然后，再利用测得的N2O的同位素特征值δ15Nα、δ15Nbulk，计算δ15Nβ和N2O的位嗜值SP，具体公式如下：

[0055] δ15Nbulk＝(δ15Nα+δ15Nβ)/2 (2)

[0056] SP＝δ15Nα-δ15Nβ (3)

[0057] 其中，δ15Nbulk、δ15Nα分别表示测得的N2O及其分子内α位氮原子的同位素特征值(m/z＝44,45；m/z＝30,31)；δ15Nβ表示N2O分子内β位氮原子的同位素特征值；SP表示N2O的同位素位嗜值。

[0058] 接着，根据计算得到的无抑制处理组、纯氦抑制处理组和纯氧抑制处理组的N2O的排放速率FE、FD、FN，采用如下公式计算得到纯培养条件下硝化细菌反硝化作用排放N2O的δ18ONiD：

[0059] FNiD＝FE-FD-FN (4)

[0060] δ18ONiD＝(δ18OE×FE-δ18OD×FD-δ18ON×FN)/FNiD (5)

[0061] 其中，FNiD和δ18ONiD分别表示硝化细菌的反硝化作用的N2O的排放速率和氧同位素特征值；FE、FD、FN分别表示测得的无抑制处理组、纯氦抑制处理组和纯氧抑制处理组排放N2O的速率，即土壤总排放、反硝化作用以及硝化作用N2O的排放速率；δ18OE、δ18OD、δ18ON分别表示测得的土壤总排放以及反硝化作用、硝化作用排放 N2O的氧同位素特征值。

[0062] 最后，根据公式(5)计算得到的δ18ONiD，利用如下公式计算出硝化作用、反硝化作用和硝化细菌的反硝化作用各自的贡献率：

[0063] fN＝(δ18OE-δ18OD×fD-δ18ONiD×fNiD)/δ18ON (6)

[0064] fN+fD+fNiD＝100％ (7)

[0065] fD＝(SPE-SPN×fN-SPNiD×fNiD)/SPD (8)

[0066] 其中，δ18OE和δ18ON、δ18OD分别表示实际测得的土壤样品排放 N2O的δ18O同位素特征值以及纯氧抑制处理组和纯氦抑制处理组分别得到的硝化作用和反硝化作用排放N2O各自的δ18O同位素特征值；δ18ONiD表示通过公式(5)计算得到的硝化细菌的反硝化作用NiD的δ18O同位素特征值；fN、fD和fNiD分别表示由硝化作用、反硝化作用和硝化细菌的反硝化作用排放的N2O占总量的比例。

[0067] 通过上述方法，能够精确测定得到土壤硝化作用(N)、反硝化作用(D)以及硝化细菌的反硝化作用(NiD)这三种途径各自对N2O 排放的贡献率，即通过公式(6)、(7)、(8)计算得到的fN、fD和fNiD，从而对N2O的来源实现了精确量化辨识，弥补了现有研究中往往忽略硝化细菌的反硝化作用对N2O排放的贡献而带来的缺陷，对于高山草地土壤N2O排放速率及来源贡献率的研究来说，是很好的完善和补充，为高寒草地N2O的排放途径及机制研究提供了理论基础和技术支撑。

[0068] 如上所述，可较好地实现本发明。

[0069] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

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一种高寒草地N2O排放速率及来源贡献率的测定方法

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