一种土壤硝态氮的标记方法技术

本发明专利技术是研究土壤硝态氮的一种新方法，主要适用于土壤肥料学、植物营养学、作物栽培与耕作学、农业生态学、区域环境质量与安全等学科领域。使用本技术能用１５Ｎ同位素成功地标记土壤主要无机态有效氮——硝态氮（ＮＯ３－－Ｎ），使土壤中当季施入的肥料氮和固有的土壤硝态氮得以区分开来，便于分别研究，填补了以往有关土壤氮素的研究只能标记肥料氮的空白。此项技术成功标记土壤硝态氮是通过“先吸收”后“添加”的方式实现的，即：首先通过植物吸收消耗土壤一部分硝态氮，然后再向该土壤中添加与植物吸收的硝态氮等量的１５Ｎ同位素标记的硝态氮，即“补偿平衡法”，这样土壤中的硝态氮含量前后保持不变的同时又成功地被标记。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及土壤肥料学、植物营养学、作物栽培与耕作学、农业生态 学、区域环境质量与安全等学科领域，主要用于农田土壤硝态氮时空变异特性研究或监测 过程中的土壤硝态氮的标记。
技术介绍
氮是作物需要量最大的元素，也是一种重要的环境元素。氮肥施入土 壤后，既可以通过氨的挥发、反硝化脱氮进入大气，又可以通过硝态氮淋洗进入地下水，从 而造成大气环境和地下水的污染。旱地土壤硝态氮是土壤氮素的一种重要存在形态，也是 植物吸收氮素的主要形式。一方面，土壤有机态氮可通过矿化作用，转化为硝态氮而被植物 吸收利用；另一方面，由于土壤胶体呈负电性，土壤硝态氮不能被土壤胶体所吸附，极易随 水向土壤深层淋洗。在降雨或灌溉的影响下，土壤硝态氮淋出植物根系分布层则其植物有 效性丧失(不能被植物吸收利用)，若进一步淋洗进入地下水，则成为地下水硝酸盐污染的 一个重要来源。当前，因氮肥不合理施用造成的硝酸盐地下水面源污染已经成为国际、国内 关注的焦点。而由于多年过量施肥的影响，我国农田因施肥带来的硝酸盐面源污染已经非 常严重。提高氮肥利用效率，实现合理施肥是减少氮素损失，保障作物产量，减轻环境污染 的根本途径。在作物所吸收利用的氮素中，一部分来自于当季施入的肥料氮，另一部分来自 于非当季施入的土壤固有氮素，这部分氮约占作物吸收总氮的60%以上。定量评价肥料氮 和土壤氮在作物生长发育期间的吸收利用特性以及损失途径与过程，是实现科学施肥的核 心环节。1N同位素标记技术可以对投入的肥料氮(氮肥)进行直接标记，因此作物生长发 育过程中有关肥料氮的吸收利用、在土壤中的转化、损失等可以进行直接定量研究。但是， 对于土壤硝态氮，目前尚无方法对其进行标记。由于土壤硝态氮的作物有效性、在土壤中的 转化、淋洗等研究无法实现，作物氮肥的合理施用也就很难实现。因技术原因造成的土壤硝 态氮标记困难，已经成为定量研究其时空变异特性的瓶颈所在。
技术实现思路
本专利技术针对农田土壤硝态氮无法直接进行标记的难题，利用15N同位 素标记技术，提出了 “补偿平衡法” 土壤硝态氮标记方法。为了进行特定深度层次的土壤 (目标层次土壤)的土壤硝态氮的变异特性研究或监测，我们将该层次土壤采集出来，放置 于盆中栽种植物，通过植物吸收的方式最大限度地将土壤硝态氮消耗掉，使土壤硝态氮含 量降至最低水平，获得土壤硝态氮充分耗竭的土壤(植物耗竭土壤)。在开始标记前，同步 测定大田目标层次土壤与植物耗竭土壤的硝态氮的实际含量，并计算土壤硝态氮的绝对耗 竭量，即需要添加的lfiN同位素标记硝酸盐的量。开始标记时，为了平衡补偿植物对土壤硝 态氮的耗竭，将与绝对耗竭量相等的15N同位素标记的硝酸盐添加到植物耗竭土壤中，以实 现与实际大田土壤硝态氮含量的平衡，获得1N同位素标记土壤。进而，通过监测土壤中1N 标记硝态氮的时空动态和植物对1N标记硝态氮的吸收利用情况，以及耗竭土壤中残留的 固有硝态氮和加入的1N标记硝态氮的比值，推算大田实际目标层次土壤硝态氮的植物吸 收利用、土壤时空变异特性等，实现对农田土壤硝态氮的标记。使用本技术能用1N同位素 成功地标记土壤主要无机态有效氮一硝态氮(NO3--N),使土壤中当季施入的肥料氮和固 有的土壤硝态氮得以区分开来，便于分别研究，填补了以往有关土壤氮素的研究只能标记 肥料氮的空白。此项专利技术为进一步弄清土壤硝态氮的时空动态及各种去向提供了可能。附图说明附图(图1)描述了目标层次土壤硝态氮15N同位素标记的整个过程， 图1描述的整个过程与具体实施方式相对应。具体实施例方式第一，准确获取目标土壤层次的土壤，装在特定的盆子中，种植高吸氮植物。根据 目标土壤中硝态氮的含量以及植物对土壤硝态氮的吸收情况，可以种植多茬，以尽可能地 消耗土壤硝态氮。通过植物的吸收消耗，获得植物耗竭土壤。第二，植物耗竭土壤中硝态氮含量的测定。经过一茬或多茬植物的吸收消耗后，取 样测定植物耗竭土壤鲜样中硝态氮的含量，并根据土壤含水量计算单位干重土壤硝态氮的 含量，记为C1，单位以mg/kg表示。第三，目标层次大田实际土壤中硝态氮含量的测定。取样测定目标层次大田实际 土壤鲜样中的硝态氮含量，并根据土壤含水量计算单位干重土壤硝态氮的含量，记为C2，单 位以mg/kg表示。第四，计算1N同位素标记硝酸盐的添加量。根据需要标记的目标层次大田实际土 壤干重M(单位kg)以及耗竭土壤中硝态氮含量C1和目标层次大田实际土壤中硝态氮含量 C2，计算需要添加的1N同位素量，记为m，计算公式为m = M(C2-C1),单位以mg表示。进而， 根据实际操作过程中选用的1N标记的硝酸盐(如硝酸钾、硝酸钙，等等)的1N的分子百分 含量，计算硝酸盐的添加量。第五，植物耗竭土壤主要元素的补充量计算。取样测定植物主要元素(如大量元 素P、K，当地障碍元素等)的含量，根据植物的生物量计算吸收量。第六，置换土壤的制作。根据计算的1N同位素标记硝酸盐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。在混合的过程中，通过添加 水分的方式将土壤含水量调节到大田实际土壤含水量，获得置换土壤。第七，土壤置换。将大田实际土壤取出，称取等量相应土壤层次的置换土壤，回填， 实现土壤的置换与目标层次土壤硝态氮的标记。植物在吸收消耗土壤硝态氮的同时，也会对其他营养元素进行吸收利用，造成其 他元素的消耗；同时，植物对养分的吸收也会加剧土壤有机态养分的矿化速度，降低土壤有 机质含量，影响土壤肥力。虽然本方法通过补充主要元素的方法以消除其他元素改变带来 的影响，但无法完全消除。因此，在利用本方法时，不能对整个土体一次性完全进行标记，我 们要求应分层次研究。在分层次研究土壤硝态氮时，由于置换土壤只占整个土体的一小部 分，因此在植物吸收消耗土壤硝态氮时造成的其他特性的改变将不会对正式研究中植物的 生长造成影响；同时，对于其他养分的消耗，也可以通过生产施肥获得补偿。这样，因植物 吸收消耗土壤硝态氮造成的其他特性的改变可以忽略。研究或监测时，层次分的越细，其对 植物的影响就越小。而分层次研究不同深度土壤的硝态氮变异也是和植物根系分布相对应 的，可以更好地评估特定土壤层次硝态氮的植物有效性等。通过分层次的研究，将各个层次 数据合并汇总，可以获得整个土体土壤硝态氮的数据。权利要求1. 土壤硝态氮的标记是通过植物消耗目标土壤层次的硝态氮后，通过向耗竭土壤添加 等量1N同位素标记的硝酸盐，平衡补偿植物消耗的土壤硝态氮来实现的。本专利技术在土壤硝 态氮的研究过程中首次使用，标记土壤硝态氮的方法具有首创性，可以实现土壤硝态氮的 标记。本专利技术要求获得的专利权利为第一，通过植物吸收的方式耗竭土壤硝态氮，用1N同位素标记的硝酸盐等量添加(置 换)的方法实现土壤硝态氮标记的方法，即“补偿平衡法”。第二，实现大田目标层次土壤硝态氮15N同位素标记的标记过程。具体过程包括1)目标层次土壤硝态氮的植物吸收耗竭。2)大田目标层次土壤与植物耗竭土壤硝态氮含量的测定以及1N同位素标记硝酸盐添 加量的计算。3)置换土壤的制作。将等量15N同位素标记硝酸盐均勻添加到植物耗竭土壤，并同步 等量补充植物消耗的其他主要元素，混合均勻。4)置换土壤与大田同层次土壤的置换。全文摘本文档来自技高网...

【技术保护点】
土壤硝态氮的标记是通过植物消耗目标土壤层次的硝态氮后，通过向耗竭土壤添加等量↑［１５］Ｎ同位素标记的硝酸盐，平衡补偿植物消耗的土壤硝态氮来实现的。本专利技术在土壤硝态氮的研究过程中首次使用，标记土壤硝态氮的方法具有首创性，可以实现土壤硝态氮的标记。本专利技术要求获得的专利权利为：第一，通过植物吸收的方式耗竭土壤硝态氮，用↑［１５］Ｎ同位素标记的硝酸盐等量添加（置换）的方法实现土壤硝态氮标记的方法，即“补偿平衡法”。第二，实现大田目标层次土壤硝态氮↑［１５］Ｎ同位素标记的标记过程。具体过程包括：１）目标层次土壤硝态氮的植物吸收耗竭。２）大田目标层次土壤与植物耗竭土壤硝态氮含量的测定以及↑［１５］Ｎ同位素标记硝酸盐添加量的计算。３）置换土壤的制作。将等量↑［１５］Ｎ同位素标记硝酸盐均匀添加到植物耗竭土壤，并同步等量补充植物消耗的其他主要元素，混合均匀。４）置换土壤与大田同层次土壤的置换。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周顺利，张经廷，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]