A study of the relationship between the oxidation-reduction layer and the denitrification activity in paddy soil

稻田土壤氧化還原層與反硝化活性關(guān)系研究

來(lái)源 Conference Paper: Proceedings of the 2016 International Nitrogen Initiative Conference, "Solutions to improve nitrogen use efficiency for the world", 4-8 December 2016, Melbourne, Australia

會(huì)議論文：《2016年國(guó)際氮素倡議會(huì)議論文集，“提高世界氮素利用效率的解決方案”》，2016年12月4日至8日，澳大利亞墨爾本

 

摘要

本研究回顧了自然條件下氧化還原層的特征，并于2014年至2015年進(jìn)行了田間調(diào)查。調(diào)查在稻田中進(jìn)行，測(cè)量了土壤溫度、氣溫和水中的總氮濃度。使用特殊的溶解氧濃度傳感器，以每0.2毫米的精度測(cè)量了淹水土壤中從表層至6厘米深度的氧化還原層的溶解氧濃度。根據(jù)溶解氧濃度結(jié)果，采集了濃度高于1 mg L-1的氧化層土壤和濃度低于0 mg L-1的還原層土壤。采用乙炔阻斷技術(shù)測(cè)量了各氧化還原層的反硝化活性。研究發(fā)現(xiàn)，稻田土壤中的溶解氧濃度存在季節(jié)性變化，且變化發(fā)生在薄層中。在12~24°C范圍內(nèi)，氧化層厚度與土壤表層溫度呈正相關(guān)。氧化層的反硝化活性很小，稻田的反硝化作用主要依賴于還原層。

 

研究目的

本研究旨在探究稻田土壤中氧化還原層的季節(jié)性變化特征，特別是氧化層厚度的季節(jié)性變化及其對(duì)反硝化作用的影響。目的是為了更深入地理解稻田這一生態(tài)系統(tǒng)在氮素去除中的作用機(jī)制，為應(yīng)對(duì)氮素污染問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)。

 

研究思路

研究在日本茨城縣阿見(jiàn)町的一個(gè)長(zhǎng)期用于氮素去除研究的實(shí)驗(yàn)稻田中進(jìn)行。該田塊全年淹水且無(wú)植被。在2014年和2015年的多個(gè)特定日期（約上午9點(diǎn)）進(jìn)行野外監(jiān)測(cè)。測(cè)量?jī)?nèi)容包括土壤溫度、氣溫、進(jìn)水口、中點(diǎn)及出水口的水溫、電導(dǎo)率、pH、溶解氧和總氮濃度。核心研究思路是使用高精度的溶解氧傳感器（Unisense公司）垂直剖面測(cè)量土壤溶解氧，精確界定氧化層和還原層。然后分別采集這兩層的土壤樣品，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用乙炔阻斷技術(shù)測(cè)定其反硝化活性。最后，將環(huán)境因子（如溫度）、氧化層厚度和反硝化活性數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，以揭示其內(nèi)在關(guān)系。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1.  土壤溶解氧濃度剖面數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)來(lái)自圖1。研究意義在于通過(guò)高分辨率測(cè)量（每0.2毫米），精確揭示了稻田土壤氧化層厚度（溶解氧濃度為0 mg L-1的深度）存在明顯的季節(jié)性變化，通常在8月至9月間達(dá)到最厚。這直接證明了土壤微生物活動(dòng)等生物過(guò)程受溫度影響，從而動(dòng)態(tài)改變著土壤的氧化還原微環(huán)境。

 

2.  水溫、總氮濃度差與土壤表層溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)來(lái)自圖2。研究意義在于發(fā)現(xiàn)土壤表層溫度升高時(shí)，進(jìn)水口與中點(diǎn)之間的總氮濃度差增大，這表明氮素去除效率與溫度呈正相關(guān)，為理解溫度驅(qū)動(dòng)稻田氮素循環(huán)提供了證據(jù)。

 

3.  氧化層厚度與土壤表層溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)來(lái)自圖3。研究意義在于明確量化了在12~24°C范圍內(nèi)，氧化層厚度隨土壤表層溫度升高而增加的正相關(guān)關(guān)系。這表明溫度是控制氧化層發(fā)育的關(guān)鍵環(huán)境因子。

 

4.  氧化層與還原層反硝化活性數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)來(lái)自圖4(a)。研究意義在于直接比較了不同土層反硝化能力的差異，發(fā)現(xiàn)還原層的反硝化活性顯著高于氧化層，明確了稻田反硝化作用的主要發(fā)生區(qū)域。同時(shí)，氧化層活性在8月至9月有所升高，顯示了其活性也受季節(jié)影響。

 

5.  還原層反硝化活性與氧化層厚度的關(guān)系數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)來(lái)自圖4(b)。研究意義在于揭示了兩者之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即氧化層越厚，還原層的反硝化活性有降低的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)檩^厚的氧化層在一定程度上阻礙了硝態(tài)氮等底物向下方還原層擴(kuò)散，從而影響了還原層的反硝化過(guò)程。

 

結(jié)論

1.  稻田土壤中的溶解氧濃度及其決定的氧化層厚度具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。

2.  土壤表層溫度是影響氧化層厚度的關(guān)鍵因素，在12~24°C范圍內(nèi)，兩者呈正相關(guān)。

3.  稻田的反硝化作用主要發(fā)生在還原層，其活性遠(yuǎn)高于氧化層，但還原層的反硝化活性可能與上覆氧化層的厚度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的溶解氧濃度傳感器進(jìn)行測(cè)量，這一技術(shù)手段帶來(lái)了重要的研究意義。首先，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)極高空間分辨率（每0.2毫米）的溶解氧濃度剖面測(cè)量，這是傳統(tǒng)測(cè)量方法（如使用氧化還原電位Eh）難以做到的。這種高精度測(cè)量使得研究者能夠極其精確地界定土壤中氧化層和還原層的邊界（以溶解氧濃度0 mg L-1為界），甚至為了避免交叉污染，可以更保守地采集溶解氧高于1 mg L-1的氧化層樣品。其次，與使用鉑電極測(cè)量氧化還原電位（Eh）相比，直接測(cè)量溶解氧濃度避免了因傳感器處理工藝或接觸面積差異導(dǎo)致的測(cè)量偏差，結(jié)果更為可靠和直觀。第三，通過(guò)獲取連續(xù)的溶解氧垂直剖面數(shù)據(jù)，研究能夠清晰地揭示氧化層厚度在毫米尺度上的細(xì)微季節(jié)性動(dòng)態(tài)，從而將環(huán)境溫度的變化與土壤內(nèi)部微觀物理化學(xué)條件的改變直接聯(lián)系起來(lái)。總之，Unisense溶解氧傳感器的應(yīng)用，為本研究準(zhǔn)確刻畫(huà)稻田土壤氧化還原微環(huán)境的時(shí)空異質(zhì)性、進(jìn)而深入探究其與反硝化微生物活性的關(guān)系提供了關(guān)鍵且可靠的技術(shù)支撐。