基于红外光声效应的土壤顶空NH3和N2O浓度监测

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ghj1983
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土壤氮是影响农业生产和生态环境的重要因子,氮的损失在导致养分资源浪费的同时也威胁生态环境。土壤氨挥发(NH3)和氧化亚氮(N2O)排放是土壤氮损失的重要途径之一,土壤顶空的NH3和N2O的浓度主要取决于土壤,但现有的测定方法不同程度地受到环境和气候的影响,难以反映土壤及施肥对NH3和N2O排放的影响。  利用红外光声光谱技术与悬臂式光声检测器相结合的方法可以实现对土壤顶空NH3和N2O组分浓度的原位监测,该方法测定灵敏度高,而且只需少量气体样品即可完成测定。本研究使用潮土作为试验材料,通过在不同施肥方式条件下培养土壤并测定其顶空气体中NH3和N2O组分浓度,探究不同施肥方式对土壤氮素气态损失的影响。  首先,确定了气态样品的光谱扫描参数,研究了扫描次数、分辨率和动镜速率等参数对光谱测定的影响。扫描次数越多、分辨率越低、动镜速率越小,获得的光谱信噪比越高。对于NH3和N2O红外光谱,当扫描次数为32次、分辨率为4 cm-1、动镜速率为0.16 cm s-1时,扫描得到的光谱质量较好,特征吸收峰能够得到清晰辨认,而且两种气体获得优化光谱的参数相同,但用于定量分析的特征吸收峰位置不同,因此可以同时进行测定。  其次,对不同浓度NH3标准气体和N2O标准气体的红外光谱进行分析,得到适于NH3定量分析的吸收峰位于920 cm-1-990 cm-1,对此波数范围内的光谱数据分别利用峰高、峰面积、主成分回归和偏最小二乘回归的方法建立NH3浓度预测模型,得到模型预测标准偏差分别为9.84μmol mol-1、9.87μmol mol-1、9.91μmol mol-1和5.19μmol mol-1。适于N2O定量分析的吸收峰位于1250 cm-1-1340 cm-1,同样利用峰高、峰面积、主成分回归和偏最小二乘回归的方法建立线性模型,预测标准偏差分别为0.88μmol mol-1、1.18μmol mol-1、0.95μmol mol-1和0.89μmol mol-1。峰高和峰面积适用于峰形比较规则的光谱或色谱分析,偏最小二乘回归建模优于主成分回归,因此建立NH3和N2O定量分析模型均使用偏最小二乘回归方法。  最后,通过土壤培养实验和顶空气体红外光谱分析研究了施肥条件对土壤氮素气态损失的影响。结果表明,施加氮肥的土壤顶空气体中NH3组分浓度最高值达到了248.90μmol mol-1,是不施加氮肥土壤顶空NH3浓度最大值的1.21倍;N2O浓度最大值为26.86μmol mol-1,是空白处理的1.55倍,因此施加氮肥可促进土壤NH3挥发和N2O排放。另外,氮肥的施用方式对土壤氮素损失也有较大影响,氮肥表施土壤顶空NH3最大浓度分别是深施和随水施入时的19.2倍和65倍,N2O浓度则分别为1.3倍和3.4倍,使用20%包膜尿素的土壤顶空NH3和N2O最大浓度比使用普通尿素低15%和80%,说明氮肥深施或随水施入,以及使用一定比例包膜氮肥能够有效减少土壤氮素气态损失。  红外光声光谱技术能够反映NH3和N2O的吸收特征,该吸收特征的干扰小,可用于定量分析,且悬壁式光声池检测灵敏度高,可实现开放式土壤顶空含氮气体(NH3和N2O)的原位监测。研究发现施肥方式和肥料种类都会对土壤氮素气态损失产生影响,施肥增加含氮气体的排放,而氮肥深施或随水施入显著减少含氮气体的排放,同时控释肥料的合理施用也可减少氮肥的气态损失。
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