一种可用于氮同位素自然丰度测定的土壤氨气测定方法

1.本发明属于土壤环境领域，涉及使用同位素技术测定nh3挥发氮同位素自然丰度，具体涉及一种可用于氮同位素自然丰度测定的土壤氨气测定方法。


背景技术：

2.氨气(nh3)是大气环境中主要的碱性气体，也是大气活性氮的重要组成部分，在大气化学和土壤氮循环中起着关键作用。大量nh3进入环境后对生态系统功能产生诸多影响，如nh3随着大气氮沉降进入陆地和海洋生态系统，造成土壤酸化、水体富营养化并改变物种间的竞争格局，降低生物多样性。空气中的nh3极易与酸性物质二氧化硫(so2)和氮氧化物(nox)等发生化学反应，生成的铵盐是形成大气颗粒物的主要成分，会导致空气污染并严重危害人体健康。因此，明确和量化农田系统对大气nh3的贡献是合理减排的基础，而明确其排放量的前提就是关于排放量的准确测定。
3.目前，直接测定nh3挥发的方法主要有密闭室通气法、微气象学法和风洞法。微气象学法虽准确性高，但通常需要在试验区面积较大的田间进行监测，而欧洲国家流行的风洞法装置结构复杂，制作成本高，且这两种方法需要使用高精密度和灵敏度的仪器测定气象因子等，在我国较少应用。对于多因素的田间小区试验或者室内培养试验，多采用密闭通气法测定nh3挥发，其原理是将供试的土壤、肥料等挥发底物与外界环境相隔起来，用酸性吸收液或浸有酸液的物体吸收挥发出的nh3，再进行定量分析。通过空气交换的方式不同，又将密闭通气法分为间歇抽气法(密闭法)和海绵吸收法(通气法)，这两种方法装置结构简易，测定方法易操作，对试验环境要求较低，因此成为测定nh3挥发最常用的方法。然而对于上述海绵吸收法而言，培养装置和吸收方法的不同都会直接或间接地影响结果的准确性。关于海绵吸收法已有很多研究，但其回收率测定的结果较少。另外，目前越来越多的研究对排放出来的nh3进行同位素值的测定，以便于大气nh3的溯源，但关于nh3挥发测定方法对同位素的影响缺乏研究，对于不同的同位素标准溶液作为挥发底物后该方法的回收率研究不足。


技术实现要素：

4.解决的技术问题：为了解决上述的技术问题，在传统密闭通气法的基础上，本发明提供一种可用于氮同位素自然丰度测定的土壤氨气测定方法，采用0.3mol/l h2so4吸收液通过对(nh4)2so4溶液及3种同位素usgs-25(-30.4
‰
)、usgs-26( 53.7
‰
)和iaea-n-1( 0.4
‰
)配制的含氮标准溶液进行24h吸收转化，使用流动分析仪测定各部分nh
4 -n(mg n)含量，计算nh3挥发的系统回收率r(％)，以期找到一种更精确的方法使海绵吸收法测定结果更能反映nh3挥发的实际情况。
5.技术方案：一种可用于氮同位素自然丰度测定的土壤氨气测定方法，步骤为：塑料培养瓶中加入100ml含nh
4 -n浓度20mg/l的(nh4)2so4溶液或氮同位素标准物质配制的标准溶液，培养瓶的颈部放入圆形海绵，海绵中含3ml 0.3mol/l h2so4吸收液，瓶盖打孔并将硬
质橡胶管塞入孔中，将含h2so4吸收液的小海绵用镊子塞入橡胶管中；用注射器穿过圆形海绵向瓶中加入5ml 0.1mol/l naoh溶液后盖上上述瓶盖，生成的nh3被圆形海绵中的h2so4吸收液捕获；培养瓶放入25℃、95％rh的恒温恒湿培养箱培养24h后，向瓶中加入0.8ml h2so4中和过量naoh，终止nh3挥发；吸收nh3之后的圆形海绵在25℃、200rpm振荡箱中由1mol/l kcl溶液浸提2.5h之后用2.5μm whatman 42滤纸过滤，滤液调ph为6后，用流动分析仪测定nh
4 -n含量，同时测定培养瓶中残留液的nh
4 -n含量，再通过计算得到nh3挥发的系统回收率。
6.上述标准溶液为usgs-25配制的氮同位素标准液。
7.上述标准溶液为usgs-26配制的氮同位素标准液。
8.上述标准溶液为iaea-n-1配制的氮同位素标准液。
9.塑料培养瓶直径8.5cm，瓶盖打孔直径1.4cm，孔内塞入直径1.4cm的橡胶管，圆形海绵直径为5.5cm、厚度1cm。
10.氨气挥发的系统回收率r(％)＝(c0 c1)/c2×
100，其中c0为海绵浸提后滤液测得nh
4 -n(mg n)含量，c1为反应后硫酸铵溶液或氮同位素标准液中nh
4 -n(mg n)含量，c2为反应前硫酸铵溶液或氮同位素标准液中nh
4 -n(mg n)含量。
11.有益效果：本发明提供的土壤氨挥发测定方法，相比于其他测定装置及方法，装置结构简易且一致性好，制作成本更低，充分考虑了土壤底物采样和氨气收集的易操作性，该方法对试验环境要求较低，装置密闭性好，将外界环境相隔后减少干扰物质的影响且灵敏度高，测量误差小，既便于批量化开展氨挥发试验又可准确获得数据。本方法目的在于分析(nh4)2so4溶液及3种氮同位素标准溶液作为挥发底物对海绵吸收法的nh3挥发回收率的影响，将含h2so4吸收液的小海绵塞入瓶盖中间的橡胶管，避免外界环境中干扰物质的影响，同时用注射器穿过海绵加入naoh溶液防止挥发的nh3向外逃逸，体现了该方法在密闭性和可操作性方面协同增效的作用。试验结果显示该方法的系统回收率较高且变异系数较低，意味着测定结果的准确性和精度更可靠，可以应用于nh3挥发及其同位素自然丰度特征的测定。
附图说明
12.图1为该土壤nh3挥发测定方法的装置结构示意图；
13.图2为该方法下不同施氮水平下土壤nh3挥发的累积排放量；
14.图3为该方法下不同施氮水平下土壤nh3挥发的排放通量；
15.图4为该方法下不同施氮水平下土壤nh3挥发的δ
15
n同位素自然丰度特征；
具体实施方式
16.实施例1
17.1.仪器设备与主要试剂
18.(1)主要仪器设备
19.连续流动分析仪(skalar san system)，荷兰skalar仪器公司。
20.(2)主要试剂
21.①
吸收液：h2so4吸收液，0.3mol/l
22.②
硫酸铵溶液：nh
4 -n浓度为20mg/l
23.③
氮同位素标准物质：usgs-25(-30.4
‰
)、usgs-26( 53.7
‰
)、iaea-n-1( 0.4
‰
)，配制成nh
4 -n浓度为20mg/l的标准溶液。
24.④
其他试剂：naoh溶液，0.1mol/l；kcl浸提剂，1mol/l。
25.2.实施方法
26.一种可用于氮同位素自然丰度测定的土壤氨气测定方法，步骤为：塑料培养瓶中加入100ml含nh
4 -n浓度20mg/l的(nh4)2so4溶液或氮同位素标准物质(usgs-25、usgs-26、iaea-n-1)配制的标准溶液，培养瓶的颈部放入圆形海绵(含3ml 0.3mol/l h2so4吸收液)，来捕获瓶中底物溶液中挥发出的nh3。瓶盖打孔并将硬质橡胶管塞入孔中，将小海绵(含h2so4吸收液)用镊子塞入橡胶管中。用注射器穿过圆形海绵向瓶中加入5ml 0.1mol/l naoh溶液后迅速盖上上述瓶盖，生成的nh3被圆形海绵中的h2so4吸收液捕获。培养瓶放入25℃、95％rh的恒温恒湿培养箱培养24h后，向瓶中加入0.8ml h2so4中和过量naoh，终止nh3的挥发。吸收nh3之后的圆形海绵在25℃、200rpm振荡箱中由1mol/l kcl溶液浸提2.5h之后用whatman 42(2.5μm)滤纸过滤，滤液调ph约6后，用流动分析仪测定nh
4 -n含量，同时测定培养瓶中残留液的nh
4 -n含量，再通过计算得到nh3挥发的系统回收率。
27.具体而言，所述的塑料培养瓶直径8.5cm，瓶盖打孔直径1.4cm，孔内塞入直径1.4cm的橡胶管，圆形海绵直径为5.5cm、厚度为1cm。
28.3.计算方法
29.nh3挥发的系统回收率r(％)＝(c0 c1)/c2×
100
30.其中c0为海绵浸提后滤液测得nh
4 -n(mg n)含量，c1为反应后硫酸铵溶液或氮同位素标准液中nh
4 -n(mg n)含量，c2为反应前硫酸铵溶液或氮同位素标准液中nh
4 -n(mg n)含量。
31.不同含氮底物对该方法的适用性
32.通过测定并分析不同含氮底物nh3挥发过程的回收率发现，不同含氮底物对该方法的适用性较好。由表1、表2可知，当(nh4)2so4溶液作为挥发底物时，nh3挥发回收率的平均值为96.43％，变异系数为0.47％；当三种氮同位素标准物质配制的标准溶液作为挥发底物时，nh3挥发回收率的平均值分别为99.09％、96.03％和97.72％，变异系数分别为0.16％、0.17％和1.24％。因此本发明验证了该方法测定nh3挥发的可靠性和精确度较高，且不同含氮底物对该方法的适用性较好，使用该方法测定nh3挥发的结果更能反映实际情况，对室内培养条件下nh3挥发及其同位素自然丰度的测定具有重要意义。
33.表1硫酸铵溶液nh3挥发回收率测定结果
34.35.表2不同氮同位素标准溶液nh3挥发回收率测定结果
[0036][0037]
应用实例
[0038]
1.使用该方法测定不同施氮水平下土壤的nh3排放量
[0039]
供试土壤采集于常熟市辛庄镇中国科学院常熟农业生态实验站内(31
°
32
′
93
″
n，120
°
41
′
88
″
e)，共试验设置四个施氮水平，分别为n0(即0kg n ha-1
，相当于0mg尿素)、n20(即20kg n ha-1
，相当于7.04mg尿素)、n180(即180kg n ha-1
，相当于63.36mg尿素)、n360(即360kg n ha-1
，相当于126.72mg尿素)。
[0040]
首先向塑料培养瓶中加入100g风干土并轻摇铺平，分别按照上述施氮水平施入尿素并用超纯水将土壤水分调节至60％wfps。上述培养瓶的颈部放入圆形海绵(含3ml 0.3mol/l h2so4吸收液)，瓶盖打孔并将硬质橡胶管塞入孔中，将蘸取h2so4吸收液的小海绵用镊子塞入橡胶管中并盖上上述瓶盖，土壤挥发的nh3被圆形海绵中的h2so4吸收液捕获。将培养瓶放入25℃、95％rh的恒温恒湿培养箱中连续培养15d，且分别在培养后第1、2、3、4、5、6、7和15天对捕获nh3的海绵和培养后的土壤进行非破坏式采样，即设置了全部采样次数相应的重复。捕获nh3的海绵在25℃、200rpm振荡箱中由1mol/l kcl溶液浸提2.5h之后用whatman 42(2.5μm)滤纸过滤，滤液调ph约6后，用流动分析仪测定nh
4 -n浓度，再通过计算得到土壤nh3挥发的累积排放量和排放通量。如图1、图2所示，nh3挥发的累积排放量和排放通量随尿素施氮量和培养时间的不同而不同，施氮水平越高，土壤nh3挥发的累积排放量越高；随着施氮水平的升高，同一采样时间的nh3挥发排放通量越高。
[0041]
2.使用该方法测定不同施氮水平下土壤nh3挥发的同位素自然丰度特征
[0042]
供试土壤采集于常熟市辛庄镇中国科学院常熟农业生态实验站内(31
°
32
′
93
″
n，120
°
41
′
88
″
e)，共试验设置四个施氮水平，分别为n0(即0kg n ha-1
，相当于0mg尿素)、n20(即20kg n ha-1
，相当于7.04mg尿素)、n180(即180kg n ha-1
，相当于63.36mg尿素)、n360
(即360kg n ha-1
，相当于126.72mg尿素)。
[0043]
首先向塑料培养瓶中加入100g风干土并轻摇铺平，分别按照上述施氮水平施入尿素并用超纯水将土壤水分调节至60％wfps。上述培养瓶的颈部放入圆形海绵(含3ml 0.3mol/l h2so4吸收液)，瓶盖打孔并将硬质橡胶管塞入孔中，将蘸取h2so4吸收液的小海绵用镊子塞入橡胶管中并盖上上述瓶盖，土壤挥发的nh3被圆形海绵中的h2so4吸收液捕获。将培养瓶放入25℃、95％rh的恒温恒湿培养箱中连续培养15d，且分别在培养后第1、2、3、4、5、6、7和15天对含h2so4吸收液的海绵和培养后的土壤进行非破坏式采样，即设置了全部采样次数相应的重复。吸收nh3之后的海绵在25℃、200rpm振荡箱中由1mol/l kcl溶液浸提2.5h之后用whatman 42(2.5μm)滤纸过滤，滤液调ph约6后，用流动分析仪测定nh
4 -n浓度。海绵捕获的nh3的同位素自然丰度值采用化学转换法进行测定，试验中选择usgs-25(-30.4
‰
)，usgs-26( 53.7
‰
)和iaea-n-1( 0.4
‰
)作为同位素标准值进行质量控制。
[0044]
如图3所示，土壤nh3挥发的同位素自然丰度值随施氮水平和培养时间的不同而不同，施肥量越高，δ
15
n-nh3值越低，且δ
15
n-nh3值随培养时间的推移先降低后升高。