土壤N循环总转化率的15N示踪单库模型分析法

土壤循环总转化率的示踪单库模型分析法
N N 15齐孟文
中国农业大学
1.背景
土壤的循环不但决定其素营养供给水平和营养生态条件，而且循环过程中的许多产物与一系列重大环境问题,如臭氧层的破坏、水体富营养化、地下水污染等有关，因此成为植物营养学和环境生态学研究共同持续关注的问题。

土壤素循环中的转化速率可分为总转化率和净转化率，前者是指某一途径转化过程的实际转化率，后者是指单位时间某种形态素含量净的变化量，其往往是多种途径共同作用结果的表观值，对于循环而言，总转化率更有意义，而同位素稀释法是测定土壤素总转化速率的基本方法。

N N N N N N 15N 土壤中的以有机、无机等不同的形态存在，各形态之间的转化构成复杂的循环体系，但因各素形态都可以方便的取样，因此在研究上可以将其与体系隔离开来,应用同位素稀释原理，结合简单的单库室模型进行分析。

N N N N N N
15
2.原理
在所研究的素池中，引入相同形态的，如或，则
该素池的丰度，会因非标记的输入及池中及（+）的输出而随时间变化，变化的快慢即可反映输入或输出速率。

（Kirkham and Bartholomew， 1954）最先给出了分析素周转的单库模型解析公式，其推导过程如下：
N N 15N -NH 154N -NO 15-3N N 15N N 15N 41N 以研究矿化作用为例，设库的总量为Q ，的量为，
（+）的
原子百分超为A(t)，矿化速率为，包括硝化在内的消除速率为，则
N -NH 4+
N -NH 154+q N -NH 4+N -NH 154+N 15I F o F
）（t A F dt
dq o −= N -NH 4+
的总量受和的控制，变化率为
Q I F o F o I F -F dt
d =Q 在任何时刻，标记池剩余的数量为
N -NH 154+
）
）（(t)A(t t q Q = 取导数有 dt d A(t)dt
dA (t)dt dq Q Q += 假定在短期的标记实验期间，输入和输出不变，则由(2)有
I F o F t F -(F t o I 0））（+=Q Q 由以上各上式整理有
(t)
d A(t)dA t F -F dt F o I 0o Q Q Q +=+−）（ Q Q dln dlnA dln F -F F -
o I o +=
t 0t 0t 0t o ln A A ln Q ln )/t -(F -
Q Q Q Q Q += 最终有 ）（0t 0t t 0I /ln )]/t /A (A ln )-[(F Q Q Q Q ⋅=
)/t -(-F F 0t I o Q Q =当考虑N 自然丰度对计量的影响时，相应公式推导如下（T Henery Blackburn ，1979）：设的库容为，
实验期间其生成率与消除率均为常数，分别为，则有
+4NH )P(t i d 和i -d dP/dt = 或 t i -d P P(t)0）（+
= （1） 让和分别表示和浓度，且令
N 15N 14+
415NH -N +414NH -N ）（N N N/R 141515+= （2）
上式，为库的的丰度，是实验可测量。

进而用表示的自然丰
度，将总库容随时间的变化方程，分为和两个库，则
R +
4NH N 15n 15N 15N 15N 14iR -n d N/dt d 1515= (3a）
）（）（R -1i -n 1-d N/dt d 1514= (3b）
对(2)微分带入（3），简化后有
R)d/p -n dR/dt 15（=
（4） 积分并利用（1）的线性表达式，有
)(P/P ln i)]-[d/(d n -R /ln n R-ln 015015=）（）（ （5）
整理，最终有
)ln(P/P ]/t (A/A ln )P -P [d 000⋅=）（
（6） t p -p -d i 0
= （7）
该式与未考虑自然丰度情况下的公式形式上一致，只是将丰度用原子百分超替代即可。

3.举例（兰 婷等. 采用15N 同位素稀释法研究不同层次土壤氮素总转化速率. 土 壤 , 2011, 43 (2): 153～160
1)方法
取备用土样（干重）置于三角瓶，加蒸馏水至，黑暗条件下恒温培养一周后，加入丰度均为标记溶液，A 组为，为，并将土壤含水量至60%WHC ，继续培养。

在标记引入
后2h、1d、2d、4d、7d取土样。

按夜土比5:1,加入 KCl ，、振荡，定量滤纸过滤，用流动分析仪测定浓度，浸提液的丰度用蒸出后经硼酸溶液吸收、浓缩后用质谱测定；
丰度的测定，将转化为后质谱测定。

g 40ml 25040%WHC C 25020%314415NO NH 组B 315414NO NH 7d mol/L m 200C 250min 200R/h 1N -NO 3和N -NH 4+
415NH MgO 3NH -3
15NO -315NO O N 215
2)计算
按Hart 等改进方程计算
）
））t 404t 0t 404]NH /[]ln([NH /APE (APE ln /t]][NH -][([NH m +
+++
= t
][NH -][NH -m c t 4t 4m ）（++
= 0-34t -34net N])-[NO N]-[NH -N])-[NO N]-[NH m ++=+
+（（
0-3t -3net N]-[NO -N]-[NO n =
式中，m 为矿化率）；为的消除率）；APE 是的原子百分超；是的含量土d mg/kg (⋅m c N -NH 4土d mg/kg (⋅N -NH 415+][NH 4
++4NH 土⋅mg/kg (），下角标0和t 指初始时刻和t 时刻；是净矿化率net m 土d mg/kg (⋅）
；是硝化率），N 素的消化率n 与消耗率，是将的浓度和丰度带入，按相同公式计算得到。

net n 土d mg/kg (⋅m c -3NO 3)结果
图.N 素矿化速率随培养时间的变化
图.N 素硝化速率随培养时间的变化。