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系研究

來源 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

會議論文：《2016年國際氮素倡議會議論文集，“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年進行了田間調查。調查在稻田中進行，測量了土壤溫度、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。根據溶解氧濃度結果，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。采用乙炔阻斷技術測量了各氧化還原層的反硝化活性。研究發現，稻田土壤中的溶解氧濃度存在季節性變化，且變化發生在薄層中。在12~24°C范圍內，氧化層厚度與土壤表層溫度呈正相關。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性變化特征，特別是氧化層厚度的季節性變化及其對反硝化作用的影響。目的是為了更深入地理解稻田這一生態系統在氮素去除中的作用機制，為應對氮素污染問題提供科學依據。

 

研究思路

研究在日本茨城縣阿見町的一個長期用于氮素去除研究的實驗稻田中進行。該田塊全年淹水且無植被。在2014年和2015年的多個特定日期（約上午9點）進行野外監測。測量內容包括土壤溫度、氣溫、進水口、中點及出水口的水溫、電導率、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，在實驗室內利用乙炔阻斷技術測定其反硝化活性。最后，將環境因子（如溫度）、氧化層厚度和反硝化活性數據進行關聯分析，以揭示其內在關系。

 

測量的數據及研究意義

1.  土壤溶解氧濃度剖面數據：數據來自圖1。研究意義在于通過高分辨率測量（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）存在明顯的季節性變化，通常在8月至9月間達到最厚。這直接證明了土壤微生物活動等生物過程受溫度影響，從而動態改變著土壤的氧化還原微環境。

 

2.  水溫、總氮濃度差與土壤表層溫度的關系數據：數據來自圖2。研究意義在于發現土壤表層溫度升高時，進水口與中點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，為理解溫度驅動稻田氮素循環提供了證據。

 

3.  氧化層厚度與土壤表層溫度的關系數據：數據來自圖3。研究意義在于明確量化了在12~24°C范圍內，氧化層厚度隨土壤表層溫度升高而增加的正相關關系。這表明溫度是控制氧化層發育的關鍵環境因子。

 

4.  氧化層與還原層反硝化活性數據：數據來自圖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，發現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生區域。同時，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影響。

 

5.  還原層反硝化活性與氧化層厚度的關系數據：數據來自圖4(b)。研究意義在于揭示了兩者之間存在負相關關系，即氧化層越厚，還原層的反硝化活性有降低的趨勢。這可能是因為較厚的氧化層在一定程度上阻礙了硝態氮等底物向下方還原層擴散，從而影響了還原層的反硝化過程。

 

結論

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性變化規律。

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

3.  稻田的反硝化作用主要發生在還原層，其活性遠高于氧化層，但還原層的反硝化活性可能與上覆氧化層的厚度存在負相關關系。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本研究使用丹麥Unisense公司生產的溶解氧濃度傳感器進行測量，這一技術手段帶來了重要的研究意義。首先，該傳感器能夠實現極高空間分辨率（每0.2毫米）的溶解氧濃度剖面測量，這是傳統測量方法（如使用氧化還原電位Eh）難以做到的。這種高精度測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，與使用鉑電極測量氧化還原電位（Eh）相比，直接測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致的測量偏差，結果更為可靠和直觀。第三，通過獲取連續的溶解氧垂直剖面數據，研究能夠清晰地揭示氧化層厚度在毫米尺度上的細微季節性動態，從而將環境溫度的變化與土壤內部微觀物理化學條件的改變直接聯系起來。總之，Unisense溶解氧傳感器的應用，為本研究準確刻畫稻田土壤氧化還原微環境的時空異質性、進而深入探究其與反硝化微生物活性的關系提供了關鍵且可靠的技術支撐。