基于红外光声效应的中国典型农田土壤氮素转化过程及其影响因素研究

土壤中氮的转化过程及其影响因素对农业生产和生态环境建设具有重要意义，该转化过程涉及固相、液相和气相，而常规化学分析方法由于需要样品前处理而难以准确地定量表征。本研究基于光声效应，其中最新悬壁式(cantilever-type)光声池可实现固态、液态和气态样本的测定,能进行传统膜式光声池难以实现的土壤顶空分析(headspace analysis)，并可实现氮同位素的快速原位测定。以中国典型农田土壤（黑土、潮土、水稻土和红壤）为材料，采用悬臂式红外光声光谱(FTIR-PAS)系统地研究土壤氮在三相中/间的转化过程（包括硝化、反硝化、矿化、固定、氨挥发等），结合化学计量学的方法（偏最小二乘、人工神经网络、小波分析等），原位监测和追踪不同氮肥、pH、有机质、水分、温度及种植制度等条件下氮的形态、含量及其时空分布特征，构建氮在土壤三相中/间的转化模型，为氮肥高效利用提供理论和技术支撑。

氮素转化过程主要包括水解、硝化、氨挥发等，目前这些过程的表征主要以化学分析为主，然而大部分化学分析方法是一种破坏性分析，其结果有时并不能完全真实地反映实际情况。本研究以中国典型农田土壤为材料，采用不同红外光声光谱技术，结合化学计量学的方法，原位监测和追踪不同氮肥、pH、有机质、水分、温度及等条件下氮的形态、含量及其时空分布特征，分析氮的转化过程及其影响因素。通过以上研究，优化了我国典型农田土壤红外光声光谱测定参数 (动镜速率 0.32 cm s-1 或0.64 cm s-1, 扫描次数32次或64次), 明确了不同农田土壤的红外光声光谱特征，包括三大特征区：O-H、N-H、C-H 吸收区 (1800-3600 cm-1)，C=O、N=O 吸收区 (1300-1800 cm-1)，C-O、C-C、Si-O 吸收区 (900-1200 cm-1）；构建光谱中土壤氮素信息提取的数学方法，定量地揭示了氮的主要转化及其影响因素。土壤矿物表面的有机物在介观尺度表现出强异质性, 可分为三层: 表面层, 中间层和界面层。表面层厚约为20 μm, 含较丰富的淀粉类的物质，间层厚度也约是20 μm, 含较丰富的芳香化物质，界面层达60 μm, 含较丰富的杂环化物质，有机氮可从易矿化的形态向更稳定的形态转换, 其中芳香化杂环化是氮向稳定性形态转化的两个方向。土壤顶空 NH3 浓度与 NH3 挥发密切相关，施肥处理均在施肥后第2天和14天出现挥发峰值，分别为 53.7 μmol·mol-1 和 66.7μmol·mol-1。土壤顶空 N2O 浓度与也与 N2O 排放密切相关，且分别在施肥后的第 5 天、第 15天和第 31 天出现三个峰值，因此，N2O 排放除了与施肥有关外，还与干湿交替有关。硝酸盐的特征吸收区在 1200-1500 cm-1，该特征波段可以用于溶液和土壤中硝态氮的快速检测。进一步发现，与常规 14NO3- 相比，15NO3- 的吸收峰红移约 35 cm-1，可实现不同氮同位素标记的硝态氮快速预测，进而得到水稻土中净硝化速率为3.00 ± 0.38 mg N kg-1 day-1，其中约有 60%～68% 的氮来自于土壤矿化氮，并进一步证实了水稻土中铁介导的硝酸还原。采集5000多条土壤数据，构建土壤红外光声光谱库，利自适用预测模型，可定性和定量地表征土壤氮素形态及转