氮素是植物生長發(fā)育過程中必需的大量營養(yǎng)元素之一，氮素對作物終產(chǎn)量的貢獻達到40％~50％，但是氮素的過量施用也會帶來嚴重的負面影響。近年由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施用氮肥過量及不合理的管理措施，大量氮素不能被當季作物吸收利用而富集在土壤中，由于土壤硝化作用造成NO3-N淋溶及反硝化作用造成N2O、NO的排放以及氨揮發(fā)等途徑損失，形成土壤酸化、地下水硝酸鹽污染、江河湖泊富營養(yǎng)化以及大氣環(huán)境污染等潛在威脅；此外，還會導致植物體內(nèi)氮素營養(yǎng)水平超過臨界值形成氮素脅迫，直接影響植物對水分和光能的吸收利用。據(jù)統(tǒng)計，中國目前氮肥年施用量是2500萬t，是世界平均水平的3倍，但是氮肥的利用效率卻只有30％。因此，廣泛開展減少氮素施用對水土氣等環(huán)境的污染風險、提高氮素利用率、保證農(nóng)產(chǎn)品安全等領域的研究有重要的意義。
2 觀測系統(tǒng)設計
2.1 目標
在以往的傳統(tǒng)研究中，采集樣品室內(nèi)測定植物氮素含量，土壤硝化和反硝化作用通常為取回土樣培養(yǎng)或施加外源同位素、抑制劑進行測量，土壤NO3-N的淋溶也是野外取實驗土柱，實驗室內(nèi)模擬研究。這些過程均破壞了樣品的原有結(jié)構(gòu)，并且改變了其固有的生長環(huán)境條件，無法確切的反映出真實情況；而且傳統(tǒng)的試驗手段在取樣、測定和數(shù)據(jù)分析等方面需要耗費大量人力、物力，時效性差。
AZ－A202原位氮素遷移觀測系統(tǒng)將植物、土體和地下水連續(xù)體作為對象進行系統(tǒng)觀測，為闡述氮素在植物、土體和地下水中的轉(zhuǎn)化遷移規(guī)律提供科學手段，為科學施肥管理和提高氮素利用效率提供數(shù)據(jù)支撐。
AZ－A202原位氮素遷移觀測系統(tǒng)采用基于光譜分析技術(shù)的葉綠素測量單元在田間快速、原位、無損測試活體樣品，測量植物氮含量水平；采用氮素脅迫測量單元，測量紫外光和藍光激發(fā)的紅外熒光比值，有效診斷植物氮素營養(yǎng)脅迫程度；采用基于*方法氣壓過程分離（BaPS）技術(shù)的土壤氮素轉(zhuǎn)化速率測量單元，以原狀土壤樣品為對象，同時測量某一土壤溫度和土壤水分條件下的土壤總硝化速率和反硝化速率，從而定量分析不同環(huán)境條件下土壤中占主導地位的微生物學過程（硝化作用or反硝化作用），判斷過度施肥情況下土壤硝化作用和反硝化作用對地下水硝酸鹽污染和大氣污染的貢獻率；采用埋設于大田土壤不同深度的原位土壤溶液取樣單元，結(jié)合自動土壤離子分析單元，在接近自然的條件下實時監(jiān)控氮素向下的淋溶遷移過程，并進行*定位試驗。
2.2 樣品采集
2.2.1 土壤樣品采集
自然條件下，選取具有代表性的典型區(qū)域作為取樣樣地；實驗研究條件下，根據(jù)研究目的選取特定區(qū)域作為取樣樣地。根據(jù)樣地類型、開闊平坦程度、土壤勻質(zhì)程度等條件可選擇“梅花形”“棋盤式”“S形”“網(wǎng)格法”進行布點，同一類型的土壤樣品，取3～7個原狀土樣作為重復。樣品采集的時間和頻率根據(jù)研究對象和目的決定。具體操作和細節(jié)可參照《土壤理化分析》中相關(guān)部分。
2.2.2 土壤溶液取樣
在農(nóng)田土壤中，通常按如下層次埋設土壤溶液取樣器，0-20cm，20-40cm，40-60cm，60-80cm，80-100cm，100-150cm。取樣頻率通常為生長季至少每2周一次，非生長季頻率要低一些。
2.3 觀測指標
植物葉綠素相對含量、紫外光和藍光激發(fā)的紅外熒光比值、土壤總硝化速率、土壤反硝化速率、NO3-N濃度。
2.4 觀測系統(tǒng)組成
AZA202原位氮素遷移觀測系統(tǒng)由植物葉綠素含量測量單元、植物氮素營養(yǎng)脅迫測量單元、土壤氮素轉(zhuǎn)化速率測量單元、土壤氮素淋溶遷移觀測單元、地下水取樣單元和土壤離子自動分析單元共同組成。
3 數(shù)據(jù)處理
3.1 葉綠素相對含量（CCI）----反映植物氮含量水平
CCI=931nm透光率％ / 653nm 透光率％
3.2 土壤氮素轉(zhuǎn)化速率----反映土壤中硝化作用和反硝化作用對地下水和大氣污染的貢獻
該系統(tǒng)土壤氮素轉(zhuǎn)化速率測量單元主要關(guān)注土壤中土壤呼吸、硝化作用、反硝化作用三個土壤微生物學過程，監(jiān)測O2 消耗 (△O2)、CO2 生成 (△CO2)、氣體的總變化量 (△n)。
土壤呼吸過程：CH2O + O2 ? CO2 + H2O
異養(yǎng)硝化菌硝化過程：NH4+ + 2O2 ? NO3- + H2O + H+
自養(yǎng)硝化菌硝化過程：NH3 + 1.68O2 + 0.23CO2 ? 0.05C5H7O2N + 0.86H2O + 0.95HNO3
反硝化過程：5CH2O + 4NO3- + 4H+ ? 5CO2 + 7H2O + 2NxOy
4 應用案例
4.1 應用葉綠素相對含量測量單元判斷煙草氮素營養(yǎng)狀況（李佛琳等，2007）
2003~2005年生長季測定了不同施氮量和烤煙品種葉片的葉綠素相對含量和實際葉綠素濃度、全氮濃度，并進行了三者關(guān)系分析。結(jié)果表明，應用葉綠素相對含量測量單元監(jiān)測烤煙葉片測定部位為*展開葉的中部。葉綠素相對含量測量單元測定值因年份、地點、氮肥水平、葉位、同一葉片不同的部位而異。葉綠素相對含量測量單元讀數(shù)與葉片總氮濃度之間有穩(wěn)定的極顯著相關(guān)性。葉綠素相對含量測量單元讀數(shù)與總氮含量之間回歸方程為N=0.0265SPAD+0.9601（R2=0.7649， p<>
4.2 土壤氮素轉(zhuǎn)化速率測量單元應用于荒漠綠洲帶膜下滴灌土壤硝化-反硝化和呼吸作用的研究（卜東升，鄭德明等，2009）
采用氣壓過程分離(BaPS)方法研究了覆膜和裸地(CK)土壤在常規(guī)施肥和不施肥條件下的硝化-反硝化速率和呼吸速率，目的是探討膜下滴灌土壤硝化-反硝化作用及呼吸作用的規(guī)律。結(jié)果表明:覆膜與裸地土壤在兩種施肥水平下的硝化-反硝化速率及呼吸速率都有明顯的季節(jié)變化;覆膜與裸地兩種不同栽培措施的硝化-反硝化速率、呼吸速率差異極顯著，在相同栽培措施下，不同施肥處理間的硝化-反硝化、呼吸速率也達極顯著水平;硝化-反硝化速率、呼吸速率在不同栽培措施和不同施肥水平下大小排列為:覆膜>裸地，常規(guī)施肥>不施肥?？梢?，農(nóng)業(yè)栽培措施和不同施肥水平對土壤硝化-反硝化及呼吸.
