CN102778551B - 无土测定土壤有机碳矿化速率的方法 - Google Patents

Abstract

无土测定土壤有机碳矿化速率的方法，本发明涉及一种培养装置和利用该装置测定土壤有机碳矿化速率的方法。本发明为了解决现有的碱液吸收法、气象色谱法和红外气体分析仪法的培养装置实验误差大、难以连续采样及测试方法仅测定CO₂，不测定CH₄的问题。装置：由生化培养大头针、阀门、橡胶塞、连接管、广口瓶组成；方法：一、取装置；二、制取微生物接种液和水溶性有机碳母液；三、制备培养液；四、组装试样装置；五、组装空白装置；六、培养；七、测定。本发明的装置实验误差降至5％以内、能连续采样，本发明的方法能同时测定CO₂和CH₄排放速率。本发明的装置和方法用于测定土壤有机碳矿化速率。

Description

无土测定土壤有机碳矿化速率的方法

技术领域

一种培养装置和利用该装置测定土壤有机碳矿化速率的方法。

背景技术

土壤储存着高达1500Pg的有机碳，是大气碳库的3倍、陆地生物量的2.5倍，土壤有机碳库的微小变化都能导致大气CO₂浓度的剧烈波动，在全球生碳循环中起着极其重要的作用。土壤有机碳的矿化不仅受温度条件、水分状况、土壤性质等因素的影响，且与土壤碳、氮含量有关。在全球变暖的趋势下，如何准备测定土壤有机碳的矿化速率和矿化量，已成为近年来土壤与全球变化研究的重点和科学问题之一。

国内外许多研究表明，除了培养土壤水热条件外，测试方法和测试过程/环境条件是影响土壤有机碳矿化测定结果和预测结果精确度的一个重要方面。目前，国内外研究土壤有机碳分解矿化(或土壤呼吸)存在多种方法，如碱液吸收法、气象色谱法、和红外气体分析仪法等。然而，上述方法的不确定性因素较多，存在培养装置实验误差大、难以连续采样，及测试方法仅测定CO₂，不测定CH₄的问题，制约了该研究往实验误差更小的方向迈进。

发明内容

本发明解决了现有的碱液吸收法、气象色谱法和红外气体分析仪法的培养装置实验误差达10％以上、难以连续采样的不足，并针对以上测试方法仅测定CO₂，不测定CH₄的问题，而提供了无土测定土壤有机碳矿化速率的方法。

本发明有机碳矿化培养装置，由生化培养大头针、阀门、橡胶塞、连接管、广口瓶组成；其中有机碳矿化培养装置，连接管穿透橡胶塞，连接管位于橡胶塞底面积较大一侧的端部通过阀门与生化培养大头针连接，将橡胶塞盖在广口瓶瓶口。

利用上述有机碳矿化培养装置无土测定土壤有机碳矿化速率的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、取2套有机碳矿化培养装置A和B；

二、测定土壤含水率，根据含水率按干土质量与蒸馏水体积比为1g：4.5～5.5mL称取土壤和蒸馏水，将称取的土壤和蒸馏水加入到烧杯中磁力搅拌混合30min，再以2900～3100rpm的转速离心5min后，按体积量取5％上清液作为微生物接种液；将剩余的上清液经0.45μm滤膜过滤后，得到水溶性有机碳母液；

三、按微生物接种液与水溶性有机碳母液的体积比为1：(17～20)量取步骤二得到的微生物接种液和水溶性有机碳母液，将量取的微生物接种液和水溶性有机碳母液加入到烧杯中，混合均匀，得到培养液A；量取与培养液A中微生物接种液等体积的微生物接种液和与培养液A中水溶性有机碳母液等体积的蒸馏水，混合均匀，得到对照培养液B；

四、按石英砂质量和培养液A体积的比为1g：2.5～3mL量取石英砂和培养液A，将量取的石英砂平铺在有机碳矿化培养装置A的广口瓶底部，然后加入量取的培养液A，得到试样测试装置A；其中石英砂的质量与广口瓶容积的比为1g：8～10mL，有机碳矿化培养装置中广口瓶的容积为V₁，培养液和石英砂混合后的体积为V₀；

五、量取与试样测试装置A中石英砂等质量的石英砂平铺在有机碳矿化培养装置B的广口瓶底部，量取与试样测试装置A中培养液A等体积的对照培养液B，加入到有机碳矿化培养装置B的广口瓶中，得到空白测试装置B；其中有机碳矿化培养装置B的广口瓶的容积与有机碳矿化培养装置A的广口瓶的容积相等；

六、将试样测试装置A和空白测试装置B同时放入培养箱中进行培养，按12h/12h设置为白天/夜晚两段，白天温度为25℃、湿度为80％、光照强度为12000Lx，夜晚温度为15℃、湿度为60％、光照强度为0；培养过程中每24h称重试样测试装置A和空白测试装置B，再将橡胶塞打开，完全通气0.5h后，再次称重试样测试装置A和空白测试装置B，并根据与前一次的重量记录的差值向试样测试装置A的广口瓶和空白测试装置B的广口瓶中加入等质量的蒸馏水；

七、培养0.5天、1.0天、2.0天、4.0天、8.0天后，封闭阀门培养2小时，按体积抽取60～70％试样测试装置A的广口瓶和空白测试装置B的广口瓶中气体作为气体样品，采用激光温室气体分析仪测定气体样品中CO₂和CH₄的体积百分含量，按如下公式计算土壤有机碳矿化速率： ${v_{{\mathrm{CO}}_2}=\frac{{10}^{-6}\×(X_{A,C{O}_2}-X_{{B,\mathrm{CO}}_2})\×(V_1-V_0)\×M_{{\mathrm{CO}}_2}\×273K}{22.4\×298K\×2h}}_{},$ ${v_{{\mathrm{CO}}_4}=\frac{{10}^{-6}\×(X_{A,C{H}_4}-X_{{B,\mathrm{CH}}_4})\×(V_1-V_0)\×M_{{\mathrm{CH}}_4}\×273K}{22.4\×298K\×2h}}_{},$ $v=v_{{\mathrm{CO}}_2}+v_{{\mathrm{CH}}_4};$ 其中为CO₂的排放速率，为CH₄的排放速率，v为土壤有机碳矿化速率，为试样测试装置A中CO₂的体积百分含量，为空白测试装置B中CO₂的体积百分含量，为试样测试装置A中CH₄的体积百分含量，为空白测试装置B中CH₄的体积百分含量，为CO₂的分子量，为CH₄的分子量。

本发明的有益效果是：本发明的培养装置便于连续采样；由于采用无土培养模式，不存在土壤内部理化性质不均匀性对有机碳矿化的干扰，具有实验误差小的优点，测定结果实验误差降至5％以下；本发明的测定方法可以同时测定CO₂和CH₄的排放速率，测定的CO₂排放速率变异系数不超过50％、CH₄排放速率变异系数不超过100％、同时以CO₂和CH₄计算的有机碳矿化速率变异系数不超过50％。

本发明的有机碳矿化培养装置和利用该装置无土测定土壤有机碳矿化速率的方法用于测定土壤有机碳矿化速率。

本发明在国家自然科学基金“不同水文情势下铁对三江平原湿地有机质分解过程的影响研究”中得到检验，与采用常规有土培养方法相比，本发明测定的有机碳矿化速率的准确度和精密度高。

附图说明

图1为具体实施方式一的有机碳矿化培养装置示意图，其中1为生化培养大头针、2为阀门、3为橡胶塞、4为连接管、5为广口瓶。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：(参见附图1)本实施方式有机碳矿化培养装置，它由生化培养大头针1、阀门2、橡胶塞3、连接管4、广口瓶5组成；其中有机碳矿化培养装置，连接管4穿透橡胶塞3，连接管4位于橡胶塞3底面积较大一侧的端部通过阀门2与生化培养大头针1连接，将橡胶塞3盖在广口瓶5瓶口。

具体实施方式二：本实施方式利用有机碳矿化培养装置无土测定土壤有机碳矿化速率的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、取2套有机碳矿化培养装置A和B；

二、测定土壤含水率，根据含水率按干土质量与蒸馏水体积比为1g：4.5～5.5mL称取土壤和蒸馏水，将称取的土壤和蒸馏水加入到烧杯中磁力搅拌混合30min，再以2900～3100rpm的转速离心5min后，按体积量取5％上清液作为微生物接种液；将剩余的上清液经0.45μm滤膜过滤后，得到水溶性有机碳母液；

三、按微生物接种液与水溶性有机碳母液的体积比为1：(17～20)量取步骤二得到的微生物接种液和水溶性有机碳母液，将量取的微生物接种液和水溶性有机碳母液加入到烧杯中，混合均匀，得到培养液A；量取与培养液A中微生物接种液等体积的微生物接种液和与培养液A中水溶性有机碳母液等体积的蒸馏水，混合均匀，得到对照培养液B；

四、按石英砂质量和培养液A体积的比为1g：2.5～3mL量取石英砂和培养液A，将量取的石英砂平铺在有机碳矿化培养装置A的广口瓶5底部，然后加入量取的培养液A，得到试样测试装置A；其中石英砂的质量与广口瓶5容积的比为1g：8～10mL，有机碳矿化培养装置中广口瓶5的容积为V₁，培养液和石英砂混合后的体积为V₀；

五、量取与试样测试装置A中石英砂等质量的石英砂平铺在有机碳矿化培养装置B的广口瓶5底部，量取与试样测试装置A中培养液A等体积的对照培养液B，加入到有机碳矿化培养装置B的广口瓶5中，得到空白测试装置B；其中有机碳矿化培养装置B的广口瓶5的容积与有机碳矿化培养装置A的广口瓶5的容积相等；

六、将试样测试装置A和空白测试装置B同时放入培养箱中进行培养，按12h/12h设置为白天/夜晚两段，白天温度为25℃、湿度为80％、光照强度为12000Lx，夜晚温度为15℃、湿度为60％、光照强度为0；培养过程中每24h称重试样测试装置A和空白测试装置B，再将橡胶塞3打开，完全通气0.5h后，再次称重试样测试装置A和空白测试装置B，并根据与前一次的重量记录的差值向试样测试装置A的广口瓶5和空白测试装置B的广口瓶5中加入等质量的蒸馏水；

七、培养0.5天、1.0天、2.0天、4.0天、8.0天后，封闭阀门2培养2小时，按体积抽取60～70％试样测试装置A的广口瓶5和空白测试装置B的广口瓶5中气体作为气体样品，采用激光温室气体分析仪测定气体样品中CO₂和CH₄的体积百分含量，按如下公式计算土壤有机碳矿化速率： ${v_{{\mathrm{CO}}_2}=\frac{{10}^{-6}\×(X_{A,C{O}_2}-X_{{B,\mathrm{CO}}_2})\×(V_1-V_0)\×M_{{\mathrm{CO}}_2}\×273K}{22.4\×298K\×2h}}_{},$ ${v_{{\mathrm{CO}}_4}=\frac{{10}^{-6}\×(X_{A,C{H}_4}-X_{{B,\mathrm{CH}}_4})\×(V_1-V_0)\×M_{{\mathrm{CH}}_4}\×273K}{22.4\×298K\×2h}}_{},$ $v=v_{{\mathrm{CO}}_2}+v_{{\mathrm{CH}}_4};$ 其中为CO₂的排放速率，为CH₄的排放速率，v为土壤有机碳矿化速率，为试样测试装置A中CO₂的体积百分含量，为空白测试装置B中CO₂的体积百分含量，为试样测试装置A中CH₄的体积百分含量，为空白测试装置B中CH₄的体积百分含量，为CO₂的分子量，为CH₄的分子量。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤二中按干土质量与蒸馏水体积比为1g：4.8～5.2mL称取土壤和蒸馏水。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三之一不同的是：步骤二中以2950～3050rpm的转速离心。其它与具体实施方式二或三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：步骤三中微生物接种液与水溶性有机碳母液的体积比为1：(17.5～19..5)。其它与具体实施方式二至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是：步骤四中石英砂质量和培养液体积的比为1g：2.6～2.8mL。其它与具体实施方式二至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是：步骤七中抽取62～68％有机碳矿化培养装置A和B的广口瓶5中气体。其它与具体实施方式二至六之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例：

本实施例利用有机碳矿化培养装置无土测定土壤有机碳矿化速率的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、取4套有机碳矿化培养装置A、B、C.和D；

二、测定新鲜沼泽草甸土含水率为65.6％，按干土20g计算，称取58.14g鲜土与100mL蒸馏水，将称取的土壤和蒸馏水加入到200mL烧杯中磁力搅拌混合30min，再以3000rpm的转速离心5min后，量取5mL上清液作为微生物接种液；将剩余的上清液经0.45μm滤膜过滤后，得到96mL水溶性有机碳母液；

三、量取3mL步骤二得到的微生物接种液和57mL水溶性有机碳母液，将量取的微生物接种液和水溶性有机碳母液加入到烧杯中，混合均匀，得到60mL培养液，将得到的培养液平均分3组，每组20mL；取19mL蒸馏水和1mL微生物接种液，混合均匀，得到对照培养液；

四、量取150g石英砂，将量取石英砂平均分为3组每组50g，平铺在有机碳矿化培养装置A、B、C的广口瓶底部，然后分别加入步骤三得到的三组20mL培养液，得到试样测试装置A、B、C；其中有机碳矿化培养装置中广口瓶的容积为500mL，培养液和石英砂混合后的体积为50mL；

五、量取50g石英砂平铺在有机碳矿化培养装置D的广口瓶底部，加入步骤三得到的对照培养液，得到空白测试装置D；其中有机碳矿化培养装置D的广口瓶的容积为500mL；

六、将试样测试装置A、B、C和空白测试装置D同时放入培养箱中进行培养，按12h/12h设置为白天/夜晚两段，白天温度为25℃、湿度为80％、光照强度为12000Lx，夜晚温度为15℃、湿度为60％、光照强度为0；培养过程中每24h称重试样测试装置A、B、C和空白测试装置D，再将阀门打开，完全通气0.5h后，再次称重试样测试装置A、B、C和空白测试装置D，并根据与前一次的重量记录的差值向试样测试装置A、B、C的广口瓶和空白测试装置D的广口瓶中加入等质量的蒸馏水；

七、培养0.5天、1.0天、2.0天、4.0天、8.0天后，封闭阀门培养2小时，抽取140mL试样测试装置A、B、C的广口瓶和空白测试装置D的广口瓶中气体作为气体样品，采用激光温室气体分析仪测定气体样品中CO₂体积百分含量分别为485.46ppm、496.46ppm、616.90ppm、586.52ppm、472.72ppm，CH₄体积百分含量分别为1.94ppm、1.96ppm、2.11ppm、2.00ppm、1.93ppm按 ${v_{{\mathrm{CO}}_2}=\frac{{10}^{-6}\×(X_{A,C{O}_2}-X_{{B,\mathrm{CO}}_2})\×(V_1-V_0)\×M_{{\mathrm{CO}}_2}\×273K}{22.4\×298K\×2h}}_{},$ ${v_{{\mathrm{CO}}_4}=\frac{{10}^{-6}\×(X_{A,C{H}_4}-X_{{B,\mathrm{CH}}_4})\×(V_1-V_0)\×M_{{\mathrm{CH}}_4}\×273K}{22.4\×298K\×2h}}_{},$ $v=v_{{\mathrm{CO}}_2}+v_{{\mathrm{CH}}_4},$ 计算CO₂对应的排放速率分别为2.65×10^-3mg C/h、1.17×10^-2mg C/h、1.21×10^-2mg C/h、3.46×10^-3mg C/h、1.37×10^-3mg C/h，CH₄对应的排放速率分别为1.91×10^-7mg C/h、6.74×10^-7mg C/h、3.08×10^-6mg C/h、1.00×10^-6mg C/h、1.18×10^-7mg C/h；土壤有机碳矿化速率分别为2.65×10^-3mg C/h+1.91×10^-7mg C/h、1.17×10^-2mg C/h+6.74×10^-7mg C/h、1.21×10^-2mg C/h+3.08×10^-6mg C/h、3.46×10^-3mg C/h+1.00×10^-6mg C/h、1.37×10^-3mg C/h+1.18×10^-7mg C/h；其中本实施例有机碳矿化培养装置如图1所示。

Claims (6)

1.无土测定土壤有机碳矿化速率的方法，其特征在于无土测定土壤有机碳矿化速率的方法按以下步骤完成的：

一、取2套有机碳矿化培养装置A和B；

二、测定土壤含水率，根据含水率按干土质量与蒸馏水体积比为1g：4.5～5.5mL称取土壤和蒸馏水，将称取的土壤和蒸馏水加入到烧杯中磁力搅拌混合30min，再以2900～3100rpm的转速离心5min后，按体积量取5％上清液作为微生物接种液；将剩余的上清液经0.45μm滤膜过滤后，得到水溶性有机碳母液；

三、按微生物接种液与水溶性有机碳母液的体积比为1：(17～20)量取步骤二得到的微生物接种液和水溶性有机碳母液，将量取的微生物接种液和水溶性有机碳母液加入到烧杯中，混合均匀，得到培养液A；量取与培养液A中微生物接种液等体积的微生物接种液和与培养液A中水溶性有机碳母液等体积的蒸馏水，混合均匀，得到对照培养液B；

四、按石英砂质量和培养液A体积的比为1g：2.5～3mL量取石英砂和培养液A，将量取的石英砂平铺在有机碳矿化培养装置A的广口瓶(5)底部，然后加入量取的培养液A，得到试样测试装置A；其中石英砂的质量与广口瓶(5)容积的比为1g：8～10mL，有机碳矿化培养装置中广口瓶(5)的容积为V₁，培养液和石英砂混合后的体积为V₀；

五、量取与试样测试装置A中石英砂等质量的石英砂平铺在有机碳矿化培养装置B的广口瓶(5)底部，量取与试样测试装置A中培养液A等体积的对照培养液B，加入到有机碳矿化培养装置B的广口瓶(5)中，得到空白测试装置B；其中有机碳矿化培养装置B的广口瓶(5)的容积与有机碳矿化培养装置A的广口瓶(5)的容积相等；

六、将试样测试装置A和空白测试装置B同时放入培养箱中进行培养，按12h/12h设置为白天/夜晚两段，白天温度为25℃、湿度为80％、光照强度为12000Lx，夜晚温度为15℃、湿度为60％、光照强度为0；培养过程中每24h称重试样测试装置A和空白测试装置B，再将橡胶塞(3)打开，完全通气0.5h后，再次称重试样测试装置A和空白测试装置B，并根据与前一次的重量记录的差值向试样测试装置A的广口瓶(5)和空白测试装置B的广口瓶(5)中加入等质量的蒸馏水；

七、培养0.5天、1.0天、2.0天、4.0天、8.0天后，封闭阀门(2)培养2小时，按体积抽取60～70％试样测试装置A的广口瓶(5)和空白测试装置B的广口瓶(5)中气体作为气体样品，采用激光温室气体分析仪测定气体样品中CO₂和CH₄的体积百分含量，按如下公式计算土壤有机碳矿化速率： $V_{{\mathrm{CO}}_2}=\frac{{10}^{-6}\×(X_{{A,\mathrm{CO}}_2}-X_{{B,\mathrm{CO}}_2})\×(V_1-V_0)\×M_{{\mathrm{CO}}_2}\×273K}{22.4\×298K\×2h},$ $V_{{\mathrm{CH}}_4}=\frac{{10}^{-6}\×(X_{{A,\mathrm{CH}}_4}-X_{{B,\mathrm{CH}}_4})\×(V_1-V_0)\×M_{{\mathrm{CH}}_4}\×273K}{22.4\×298K\×2h},$ $v=v_{{\mathrm{CO}}_2}+v_{{\mathrm{CH}}_4};$ 其中为CO₂的排放速率，为CH₄的排放速率，v为土壤有机碳矿化速率，为试样测试装置A中CO₂的体积百分含量，为空白测试装置B中CO₂的体积百分含量，为试样测试装置A中CH₄的体积百分含量，为空白测试装置B中CH₄的体积百分含量，为CO₂的分子量，为CH₄的分子量；

其中，步骤一中有机碳矿化培养装置，它由生化培养大头针(1)、阀门(2)、橡胶塞(3)、连接管(4)、广口瓶(5)组成；连接管(4)穿透橡胶塞(3)，连接管(4)位于橡胶塞(3)底面积较大一侧的端部通过阀门(2)与生化培养大头针(1)连接，橡胶塞(3)盖在广口瓶(5)瓶口；

步骤七中和的单位为mg C/h，和的单位为ppm，V₁和V₀的单位为mL。

2.根据权利要求1所述的无土测定土壤有机碳矿化速率的方法，其特征在于步骤二中按干土质量与蒸馏水体积比为1g：4.8～5.2mL称取土壤和蒸馏水。

3.根据权利要求2所述的无土测定土壤有机碳矿化速率的方法，其特征在于步骤二中以2950～3050rpm的转速离心。

4.根据权利要求3所述的无土测定土壤有机碳矿化速率的方法，其特征在于步骤三中微生物接种液与水溶性有机碳母液的体积比为1：(17.5～19.5)。

5.根据权利要求4所述的无土测定土壤有机碳矿化速率的方法，其特征在于步骤四中石英砂质量和培养液体积的比为1g：2.6～2.8mL。

6.根据权利要求5所述的无土测定土壤有机碳矿化速率的方法，其特征在于步骤七中抽取62～68％有机碳矿化培养装置A和B的广口瓶(5)中气体。