CN103575871A - 一种冬季土壤呼吸野外样地原位监测的co2吸收液防冻方法 - Google Patents

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孙学凯
范志平
曾德慧
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本发明涉及土壤呼吸量原位监测，具体的说是一种冬季土壤呼吸野外样地原位监测的CO2吸收液防冻方法。在土壤呼吸量原位监测中的吸收液内加入防冻液，作为冬季土壤呼吸野外样地原位监测的CO2吸收液，使其能够在东北地区气温0℃以下的野外吸收CO2。本发明以价格低廉、冰点低、来源广泛的无水乙醇作为防冻剂，只需要在原有吸收碱液中加入一定比例的无水乙醇即可降低混合溶液的冰点，防止冬季土壤呼吸原位监测的CO2吸收液冻结。

Description

一种冬季土壤呼吸野外样地原位监测的CO2吸收液防冻方法
技术领域
本发明涉及土壤呼吸量原位监测，具体的说是一种冬季土壤呼吸野外样地原位监测的CO2吸收液防冻方法。
背景技术
土壤是陆地生态系统中最大的碳库，在调节全球碳循环过程中具有大气CO2源和汇的重要功能，其微小的变化将影响大气CO2的浓度，并日益受到人们重视。土壤呼吸作用是土壤与大气交换CO2的过程，是土壤碳素同化和异化平衡的结果。有研究表明，在陆地生态系统中土壤呼吸所释放的CO2量大约为每年50～76PgC，约为大气碳库的1/10，是导致大气CO2浓度升高进而引起全球变暖的主要原因之一。土壤呼吸作为地球表层系统碳循环中的关键生物学过程受到诸多因素（土壤水分、温度、土壤养分、pH值、透气性、人类活动、氮沉降等）的影响，其中温度是所有影响土壤呼吸作用中最主要的因素。野外样地现场监测土壤呼吸是科学研究土壤呼吸通量变化的一个关键环节。目前，关于土壤呼吸的研究多集中在生长季，对非生长季土壤呼吸变化的研究甚少，特别是冬季低温条件下土壤呼吸方面的研究常常被忽视。这样，限制了对陆地生态系统与气候系统相互作用过程和冬季地气CO2交换过程对全球变化贡献的科学理解。因此，开展陆地生态系统冬季低温条件下的土壤呼吸监测，不仅对深入探讨陆地生态系统土壤呼吸作用与全球气候变化相互作用机制有着极为重要的意义，而且对正确估算陆地生态系统的全年碳收支提供有力支撑。
原位测定土壤呼吸通量可通过直接监测从土壤表面释放的CO2来确定，测定技术方法可分静态气室法（碱液吸收法和静态密闭气室法）、动态气室法（动态密闭气室法和开放气流红外CO2分析法）和微气象法（涡度相关法）。除碱液吸收法外的其他土壤呼吸监测技术方法不仅需要昂贵的精密仪器设备，如气相色谱仪、红外分析仪、LI-8100、涡度相关系统等，而且操作较为复杂，这样在很大程度上限制了这些技术方法的广泛应用。静态碱液吸收法则是利用碱液（NaOH或KOH溶液）吸收CO2形成碳酸根，再用中和滴定法计算出剩余的碱量，根据公式计算得出一定时间内土壤排放的CO2总量。静态碱液吸收法操作简便，在进行野外测定的时候，不需要复杂的设备，利于进行多次重复测定，对空间变异性很大的土壤呼吸而言是很大的优点，因此在森林、草原和农田生态系统的土壤呼吸原位测定中得到广泛应用。但是，该方法也具有一定的局限性，主要在于此法所采用的碱液是由水作为溶剂配置而成，在气温低于0℃时溶液会发生冰冻现象，无法吸收土壤所释放的CO2气体，影响冬季土壤呼吸原位测定的正常进行，所以限制了该方法在我国北方地区冬季低温条件下土壤呼吸通量研究中的运用。
发明内容
本发明的目的是提供一种冬季土壤呼吸野外样地原位监测的CO2吸收液防冻方法。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种冬季土壤呼吸野外样地原位监测的CO2吸收液防冻方法，在土壤呼吸量原位监测中的吸收液内加入防冻液，作为冬季土壤呼吸野外样地原位监测的CO2吸收液，使其能够在东北地区气温0℃以下的野外吸收CO2。
所述防冻液为，按体积比4：6的无水乙醇和无CO2的蒸馏水混合。
具体为：以NaOH作为土壤呼吸量原位监测吸收液，并在其中加入按体积比4：6的无水乙醇和无CO2的蒸馏水混合的防冻液，作为冬季土壤呼吸野外样地原位监测吸收液，使其能够在东北地区气温0℃以下的野外吸收CO2。称取4.0gNaOH溶于防冻液中定容至1L，得0.1mol/L的氢氧化钠吸收液。
在野外样地选定土壤呼吸监测点，将上述所得氢氧化钠吸收液置于监测点静置放置24h，而后取出氢氧化钠吸收液用指示液滴定，根据吸收液至终点（红色消失）所需滴定液的体积，以及滴定液的浓度，计算单位时间内单位面积野外样地中土壤释放出CO2的量。
在野外样地选定土壤呼吸监测点，将上述所得氢氧化钠吸收液置于监测点静置放置24h，而后取出氢氧化钠吸收液，加入BaCl2溶液和酚酞乙醇，并用HCl作为指示液进行滴定，根据吸收液至终点（红色消失）所需滴定液的体积，以及滴定液的浓度，计算单位时间内单位面积野外样地中土壤释放出CO2的量。
本发明的工作原理：无水乙醇是一类无色透明、冰点低、能与水以任意比互溶的有机溶剂，具有溶解多种有机物和无机物的功能。当它与水以一定比例混合时，能够降低该混合溶液冰点，且不同的混合比例使得该混合溶液具有不同的冰点。在配置吸收液时，需根据冬季土壤呼吸测定的野外环境（尤其是冬季最低温度），确定适当的无水乙醇与无CO2蒸馏水配置比例关系，并以此作为冬季土壤呼吸原位监测的防冻吸收液。因此将具有一定比例的防冻吸收液置于野外样地中，在一定时间内吸收土壤释放出的CO2，再利用HCl溶液滴定该吸收液，就能根据滴定至终点所需HCl溶液的体积，得出该段时间内单位面积野外样地中土壤释放出CO2的量。
本发明的优点在于
1.本发明操作简单：本发明以价格低廉、冰点低、来源广泛的无水乙醇作为防冻剂，只需要在原有吸收碱液中加入一定比例的无水乙醇即可降低混合溶液的冰点，防止冬季土壤呼吸原位监测吸收液的冻结。
2.本发明测定结果准确：本发明以体积比4：6的无水乙醇和无CO2蒸馏水的混合液作为溶剂配置NaOH防冻吸收液，能准确的测定土壤释放出CO2量的结果。
3.本发明使用范围广泛：本发明不仅适用于在冬季低温条件下各种生态系统类型土壤的野外样地土壤呼吸的原位监测，也同样适用于低温条件下土壤呼吸室内模拟试验研究。其能避免在气温0℃以下时吸收CO2的碱液发生冰冻，又不影响土壤呼吸原位监测的结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。
1）CO2吸收碱液的选用和配制：选用NaOH作为CO2吸收液，添加防冻液，首先配制无水乙醇与无二氧化碳蒸馏水的混合溶液作为“防冻液”，其配制比例为体积比4：6，然后称取4.0g NaOH溶于该“防冻液”中，定容至1L，即为0.1mol/L的氢氧化钠吸收液。
2）其他试剂与溶液的配制：
0.05mol/L的盐酸溶液的配置：吸取4.2mL浓HCl溶于800mL蒸馏水中，定容至1000mL，并用无水Na2CO3作基准物质标定HCl溶液；
1mol/L的氯化钡溶液的配置：称取244.0g溶于无二氧化碳蒸馏水中，定容至1L；
酚酞乙醇指示剂的配置：称取1.0g酚酞溶于100mL95%乙醇中；
0.05mol/L碳酸钠溶液的配置：称取0.5300g无水Na2CO3，在180℃条件下烘干2h，并迅速溶于无CO2蒸馏水中，定容至100mL。
无CO2蒸馏水的配置：即新煮沸的并冷却的蒸馏水。
3）土壤呼吸测定装置安置与回收：在野外样地选定土壤呼吸监测点，吸取0.1mol/L的氢氧化钠吸收液20mL于三角瓶中，将瓶置于架上，迅速罩上金属圆筒，要求金属圆筒下缘嵌入监测点土壤表面大约2cm，形成一个封闭空间，再用大小合适的苯板遮住圆筒，避免阳光直射，作为实验组；
同时将另一只装有20mL氢氧化钠吸收液（浓度为0.1mol/L）的三角瓶置于完全密闭的金属圆筒内，放置在距实验组监测点20~30cm处，金属圆筒的开口部分需用紧密盖子盖住，并涂上硅脂密封以保证严格气密，作为对照组；
将实验组和对照组的吸收液暴露24h后，将实验组与对照组的两个三角瓶快速盖紧气密性好的胶塞，带回实验室分析测定。
4）土壤呼吸的测定：在收回的暴露于土壤空气的三角瓶实验组和对照三角瓶中分别加入BaCl2溶液2mL和酚酞乙醇指示剂3~4滴，用HCl溶液滴定，分别记下滴定时所用HCl溶液的体积，分别为V和V0。
5）土壤呼吸量的计算：计算土壤中暴露于碱液期间所释放出的CO2量。
CO2（mg）=（V0-V）×c×M                （1）
其中V0为滴定对照三角瓶中吸收液至终点（红色消失）所需HCl溶液的体积；V为滴定暴露于土壤空气的三角瓶实验组中吸收液至终点所需HCl溶液的体积；c为盐酸标准溶液的浓度；M为摩尔质量，22mg/mmol。本实施例在东北地区深冬零下20℃下进行，样地面积20m×20m，利用公式（1）计算24h内单位面积野外样地中土壤释放出CO2的量为21.7mg。

Claims (6)

1.一种冬季土壤呼吸野外样地原位监测的CO2吸收液防冻方法，其特征在于：在土壤呼吸量原位监测中的吸收液内加入防冻液，作为冬季土壤呼吸野外样地原位监测的CO2吸收液，使其能够在东北地区气温0℃以下的野外吸收CO2。
2.按权利要求1所述的冬季土壤呼吸野外样地原位监测的CO2吸收液防冻方法，其特征在于：所述防冻液为，按体积比4：6的无水乙醇和无CO2的蒸馏水混合。
3.按权利要求1或2所述的冬季土壤呼吸野外样地原位监测的CO2吸收液防冻方法，其特征在于：以NaOH作为土壤呼吸量原位监测吸收液，并在其中加入按体积比4：6的无水乙醇和无CO2的蒸馏水混合的防冻液，作为冬季土壤呼吸野外样地原位监测吸收液，使其能够在东北地区气温0℃以下的野外吸收CO2。
4.按权利要求3所述的冬季土壤呼吸野外样地原位监测的CO2吸收液防冻方法，其特征在于：称取4.0g NaOH溶于防冻液中定容至1L，得0.1mol/L的氢氧化钠吸收液。
5.按权利要求4所述的冬季土壤呼吸野外样地原位监测的CO2吸收液防冻方法，其特征在于：在野外样地选定土壤呼吸监测点，将上述所得氢氧化钠吸收液置于监测点静置放置24h，而后取出氢氧化钠吸收液用指示液滴定，根据吸收液至终点所需滴定液的体积，以及滴定液的浓度，计算单位时间内单位面积野外样地中土壤释放出CO2的量。
6.按权利要求5所述的冬季土壤呼吸野外样地原位监测的CO2吸收液防冻方法，其特征在于：在野外样地选定土壤呼吸监测点，将上述所得氢氧化钠吸收液置于监测点静置放置24h，而后取出氢氧化钠吸收液，加入BaCl2溶液和酚酞乙醇，并用HCl作为指示液进行滴定，根据吸收液至终点所需滴定液的体积，以及滴定液的浓度，计算单位时间内单位面积野外样地中土壤释放出CO2的量。
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