CN103630667B

CN103630667B - 一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置及方法

Info

Publication number: CN103630667B
Application number: CN201310580402.9A
Authority: CN
Inventors: 陈书涛; 胡正华; 刘燕; 高慧; 王圆媛; 汪萌; 李宏娜
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: CN103630667A

Abstract

一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置及方法，装置包括玻璃瓶、带有气体采集接口的瓶盖、导气管、CO₂分析仪，瓶盖拧到玻璃瓶上，通过气体采集接口和导气管连接到CO₂分析仪上，所述瓶盖上设置钻孔，钻孔内插入螺纹螺丝，以垫圈密封螺纹螺丝与瓶盖接触面，螺纹螺丝上方露出瓶盖部分有一个圆形突出部，突出部上设置有内凹槽。本发明气体形成一个在密闭管路内的动态循环过程，避免了气体不流动的情况，有利于提高测定结果的准确性。测定时间较短，最短时长可设定为1分钟至3分钟之内，测定完一个土壤样品后，可以立刻测定下一个样品，从而能够实现大批量土壤样品的快速测定。

Description

一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置及方法

技术领域

本发明属于生态与气象环境调控领域，具体涉及一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置及方法。

背景技术

土壤CO₂通量是碳循环中1个重要过程，全球每年因土壤CO₂排放向大气中释放的碳的估算值约为50~120 Pg（1 Pg=1×10¹⁵g），其量值仅次于全球陆地总初级生产力（GPP）的估算值。目前，人们对生态系统中“地上”过程的研究已相对较多，而对“地下”过程的研究尚不透彻，土壤呼吸对生态系统碳平衡具有重要影响，阐明土壤CO₂通量的过程及其影响因子对理解陆地碳循环极为关键。

由于土壤CO₂通量在碳循环中的重要作用，国内外科学家已就土壤CO₂通量的观测方法、过程与影响机制、定量评估方面开展了一些研究。以往关于土壤CO₂通量的观测方法和设备主要针对野外土壤CO₂排放的观测，其观测仪器主要有静态箱–气相色谱、便携式土壤呼吸仪，但这些研究方法存在一些问题：当观测地点在野外，观测的土壤CO₂通量包含了根呼吸和土壤异养呼吸，不能重点针对土壤CO₂排放的影响因素和机制开展研究；把土壤样品采集回实验室分析CO₂通量时，若采气口设计不合理会造成密闭容器中的压力过大，进而影响气体通量测定效果，实验结果的可靠性也大大降低，不能达到预期的实验目的。因此，需要采用新型方法来解决土壤CO₂通量不能准确测定的问题，为开展农田土壤碳循环研究工作提供必需的实验装置。

发明目的

本发明的目的是提供一种快速测定土壤CO₂通量的装置及方法，实现不同土壤、不同外源营养源添加、不同温度、不同湿度处理下土壤CO₂通量的快速检测。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术手段是：

一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置，该装置包括玻璃瓶1、带有导气口3的瓶盖2，导气管4、CO₂分析仪5，瓶盖2拧到玻璃瓶1上，通过导气口3和导气管4连接到CO₂分析仪5上，所述瓶盖2上设置钻孔6，钻孔内插入螺纹螺丝7，以垫圈8密封螺纹螺丝与瓶盖接触面，螺纹螺丝上方露出瓶盖部分有一个圆形突出部9，突出部9上设置有内凹槽10，设置内凹槽的作用为增强该螺纹螺丝与外接橡胶管的气密性。

所述钻孔6为两个，两个钻孔在同一直径上对称分布。

所述瓶盖2材质为不锈钢。

所述螺纹螺丝7的材质为铜。

所述垫圈8为六角形钢制垫圈或者圆形塑料垫圈。

一种利用上述装置测定土壤二氧化碳通量的方法，其特征在于：打开CO₂分析仪进行预热，并将带有气体采集接口的不锈钢瓶盖通过集气口和导气管连接到CO₂分析仪上，在玻璃瓶内平铺一层土壤，再将不锈钢瓶盖拧到玻璃瓶上，形成一个循环闭合的通路，开始测定。

所述在玻璃瓶内平铺一层土壤，土壤量为60~150g，土壤含水量保持为25%。

有益效果：

本发明取得的有益效果：

（1）气体形成一个在密闭管路内的动态循环过程（见附图1），避免了气体不流动的情况，有利于提高测定结果的准确性。

（2）导气口为金属材质，采用多皱褶设计（见附图2、3、4、5），使导气管与导气口能够紧密结合；金属导气口与瓶盖接触面采用垫圈缓冲和密封，这些措施保证了气密性，能提高气体通量测定精度。

（3）玻璃瓶为透明材质，也可刷上黑漆以使玻璃瓶内黑暗，这样可模拟土壤在白天和黑夜下的条件，这能是测定结果接近真实情况。

（4）测定时间较短，最短时长可设定为1分钟至3分钟之内，测定完一个土壤样品后，可以立刻测定下一个样品，从而能够实现大批量土壤样品的快速测定。

附图说明

图1. 测定方法流程简图

图2. 瓶盖及导气口装置插孔俯视图

图3. 瓶盖及导气口装置侧视图

图4. 瓶盖及导气口装置外侧俯视图

图5. 瓶盖及导气口装置内侧俯视图

其中：1-玻璃瓶，2-瓶盖，3-导气口，4-导气管，5- CO₂分析仪，6-钻孔，7-螺纹螺丝，8-垫圈，9-突出部，10-内凹槽。

具体实施方式

实施例1 测定土壤CO₂通量的装置及方法

一种测定土壤CO₂通量的装置及方法，见图1所示，该装置包括带瓶盖2的玻璃瓶1、导气口3、导气管4、CO₂分析仪5，瓶盖拧到玻璃瓶上，通过导气口3和导气管4连接到CO₂分析仪5上，玻璃瓶容积825 ml，外直径8 cm。玻璃瓶配套的瓶盖材质为不锈钢，瓶盖外直径为8 cm，沿瓶盖直径距离两边缘3 cm处设置两个钻孔6，每个钻孔直径3 mm。每个钻孔插入一个长度29 mm螺纹螺丝7，螺纹螺丝为铜材质，螺纹螺丝内孔径2 mm。以六角形钢制垫圈8密封该螺纹螺丝与瓶盖内底面接触面；螺纹螺丝上方露出部分有一个圆形突出部9，以圆形塑料垫圈8垫于突出部下方，以密封该螺纹螺丝与瓶盖外侧面接触面。螺纹螺丝在瓶盖上方露出部分顶端往下1 cm处有3个内凹槽10，其作用为增强该螺纹螺丝与外接橡胶管的气密性。

称取60 g用2 mm土壤筛过筛后的土壤，平铺放入玻璃瓶中，用量筒加水，调节含水量至25%，风干土和水共80克，在培养箱中20℃的条件下预培养10天。每天定时添加水，使含水量保持为25%。

可每天或每隔一天测定土壤CO₂通量。测定前，预先打开CO₂分析仪进行预热，并将带有气体采集接口的不锈钢瓶盖通过集气口和导气管连接到CO₂分析仪上。从培养箱中取出玻璃瓶，再将不锈钢瓶盖拧到玻璃瓶上，形成一个循环闭合的通路，开始测定。

实施例2：不同外源氮添加量对土壤CO₂通量的影响

实验分三个阶段：土壤添加及预培养、处理和分析测定。

土壤添加及预培养：称取60 g用2 mm土壤筛过筛后的土壤，平铺放入玻璃瓶中，用量筒加水，调节含水量至25%，风干土和水共80克，在培养箱中20℃的条件下预培养10天。每天定时添加水，使含水量保持为25%。

处理：实验中所用外源氮为硝酸铵，设置17个硝酸铵梯度：0.0000 g（CK）、0.0001 g、0.0003 g、0.0006 g、0.0010 g、0.0015 g、0.0021 g、0.0028 g、0.0036 g、0.0045 g、0.0055 g、0.0066 g、0.0078 g、0.0091 g、0.0200 g、0.0500 g、0.100 g。每天定时添加水，使含水量保持为25%。

分析测定：在将氮肥添加到土壤中的第1、2、3、5、7、11、14、17、20、26天后测定土壤CO₂的通量。采用实施例1的测定土壤CO₂通量的装置对土壤CO₂通量进行测定，打开CO₂分析仪进行预热，并将带有气体采集接口的不锈钢瓶盖通过集气口和导气管连接到CO₂分析仪上。从培养箱中取出玻璃瓶，再将不锈钢瓶盖拧到玻璃瓶上，形成一个循环闭合的通路，开始测定。并在26天的通量测定完成后，测定土壤水溶性有机碳、阴离子、电导率、pH，从而分析不同氮源添加条件下土壤CO₂通量差异的原因。

结果与分析：

在添加不同氮肥条件下，一方面，土壤微生物的营养源会发生变化，微生物群落结构会相应改变；另一方面，少量氮肥的添加可促进土壤微生物的生长，而过量氮肥的添加反而会抑制土壤微生物的生长。因此，添加不同氮肥会导致土壤CO₂通量发生改变，改变的程度取决于土壤原有氮营养的丰富程度。

实施例3：不同秸秆添加量对土壤CO₂通量的影响

采用实施例1的测定土壤CO₂通量的方法对土壤CO₂通量进行测定，打开CO₂分析仪进行预热，并将带有气体采集接口的不锈钢瓶盖通过集气口和导气管连接到CO₂分析仪上。从培养箱中取出玻璃瓶，再将不锈钢瓶盖拧到玻璃瓶上，形成一个循环闭合的通路，开始测定。

该实例包括土壤添加及预培养、处理、分析测定三个阶段。其中预培养步骤与实施例一中的预培养步骤相同。

处理：预先将小麦秸秆风干、研磨成粉，设置15个秸秆添加量水平，即：0.0000 g（CK）、0.001g、0.003g、0.050g、0.070g、0.090g、0.110g、0.130g、0.150g、0.170g、0.190g、0.210g、0.230g、0.250g、0.270g，用万分之一天平准确称量，在10天的预培养结束后，添加到80 g土壤中。每天定时向玻璃瓶内的土壤上添加水，使土壤含水量保持为25%。

分析测定：在添加秸秆后的第1、2、3、5、7、11、14、17、20、26天测定土壤CO₂的通量。其他理化性质分析步骤同实施例1。

结果与分析：

在添加不同秸秆的条件下，土壤中可供分解的碳氮营养源都增加，土壤微生物活动增强，土壤CO₂通量也相应增大。其中，土壤总CO₂通量包括两部分，一部分是原有土壤的CO₂排放，另一部分是新增加秸秆的分解所产生的CO₂通量。秸秆添加量与土壤CO₂通量的关系可用一元线性方程描述，土壤CO₂通量随秸秆添加量的增加而呈线性增加趋势。

实施例4：不同土壤温度对不同土壤CO₂通量的影响

采用实施例1的测定土壤CO₂通量的装置对土壤CO₂通量进行测定，打开CO₂分析仪进行预热，并将带有气体采集接口的不锈钢瓶盖通过集气口和导气管连接到CO₂分析仪上。从培养箱中取出玻璃瓶，再将不锈钢瓶盖拧到玻璃瓶上，形成一个循环闭合的通路，开始测定。

该实例包括土壤添加及预培养、处理、分析测定三个阶段。

土壤添加及预培养：选取水稻土、潮土、黑土、红壤的代表土壤。称取150 g用2 mm土壤筛过筛后的土壤，平铺在玻璃瓶底部，调节含水量至25%。每个土壤共设置5个玻璃瓶（5个重复）。在培养箱中20℃的条件下培养10天。每天定时添加水，使含水量保持为25%。

处理：将呈有土壤的玻璃瓶放入培养箱中，分别设定0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃共7个温度梯度。每天定时添加水，使含水量保持为25%。

分析测定：

在控温处理后的第1、2、3、5、7、11、14、17、20、26天测定土壤CO₂的通量。每次测定时，待土壤在各温度下稳定一段时间后再测定土壤CO₂通量。

结果与分析：

不同土壤类型的微生物区系结构存在差别，其区系结构与土壤的养分条件、质地、结构都有关系，一般而言，黑土养分条件最为丰富，其可供微生物分解的碳营养源也相对更多，因而黑土的CO₂通量也最大。在长期淹水条件下，水稻土的有机碳分解过程相对缓慢，这有利于有机碳的积累，其碳营养源也较为丰富，因而水稻土的CO₂通量也相对较高。大多数红壤为酸性，养分条件也相对较差，其CO₂通量也相对较低。

Claims

1.一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置，其特征在于：该装置包括玻璃瓶（1）、带有导气口（3）的瓶盖（2）、导气管（4）、CO₂分析仪（5），瓶盖（2）拧到玻璃瓶（1）上，通过导气口（3）和导气管（4）连接到CO₂分析仪（5）上，所述瓶盖（2）上设置钻孔（6），钻孔内插入螺纹螺丝（7），以垫圈（8）密封螺纹螺丝与瓶盖接触面，螺纹螺丝上方露出瓶盖部分有一个圆形突出部（9），突出部（9）上设置有内凹槽（10）；所述钻孔（6）为两个，两个钻孔在同一直径上对称分布；所述垫圈（8）为六角形钢制垫圈或者圆形塑料垫圈。

2.根据权利要求1所述的一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置，其特征在于：所述瓶盖（2）材质为不锈钢。

3.根据权利要求1或2所述的一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置，其特征在于：所述螺纹螺丝（7）的材质为铜。

4.一种利用权利要求1的装置测定土壤二氧化碳通量的方法，其特征在于：打开CO₂分析仪进行预热，并将带有气体采集接口的不锈钢瓶盖通过集气口和导气管连接到CO₂分析仪上，在玻璃瓶内平铺一层土壤，再将不锈钢瓶盖拧到玻璃瓶上，形成一个循环闭合的通路，开始测定。

5.根据权利要求4所述的测定土壤二氧化碳通量的方法，其特征在于：所述在玻璃瓶内平铺一层土壤，土壤量为60~150g，土壤含水量保持为25%。