CN104133005B - 一种测量稻田温室气体排放的室内模拟试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量稻田温室气体排放的室内模拟试验方法，包括如下步骤：（1）制作可供水稻盆栽试验的大口径圆柱盆钵，（2）制作与圆柱盆钵口径一致的气体圆柱采样桶，（3）填装土壤，（4）浸润土壤，移栽水稻，（5）监测，采集气体，及分析计算。本发明实现容易，操作简单，检测成本低，不受野外环境因素干扰，有效减少原位测量的误差，可定量、准确测量稻田温室气体排放通量，为研究各种因素对稻田温室气体排放的影响提供了可供利用的试验方法，对指导农业生产，改善农业环境有着重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及稻田温室气体测量技术领域，特别涉及一种测量稻田温室气体排放的室内模拟试验方法。
背景技术
大气中CH4和N2O浓度持续增加而导致温度不断升高，是全球变暖的主要原因之一。根据它们的潜在温室效应和它们在大气中的现有浓度估算，它们对当前全球变暖的贡献率分别高达55%和20%。稻田生态系统是大气温室气体CH4的主要来源，也是N2O排放的重要排放源。尽管相关研究表明，通过合理的水分管理、选育优良品种、施用长效或控释肥、提高氮肥利用率和使用生物抑制剂等能有效的减少农田温室气体排放，但是稻田对温室气体排放量的贡献率依然很大，温室气体排放的控制仍然是农业环境保护领域急需突破的技术难题。
由于田间试验的不可预知性，气候、田间水肥管理和相关土壤条件都会对稻田温室气体的排放产生影响，因此针对田间试验中稻田温室气体排放监测较为困难。目前农田温室气体监测目前被广泛采用的是静态箱法。有关农田温室气体排放监测的专利包括“一种测定农田温室气体排放量的方法”（申请号：97111901.5），“旱田作物直接排放一氧化二氮通量的田间原位测定方法”（申请号：01127917.6），这些专利针对野外田间试验，均采用水封作为密封手段，然而农田温室气体能部分溶于水，这极大的影响了检测的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量稻田温室气体排放的室内模拟试验方法，实现容易，操作简单，检测成本低，不受野外环境因素干扰，有效减少原位测量的误差，可定量、准确测量稻田温室气体排放通量，为研究各种因素对稻田温室气体排放的影响提供了可供利用的试验方法，对指导农业生产，改善农业环境有着重要的意义。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种测量稻田温室气体排放的室内模拟试验方法，包括如下步骤：
（1）制作可供水稻盆栽试验的大口径圆柱盆钵：圆柱盆钵采用厚度为5-10mm，内径为400-500mm高度为400mm的PVC圆柱桶，同时在距圆柱桶顶部10cm处的圆柱桶桶壁上均匀开设分别用于安装Eh电极、温度传感器和水分传感器的安装孔；
（2）制作与圆柱盆钵口径一致的气体圆柱采样桶：气体圆柱采样桶采用与圆柱盆钵厚度、口径和材质相同的PVC圆柱桶，PVC圆柱桶高度为90-120cm，在PVC圆柱桶桶底中心处均匀开设三个安装孔，安装孔上分别安装上采样装置、温度探头和硅胶压力平衡管；
（3）填装土壤：首先在圆柱盆钵底部均匀铺一层3-5cm厚的石英砂，接着在石英砂上面盖一层纱布，然后进行土壤填装，土壤填装分两阶段，第一阶段土壤填装为将取自测试区的风干的耕层水稻土，按测试区田间土壤容重计算土壤重量，每次4-6cm厚度，依次填入圆柱盆钵中，待填入土壤厚度达8-12cm时，进行第二阶段土壤填装，第二阶段土壤填装的土壤由将施用的作为基肥的化肥按照测试区田间用量计算后与测试区的风干的耕层水稻土混匀后的而得，采用与第一阶段土壤填装相同的田间土壤容重计算土壤重量，装填第二阶段的土壤，待土壤填装的总厚度达到20-25cm时，在圆柱盆钵的安装孔上安装Eh电极、温度传感器和水分传感器，并用硅胶密封，继续装填第二阶段的土壤，直至土壤填装的总厚度共计30-33cm时结束土壤填装；
（4）浸润土壤，移栽水稻：向圆柱盆钵中缓慢加入去离子水浸没圆柱盆钵中的土壤，待土壤浸润平衡24小时后，保持3-5cm厚度的水层，以模拟稻田持续淹水条件下温室气体排放情况，按照试验所在区域单季稻移栽时间，将长势一致，大小均匀的水稻植株移栽于圆柱盆钵中，圆柱盆钵中水稻种植密度与试验所在区域种植密度一致；
（5）监测，采集气体，及分析计算：Eh电极、温度传感器和水分传感器监测圆柱盆钵土壤氧化还原电位、土壤温度和土壤水分状况，同时每隔3-5天采集气体，采集气体之前先将气体圆柱采样桶倒扣于圆柱盆钵上，用密封橡胶带密封气体圆柱采样桶与圆柱盆钵的连接处，并用抱箍将密封橡胶带紧固，采集气体，用气相色谱测定，分析计算稻田甲烷和氧化亚氮排放通量。
作为优选，步骤（2）中采样装置包括不锈钢采样管、三通阀和注射器，注射器通过三通阀连通不锈钢采样管，不锈钢采样管伸入气体圆柱采样桶内。
作为优选，采集气体时，打开三通阀，连通注射器与不锈钢采样管，抽提注射器采集气体。
作为优选，步骤（2）中硅胶压力平衡管包括不锈钢管、硅胶管和硅胶管夹，不锈钢管和硅胶管连通，硅胶管夹夹紧硅胶管，不锈钢管伸入气体圆柱采样桶内。
作为优选，采集气体时，打开硅胶管夹，保持硅胶压力平衡管与外部环境连通。
作为优选，步骤（3）中Eh电极、温度传感器和水分传感器的端头伸入至圆柱盆钵内15-20cm处。控制Eh电极、温度传感器和水分传感器的端头伸入至圆柱盆钵内的深度，这样采集的数据更准确，保证测量的准确性。
作为优选，步骤（5）中采集气体的时间节点为气体圆柱采样桶与圆柱盆钵密封连接后的0、8、16、24和32min。控制采集气体的时间节点这样测量更准确。
本发明的有益效果是：
1、本发明橡胶带密封气体圆柱采样桶与圆柱盆钵的连接处，并用抱箍将密封橡胶带紧固，摒弃传统水封可能造成的溶解气体，以及密闭气体圆柱采样桶不够严实等缺点，能够真实、准确地测定长期淹水条件下稻田温室气体排放通量。
2、实现容易，操作简单，检测成本低，不受野外环境因素干扰，有效减少原位测量的误差，可定量、准确测量稻田温室气体排放通量，为研究各种因素对稻田温室气体排放的影响提供了可供利用的试验方法，对指导农业生产，改善农业环境有着重要的意义。
附图说明
图1是本发明的一种主体结构示意图。
图2是本发明抱箍将密封橡胶带紧固的一种局部放大图。
图中：1为温度探头，2为注射器，3为三通阀，4为不锈钢采样管，5为硅胶压力平衡管，6为水稻植株，7为气体圆柱采样桶，8为抱箍，9为密封橡胶带，10为水层，11为温度传感器，12为Eh电极，13为水分传感器，14为圆柱盆钵，15为填装的水稻土。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1：
一种测量稻田温室气体排放的室内模拟试验方法，包括如下步骤：
（1）制作可供水稻盆栽试验的大口径圆柱盆钵：圆柱盆钵14采用厚度为5mm，内径为400mm高度为400mm的PVC圆柱桶，同时在距圆柱桶顶部10cm处的圆柱桶桶壁上均匀开设分别用于安装Eh电极、温度传感器和水分传感器的安装孔。
（2）制作与圆柱盆钵口径一致的气体圆柱采样桶：气体圆柱采样桶7采用与圆柱盆钵14厚度、口径和材质相同的PVC圆柱桶，PVC圆柱桶高度为90cm，在PVC圆柱桶桶底中心处均匀开设三个安装孔，安装孔上分别安装上采样装置、温度探头（JM424）1和硅胶压力平衡管5；采样装置包括不锈钢采样管4、三通阀3和注射器2，注射器2通过三通阀3连通不锈钢采样管4，不锈钢采样管4伸入气体圆柱采样桶7内。硅胶压力平衡管5包括不锈钢管、硅胶管和硅胶管夹，不锈钢管和硅胶管连通，硅胶管夹夹紧硅胶管，不锈钢管伸入气体圆柱采样桶7内。
（3）填装土壤：首先在圆柱盆钵14底部均匀铺一层5cm厚的石英砂，接着在石英砂上面盖一层纱布，然后进行土壤填装，土壤填装分两阶段，第一阶段土壤填装为将取自测试区的风干的耕层水稻土（水分含量大概为5%，风干的耕层水稻土过2mm筛后使用），按测试区田间土壤容重计算土壤重量，每次4cm厚度，依次填入圆柱盆钵14中，待填入土壤厚度达8cm时，进行第二阶段土壤填装，第二阶段土壤填装的土壤由将施用的作为基肥的化肥按照测试区田间用量计算后与测试区的风干的耕层水稻土混匀后的而得，采用与第一阶段土壤填装相同的田间土壤容重计算土壤重量，装填第二阶段的土壤，待土壤填装的总厚度达到20cm时，在圆柱盆钵14的安装孔上安装Eh电极12、温度传感器11和水分传感器13，Eh电极12、温度传感器11和水分传感器13的端头伸入至圆柱盆钵14内15cm处，并用硅胶密封，继续装填第二阶段的土壤，直至土壤填装的总厚度共计30cm时结束土壤填装。
（4）浸润土壤，移栽水稻：向圆柱盆钵14中缓慢加入去离子水浸没圆柱盆钵中填装的水稻土15，待填装的水稻土15浸润平衡24小时后，保持5cm厚度的水层10，以模拟稻田持续淹水条件下温室气体排放情况，按照试验所在区域单季稻移栽时间，将长势一致，大小均匀的水稻植株移栽于圆柱盆钵14中，圆柱盆钵14中水稻种植密度与试验所在区域种植密度一致。
（5）监测，采集气体，及分析计算：Eh电极12、温度传感器11和水分传感器13监测圆柱盆钵土壤氧化还原电位、土壤温度和土壤水分状况，同时每隔3天采集气体，采集气体之前先将气体圆柱采样桶7倒扣于圆柱盆钵14上，用密封橡胶带9密封气体圆柱采样桶7与圆柱盆钵14的连接处，并用抱箍8将密封橡胶带9紧固，抱箍8有两个，分别紧固在覆盖于气体圆柱采样桶7及圆柱盆钵14上的密封橡胶带9上（如图2所示），依据静态箱原理采集气体，采集气体为当地时间上午8:00-10:00，采集气体的具体时间节点为气体圆柱采样桶7与圆柱盆钵14密封连接后的0、8、16、24和32min；采集气体时，打开三通阀3，连通注射器2与不锈钢采样管4，抽提注射器2采集气体，在用注射器2采集气体时，打开硅胶管夹，保持硅胶压力平衡管5与外部环境连通，同时记录气体圆柱采样桶7内气温，采集气体后，用硅胶管夹夹住硅胶压力平衡管5的硅胶管，密闭气体圆柱采样桶7内气体。采集的气体在实验室用气相色谱法测定，通过公式计算稻田甲烷和氧化亚氮排放通量。
实施例2：
一种测量稻田温室气体排放的室内模拟试验方法，包括如下步骤：
（1）制作可供水稻盆栽试验的大口径圆柱盆钵：圆柱盆钵14采用厚度为10mm，内径为500mm高度为400mm的PVC圆柱桶，同时在距圆柱桶顶部10cm处的圆柱桶桶壁上均匀开设分别用于安装Eh电极、温度传感器和水分传感器的安装孔。
（2）制作与圆柱盆钵口径一致的气体圆柱采样桶：气体圆柱采样桶7采用与圆柱盆钵14厚度、口径和材质相同的PVC圆柱桶，PVC圆柱桶高度为120cm，在PVC圆柱桶桶底中心处均匀开设三个安装孔，安装孔上分别安装上采样装置、温度探头（JM424）1和硅胶压力平衡管5；采样装置包括不锈钢采样管4、三通阀3和注射器2，注射器2通过三通阀3连通不锈钢采样管4，不锈钢采样管4伸入气体圆柱采样桶7内。硅胶压力平衡管5包括不锈钢管、硅胶管和硅胶管夹，不锈钢管和硅胶管连通，硅胶管夹夹紧硅胶管，不锈钢管伸入气体圆柱采样桶7内。
（3）填装土壤：首先在圆柱盆钵14底部均匀铺一层3cm厚的石英砂，接着在石英砂上面盖一层纱布，然后进行土壤填装，土壤填装分两阶段，第一阶段土壤填装为将取自测试区的风干的耕层水稻土（水分含量大概为5%，风干的耕层水稻土过2mm筛后使用），按测试区田间土壤容重计算土壤重量，每次6cm厚度，依次填入圆柱盆钵14中，待填入土壤厚度达12cm时，进行第二阶段土壤填装，第二阶段土壤填装的土壤由将施用的作为基肥的化肥按照测试区田间用量计算后与测试区的风干的耕层水稻土混匀后的而得，采用与第一阶段土壤填装相同的田间土壤容重计算土壤重量，装填第二阶段的土壤，待土壤填装的总厚度达到25cm时，在圆柱盆钵14的安装孔上安装Eh电极12、温度传感器11和水分传感器13，Eh电极12、温度传感器11和水分传感器13的端头伸入至圆柱盆钵14内20cm处，并用硅胶密封，继续装填第二阶段的土壤，直至土壤填装的总厚度共计33cm时结束土壤填装。
（4）浸润土壤，移栽水稻：向圆柱盆钵14中缓慢加入去离子水浸没圆柱盆钵中填装的水稻土15，待填装的水稻土15浸润平衡24小时后，保持3cm厚度的水层10，以模拟稻田持续淹水条件下温室气体排放情况，按照试验所在区域单季稻移栽时间，将长势一致，大小均匀的水稻植株移栽于圆柱盆钵14中，圆柱盆钵14中水稻种植密度与试验所在区域种植密度一致。
（5）监测，采集气体，及分析计算：Eh电极12、温度传感器11和水分传感器13监测圆柱盆钵土壤氧化还原电位、土壤温度和土壤水分状况，同时每隔5天采集气体，采集气体之前先将气体圆柱采样桶7倒扣于圆柱盆钵14上，用密封橡胶带9密封气体圆柱采样桶7与圆柱盆钵14的连接处，并用抱箍8将密封橡胶带9紧固，抱箍8有两个，分别紧固在覆盖于气体圆柱采样桶7及圆柱盆钵14上的密封橡胶带9上（如图2所示），依据静态箱原理采集气体，采集气体为当地时间上午8:00-10:00，采集气体的具体时间节点为气体圆柱采样桶7与圆柱盆钵14密封连接后的0、8、16、24和32min；采集气体时，打开三通阀3，连通注射器2与不锈钢采样管4，抽提注射器2采集气体，在用注射器2采集气体时，打开硅胶管夹，保持硅胶压力平衡管5与外部环境连通，同时记录气体圆柱采样桶7内气温，采集气体后，用硅胶管夹夹住硅胶压力平衡管5的硅胶管，密闭气体圆柱采样桶7内气体。采集的气体在实验室用气相色谱法测定，通过公式计算稻田甲烷和氧化亚氮排放通量。
具体测试：
浙江省绍兴市越城区东湖镇五和村稻田为测试对象，测试时间为2013年7-10月。
（1）制作可供水稻盆栽试验的大口径圆柱盆钵：圆柱盆钵14采用厚度为8mm，内径为450mm高度为400mm的PVC圆柱桶，同时在距圆柱桶顶部10cm处的圆柱桶桶壁上均匀开设分别用于安装Eh电极、温度传感器和水分传感器的安装孔。
（2）制作与圆柱盆钵口径一致的气体圆柱采样桶：气体圆柱采样桶7采用与圆柱盆钵14厚度、口径和材质相同的PVC圆柱桶，PVC圆柱桶高度为100cm，在PVC圆柱桶桶底中心处均匀开设三个安装孔，安装孔上分别安装上采样装置、温度探头（JM424）1和硅胶压力平衡管5；采样装置包括不锈钢采样管4、三通阀3和注射器2，注射器2通过三通阀3连通不锈钢采样管4，不锈钢采样管4伸入气体圆柱采样桶7内。硅胶压力平衡管5包括不锈钢管、硅胶管和硅胶管夹，不锈钢管和硅胶管连通，硅胶管夹夹紧硅胶管，不锈钢管伸入气体圆柱采样桶7内。
（3）填装土壤：首先在圆柱盆钵14底部均匀铺一层4cm厚的石英砂，接着在石英砂上面盖一层纱布，然后进行土壤填装，土壤填装分两阶段，第一阶段土壤填装为将取自测试区的风干的耕层水稻土（水分含量大概为5%，风干的耕层水稻土过2mm筛后使用），按测试区田间土壤容重1.25g/cm3计算土壤重量，每次5cm厚度，依次填入圆柱盆钵14中，待填入土壤厚度达10cm时，进行第二阶段土壤填装，第二阶段土壤填装的土壤由将施用的作为基肥的化肥按照测试区田间用量计算后（每个圆柱盆钵基肥用量为：氮肥尿素4.91g，磷肥一水合磷酸氢二钙1.68g和钾肥氯化钾2.51g）与测试区的风干的耕层水稻土混匀后的而得，采用与第一阶段土壤填装相同的田间土壤容重(1.25g/cm3)计算土壤重量，装填第二阶段的土壤，待土壤填装的总厚度达到25cm时，在圆柱盆钵14的安装孔上安装Eh电极12、温度传感器11和水分传感器13，Eh电极12、温度传感器11和水分传感器13的端头伸入至圆柱盆钵14内15cm处，并用硅胶密封，继续装填第二阶段的土壤，直至土壤填装的总厚度共计30cm时结束土壤填装。
（4）浸润土壤，移栽水稻：向圆柱盆钵14中缓慢加入去离子水浸没圆柱盆钵中填装的水稻土15，待填装的水稻土15浸润平衡24小时后，保持5cm厚度的水层10，以模拟稻田持续淹水条件下温室气体排放情况，按照试验所在区域单季稻移栽时间，将长势一致，大小均匀的水稻植株移栽于圆柱盆钵14中，圆柱盆钵14中水稻种植密度与试验所在区域种植密度一致。
（5）监测，采集气体，及分析计算：Eh电极12、温度传感器11和水分传感器13监测圆柱盆钵土壤氧化还原电位、土壤温度和土壤水分状况，同时每隔3天采集气体，采集气体之前先将气体圆柱采样桶7倒扣于圆柱盆钵14上，用密封橡胶带9密封气体圆柱采样桶7与圆柱盆钵14的连接处，并用抱箍8将密封橡胶带9紧固，抱箍8有两个，分别紧固在覆盖于气体圆柱采样桶7及圆柱盆钵14上的密封橡胶带9上（如图2所示），依据静态箱原理采集气体，采集气体为当地时间上午8:00-10:00，采集气体的具体时间节点为气体圆柱采样桶7与圆柱盆钵14密封连接后的0、8、16、24和32min；采集气体时，打开三通阀3，连通注射器2与不锈钢采样管4，抽提注射器2采集气体，在用注射器2采集气体时，打开硅胶管夹，保持硅胶压力平衡管5与外部环境连通，同时记录气体圆柱采样桶7内气温，采集气体后，用硅胶管夹夹住硅胶压力平衡管5的硅胶管，密闭气体圆柱采样桶7内气体。采集的气体在实验室用气相色谱法测定，通过公式计算稻田甲烷和氧化亚氮排放通量，2013年度水稻生长季温室气体排放通量测试的相关数据见下表1。
。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (5)
1.一种测量稻田温室气体排放的室内模拟试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）制作可供水稻盆栽试验的大口径圆柱盆钵：圆柱盆钵采用厚度为5-10mm，内径为400-500mm高度为400mm的PVC圆柱桶，同时在距圆柱桶顶部10cm处的圆柱桶桶壁上均匀开设分别用于安装Eh电极、温度传感器和水分传感器的安装孔；
（2）制作与圆柱盆钵口径一致的气体圆柱采样桶：气体圆柱采样桶采用与圆柱盆钵厚度、口径和材质相同的PVC圆柱桶，PVC圆柱桶高度为90-120cm，在PVC圆柱桶桶底中心处均匀开设三个安装孔，安装孔上分别安装上采样装置、温度探头和硅胶压力平衡管；
（3）填装土壤：首先在圆柱盆钵底部均匀铺一层3-5cm厚的石英砂，接着在石英砂上面盖一层纱布，然后进行土壤填装，土壤填装分两阶段，第一阶段土壤填装为将取自测试区的风干的耕层水稻土，按测试区田间土壤容重计算土壤重量，每次4-6cm厚度，依次填入圆柱盆钵中，待填入土壤厚度达8-12cm时，进行第二阶段土壤填装，第二阶段土壤填装的土壤由将施用的作为基肥的化肥按照测试区田间用量计算后与测试区的风干的耕层水稻土混匀后的而得，采用与第一阶段土壤填装相同的田间土壤容重计算土壤重量，装填第二阶段的土壤，待土壤填装的总厚度达到20-25cm时，在圆柱盆钵的安装孔上安装Eh电极、温度传感器和水分传感器，并用硅胶密封，继续装填第二阶段的土壤，直至土壤填装的总厚度共计30-33cm时结束土壤填装；
（4）浸润土壤，移栽水稻：向圆柱盆钵中缓慢加入去离子水浸没圆柱盆钵中的土壤，待土壤浸润平衡24小时后，保持3-5cm厚度的水层，以模拟稻田持续淹水条件下温室气体排放情况，按照试验所在区域单季稻移栽时间，将长势一致，大小均匀的水稻植株移栽于圆柱盆钵中，圆柱盆钵中水稻种植密度与试验所在区域种植密度一致；
（5）监测，采集气体，及分析计算：Eh电极、温度传感器和水分传感器监测圆柱盆钵土壤氧化还原电位、土壤温度和土壤水分状况，同时每隔3-5天采集气体，采集气体之前先将气体圆柱采样桶倒扣于圆柱盆钵上，用密封橡胶带密封气体圆柱采样桶与圆柱盆钵的连接处，并用抱箍将密封橡胶带紧固，采集气体，用气相色谱测定，分析计算稻田甲烷和氧化亚氮排放通量；
步骤（3）中Eh电极、温度传感器和水分传感器的端头伸入至圆柱盆钵内15-20cm处；步骤（5）中采集气体的时间节点为气体圆柱采样桶与圆柱盆钵密封连接后的0、8、16、24和32min。
2.根据权利要求1所述的室内模拟试验方法，其特征在于：步骤（2）中采样装置包括不锈钢采样管、三通阀和注射器，注射器通过三通阀连通不锈钢采样管，不锈钢采样管伸入气体圆柱采样桶内。
3.根据权利要求2所述的室内模拟试验方法，其特征在于：采集气体时，打开三通阀，连通注射器与不锈钢采样管，抽提注射器采集气体。
4.根据权利要求1所述的室内模拟试验方法，其特征在于：步骤（2）中硅胶压力平衡管包括不锈钢管、硅胶管和硅胶管夹，不锈钢管和硅胶管连通，硅胶管夹夹紧硅胶管，不锈钢管伸入气体圆柱采样桶内。
5.根据权利要求4所述的室内模拟试验方法，其特征在于：采集气体时，打开硅胶管夹，保持硅胶压力平衡管与外部环境连通。
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