CN104833739B - 一种区分水稻、水稻根际与非根际呼吸的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种区分水稻、水稻根际与非根际呼吸的方法及装置，步骤：A、水稻种植；B、水稻生长到生育期，将水稻放于光照的空地处,装上采集装置；C、打开气室中的电扇，混匀气体，依次抽取水稻植株呼吸、水稻根际土和水稻非根际土呼吸产生的温室气体；D、气体样品测试浓度后计算各部分的释放通量。装置包括水稻呼吸采气室、非根际土呼吸采气室、根际土呼吸采气室，根际土呼吸采气室插入PVC底座中，根际土呼吸采气室是通过有机玻璃板用螺丝卡扣及橡胶垫圈固定，水稻呼吸采气室放在非根际土呼吸采气室上面，通过螺丝卡扣及橡胶垫圈进行密封,采气口用软胶塞封住，方法易行，操作简便，能准确地测定并区分水稻、水稻根际与非根际的呼吸。
Description
技术领域
本发明技术属于农业环境试验技术领域。更具体涉及一种测定稻田生态系统温室气体排放通量的方法，同时还涉及一种测定稻田生态系统温室气体排放通量的装置。该方法适合于科研、教学和环保部门测定环境温室气体排放。
背景技术
大气中温室气体浓度不断增加引起的全球变暖和臭氧层破坏是当今全球性环境问题。二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)被认为是最重要的三种温室气体。温室气体的排放源很多，其中农田生态系统在温室气体和全球变化研究中具有十分重要的地位。水稻是我国主要的粮食作物，稻田温室气体排放不容忽视，温室气体主要来源于水稻植株呼吸和土壤呼吸，土壤呼吸包括根系呼吸和微生物呼吸两个部分，区分与定量水稻植株呼吸、水稻根际土和非根际土呼吸产生的温室气体通量，对于实现稻田温室气体减排和制定与采纳针对性调控措施具有重要的理论意义。
目前对于稻田温室气体排放的测定主要是通过静态箱法，跟踪温室气体排放的通量与速率；或是通过测定土壤呼吸来估算稻田温室气体排放，然而，这些方法只能估算整个稻田系统温室气体的排放，不能区分水稻呼吸、水稻根际土壤、非根际土壤各部分的贡献。也有装置专门研究植物地下部呼吸通量，但是该装置仅测定了非根际土呼吸和根际土呼吸两个部分，无法将植物根际土与植物呼吸区分开。目前，还没有一种有效区分水稻-土壤系统各个部分呼吸(例如水稻呼吸、水稻根际土呼吸和水稻非根际土壤呼吸)产生温室气体的装置。因此，为量化水稻-土壤系统各个部分呼吸通量，为制订相应的稻田温室气体减排措施提供理论支撑，本发明采用根际袋将水稻根系固定在根际袋内，同时设计多气室直接区分水稻、水稻根际土(根系+土壤)与非根际土的装置，建立水稻-土壤系统各部分呼吸过程准确快捷监测的方法。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种区分水稻-土壤系统各部分(水稻、水稻根际与非根际)温室气体排放通量测量的方法，方法易行，操作简便。本发明设计构建一种基于一个具有独立的三气室气体采集装置，便于准确方便测定水稻呼吸、水稻根际和非根际呼吸通量的方法。
本发明的另一个目的是在于提供了一种区分水稻-土壤系统各部分(水稻、水稻根际与非根际)温室气体排放通量测量的装置，该装置采用不影响水稻生长的透明有机玻璃制备，通过有机玻璃圆筒以及密封设备隔离水稻、根际土和非根际土，实现对各部分的区分。该装置结构简单，成本低，易于制作，使用操作简便。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
一种区分水稻、水稻根际与非根际呼吸的方法，具体包括以下步骤：
1.水稻种植。在PVC底座(高×直径＝30厘米×16厘米)中加入5-10公斤过2毫米孔径筛的新鲜土壤，在土壤中施加硫酸铵、磷酸二氢钠和氯化钾等营养液，将苗期的水稻先移栽于装有400-600克鲜土的根际袋中，然后一并移入PVC底座的土壤中，水稻淹水培养，在25-30℃条件下使水稻苗生长发育。
2.采气装置安装。在水稻生长到典型生育期(分蘖期、拔节期、抽穗期、成熟期等)时，将水稻放于光照正常的空地处，并快速装上三气室(水稻呼吸采气室、非根际土呼吸采气室、根际土呼吸采气室)气体采集装置(图1)，各气室(水稻呼吸采气室、非根际土呼吸采气室、根际土呼吸采气室)间连接处和采气口确保密封完好。
3.气体采集。采集气体时打开各气室中的电风扇(普通)，混匀产生的二氧化碳、甲烷和氧化亚氮。准确记录开始抽气时间(设采气装置安装好后立即抽取的第一管气体的时间为00:00:00)，依次抽取水稻植株呼吸、水稻根际土和水稻非根际土呼吸产生的温室(25-35摄氏度)气体，每个气室(水稻呼吸采气室、非根际土呼吸采气室、根际土呼吸采气室)每次抽取28-35毫升气体，注入9-11毫升抽成真空的玻璃采气瓶中。隔一定时间(每隔29-31分钟)后进行第二次、第三次和第四次采样。
4.气体测试与计算。采样结束后，卸下采气装置，收集样品。采集的气体分别用气相色谱测定二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的浓度，利用测定的数据即可计算出各部分产生的温室气体的通量。
温室气体排放通量的计算公式：
Flux＝M/Vm×Vchamber/Schamber×273/(273+T)×dc/dt；
式中：Flux为温室气体排放通量，单位mg m-2h-1；
M：气体摩尔质量，单位g mol-1；
Vm：气体摩尔体积，单位L mol-1；
Vchamber：采气室体积，单位m3；
Schamber：采气室横截面面积，单位m2；
T：采气室采气时温度，单位℃；
dc/dt：单位时间气体浓度的变化，单位mg h-1。
经过计算最后得到每平方米水稻、水稻根际区、非根际区每小时二氧化碳排放通量。
一种区分水稻、水稻根际与非根际呼吸的装置，包括三个部分：第一部分是用以栽培水稻的PVC管底座(高×直径＝30厘米×16厘米)；第二部分是用来收集水稻根际土和非根际土呼吸的双气室有机玻璃装置(高×直径＝30厘米×15厘米)；第三部分是一个上部封口的有机玻璃圆筒制备的收集水稻呼吸的气室(高×直径＝100厘米×15厘米，上部封口)。本装置包括三个由有机玻璃制成的可连接的水稻呼吸采气室、非根际土呼吸采气室、根际土呼吸采气室，水稻呼吸采气室、非根际土呼吸采气室、根际土呼吸采气室内均有一个用来混匀气室内气体的独立电风扇。其特征在于：水稻呼吸采气室、非根际土呼吸采气室、根际土呼吸采气室内均设有一个可通电的独立电风扇，电风扇的导电线穿过有机玻璃并用中性硅酮密封胶密封，PVC底座中种植水稻，非根际土呼吸采气室直接插入PVC底座中，通过淹水层密封；根际土呼吸采气室是通过一个半圆形的有机玻璃板用第一螺丝卡扣以及橡胶垫圈固定并密封，水稻杆穿过半圆形有机玻璃板圆心处的中心孔，并用玻璃胶密封水稻杆与孔间的空隙，形成独立的根际土呼吸采气室；水稻呼吸采气室放在非根际土呼吸采气室上面，通过第二螺丝卡扣以及橡胶垫圈进行密封；分别对水稻呼吸采气室的采气口用软胶塞封住、非根际土呼吸采气室的采气口用软胶塞封住、根际土呼吸采气室的采气口用软胶塞封住，保证三个气室密封完好。
所述的第一部分：PVC管底座由一个高度为20-30厘米、直径为11-16厘米的圆筒制成，主要用于盛装种植水稻的土壤和水；
所述的第二部分：非根际土呼吸的双气室高度为20-30厘米、直径为10-15厘米连接底座的用于收集水稻根际土和非根际土呼吸产气的有机玻璃管结构，非根际土呼吸采气室通过一个直径1厘米的圆孔与外部相通，收集气体时用软胶塞塞住，抽气时直接用30毫升注射器抽取。位于内部的根际土采样室，通过一个高度为20-30厘米，直径为4-6厘米有机玻璃管与非根际土采气室分开，上部是两个半圆形的盖子，一个已经固定在有机玻璃管上，另外一半通过螺丝钉固定，两个半圆的盖子中间有一个直径为1-2厘米圆孔，可以使水稻穿过根际土呼吸采气室，在半圆形盖子用螺丝固定后，水稻与小圆孔之间用中性硅酮密封胶密封，防止气体溢出。根际土采样室通过一个软导管与外部连通，安装时将软导管的一端接在水稻呼吸采气室壁上，并通过软胶塞封口。根际土采样室和非根际土采样室分别装有一个电风扇，电风扇电源线穿过筒壁至箱外，再通过开关与电源相连。
所述的第三部分：水稻呼吸采样室，该部分是一个高度为80-120厘米、直径为10-15厘米的有机玻璃圆筒。圆筒上部封口，下部外沿有可以固定三口螺丝的接口槽，以便与非根际土呼吸的双气室结构连接，水稻呼吸采样室与非根际土呼吸采气室连接处用橡胶垫圈密封。水稻呼吸采样室的有机玻璃圆筒壁上装有一个电风扇，电风扇电源线穿过筒壁至箱外，再通过开关与电源相连。抽气口为用软胶塞密封的一个直径为1-2厘米圆孔。水稻呼吸采气室、非根际土呼吸采气室、根际土呼吸采气室中分别安装一个温度计，测定各个气室的温度，同时根际土和非根际土也插入温度计，测定土壤温度。整个装置(水稻呼吸采气室、非根际土呼吸采气室、根际土呼吸采气室)严格密闭，穿过箱壁所有管道周围用玻璃胶密封。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1.采用根际袋法，结合三个独立气室，能够有效测定并区分水稻植株呼吸、水稻根际土和非根际土呼吸产生的温室气体。
2.采用透明的有机玻璃制成的三个独立气室，不影响水稻正常光合作用。
3.每个气室内都装有电风扇，可以保证每个气室内的气体混合均匀，使得测试结果准确可靠。
4.每个气室内都装有温度计，有利于随时监控采气室内温度变化，便于及时进行调控。
5.本装置的气体采集操作简便、快速、安全，技术要求相对较低，适合温室盆栽植株以及土壤呼吸的测定分析。
6.本装置适合于研究水稻、小麦等作物生态系统各部分温室气体排放通量的研究。
附图说明
图1为一种区分水稻、水稻根际与非根际呼吸的装置。
图2为图1的水稻呼吸采气室的示意图。
图3为图1的水稻根际土、非根际土呼吸采气室装置示意图。
其中：1-水稻呼吸采气室(气室1，有机玻璃制备)，2-温度计，3-软胶塞(根际土呼吸采气室采气口)，4-电风扇(普通)，5-软胶塞(水稻呼吸采气室采气口)，6-有机玻璃结构，7-橡胶垫圈，8-导气软管，9-非根际土呼吸采气室(气室2，有机玻璃制备)，10-根际土呼吸采气室(气室3，有机玻璃制备)，11-圆形孔(供水稻穿过气室2)，12-半圆形密封盖(有机玻璃制备)，13-第一螺丝卡扣，14-第二螺丝卡扣，15-固定螺丝卡扣的有机玻璃外沿，16-非根际土呼吸采气口，17-水稻，18-土壤，19-水稻根系，20-根际袋，21-淹水层，22-种植水稻的PVC管底座。
具体实施方式
实施例1：
一种区分水稻、水稻根际与非根际呼吸的方法，其步骤是：
1.水稻种植。在种植水稻的底座PVC管(高×直径为25×15厘米)中加入土壤，取相当于烘干重15-20公斤新鲜表层(0-20厘米)水稻土，去掉可见的植物残体，适当风干后，过2毫米孔径筛，在土壤中均匀地喷施硫酸铵、磷酸二氢钠和氯化钾混合溶液，施入的氮、磷和钾量分别为80、20和80毫克/公斤土壤，分别将土壤装入长×宽为8×4厘米的根际袋和底座PVC管中，根际袋中装土壤500克，底座PVC桶装土壤10公斤。选取发育良好、个体大小相近的水稻苗，每个根际袋中移栽3株水稻苗，将装有水稻苗的根际袋一起移栽入PVC底座桶中，水稻在25-30℃温度条件下淹水2-3厘米培养。
2.采气装置安装。在水稻生长到典型生育期(分蘖期、拔节期、抽穗期、成熟期等)时，将水稻放于光照正常的空地处，并快速装上三气室(水稻呼吸采气室1、非根际土呼吸采气室9、根际土呼吸采气室10)气体采集装置(图1)。先将水稻非根际呼吸采气室9(图3)快速插入PVC底座中，并使水稻苗穿过中间半圆形的开口处，然后盖上半圆形密封盖，用螺丝卡扣固定，中心圆与水稻杆间用玻璃胶进行密封，从而形成独立的水稻根际呼吸采气室10。水稻呼吸采气室1(图2)直接罩住水稻，连接在水稻非根际呼吸采气室9(图3)上。水稻根际呼吸采气室10(图3)与盆栽底座PVC桶间利用水稻淹水层进行密封；水稻呼吸采气室1与非根际土呼吸采气室9两部分采气装置(图2与图3)利用三个螺丝扣以及密封垫密封，用软胶塞塞住各个采气口。开启采气装置三个气室(水稻呼吸采气室1、非根际土呼吸采气室9、根际土呼吸采气室10)的电风扇使气体混合均匀。
3.气体采集。装好采气装置后立即开始第一次采样。用带有三通阀的28或29或30或31或32毫升注射器依次抽取三个气室(水稻呼吸采气室1、非根际土呼吸采气室9、根际土呼吸采气室10)内的气体，注入9或10或11毫升已抽成真空的采气管中，用来测定气体浓度。此后，每隔29或30或31分钟采样一次，一共采样4次。准确记录每管气体抽取的时间。
4.气体测试与计算。采集的气体用气相色谱仪进行测试，温室气体排放通量通过测得的气体浓度进行计算。
温室气体排放通量的计算公式：
Flux(mg m-2h-1)＝M/Vm×Vchamber/Schamber×273/(273+T)×dc/dt
经过计算最后得到每平方米水稻、水稻根际区、非根际区每小时气体排放通量。
实例：以水稻-土壤系统中各部分(水稻、水稻根际区、非根际区)呼吸的CO2为例，计算各部分CO2排放通量。
水稻盆栽装好采气装置后，立即分别抽取水稻呼吸采气室、水稻根际区呼吸采气室和非根际区呼吸采气室中的气体，分别计时为00:00:00，此后每隔30分钟，分别采集三部分气室中的气体，共采集4次。数据列表如下：
表1水稻-土壤系统中各部分(水稻、水稻根际区、非根际区)呼吸CO2排放通量采样记录与计算
实施例2：
下面结合图1，图2和图3对本发明进一步详细描述：
一种区分水稻、水稻根际与非根际呼吸的装置，本装置包括三个由有机玻璃制成的可连接的水稻呼吸采气室1、非根际土呼吸采气室9、根际土呼吸采气室10，其特征在于：水稻呼吸采气室1、非根际土呼吸采气室9、根际土呼吸采气室10内均设有一个可通电的独立电风扇4，电风扇4的导电线穿过有机玻璃并用中性硅酮密封胶密封，PVC底座22中种植水稻，非根际土呼吸采气室9直接插入PVC底座22中，通过淹水层密封；根际土呼吸采气室10是通过一个半圆形的有机玻璃板12用第一螺丝卡扣13以及橡胶垫圈固定并密封，水稻杆穿过半圆形有机玻璃板12圆心处的中心孔11，并用玻璃胶密封水稻杆与孔间的空隙，形成独立的根际土呼吸采气室10；水稻呼吸采气室1放在非根际土呼吸采气室9上面，通过第二螺丝卡扣14以及橡胶垫圈7进行密封；分别对水稻呼吸采气室1的采气口用软胶塞5封住、非根际土呼吸采气室9的采气口用软胶塞16封住、根际土呼吸采气室10的采气口用软胶塞3封住，保证三个气室密封完好。
水稻呼吸采气室1为上方密闭下方开口的圆柱形结构。下方开口底端向外围增加一个正六边形的有机玻璃结构6，正六边形的有机玻璃结构6每边中间添加一个螺丝卡口，此螺丝卡口可通过与非根际土呼吸采气室9上的第二螺丝卡扣14相连接形成密闭结构。水稻呼吸采气室1高1m，内径20厘米，电风扇4位于桶壁上，同时桶壁上悬挂一个温度计2用来测定水稻呼吸采气室1内的温度，水稻呼吸采气室1的采气口用软胶塞5密封。非根际土呼吸采气室9由两个下方开口的圆柱型结构构成，外层圆柱结构外径与PVC管底座22内径相同以保证其可恰好插入PVC盆内一定深度，并通过水稻淹水层21密封，内层圆柱形结构下方紧贴水稻根际袋20外插放入土壤18中一定深度(3-5厘米)，内层圆柱与外层圆柱上方连接且向外围增加固定螺丝卡扣的有机玻璃外沿15，中间有一个小圆槽放入橡胶垫圈7密封，正六边形的有机玻璃结构6每边中间添加第二螺丝卡扣14，非根际土呼吸采气室9与水稻呼吸采气1室通过第二螺丝卡扣14连接固定。根际土呼吸采气室10的小圆柱结构下部开口，内径约5厘米，上部有一个固定的半圆形有机玻璃板密封，同时在此半圆形有机玻璃板上连接一个导气软管8，接到水稻呼吸采气室1的壁上并用软胶塞3密封，可以直接抽取水稻根际土呼吸产生的温室气体；根际土呼吸采气室10上部开口的另一半用一个带有密封橡胶圈的半圆形密封盖12(半圆形有机玻璃板)通过第一螺丝卡扣13固定在根际土呼吸采气室10上；同时两个半圆形密封盖12(半圆形有机玻璃板)中间有一个直径约1.5厘米的圆形孔11，水稻(17)可通过该圆形孔11进入水稻呼吸采气室1。电风扇2位于非根际土呼吸采气室9外层圆柱内部，非根际土呼吸采气口16通过软胶塞密封。水稻呼吸采气室1、非根际土呼吸采气室9和根际土呼吸采气室10三个独立的采气室所有连接处、穿过管道处均用玻璃胶密封，以保证箱体严格密封。
Claims (5)
1.一种区分水稻、水稻根际与非根际呼吸的装置，它包括水稻呼吸采气室(1)、非根际土呼吸采气室(9)、根际土呼吸采气室(10)，其特征在于：水稻呼吸采气室(1)、非根际土呼吸采气室(9)、根际土呼吸采气室(10)内设有一个电风扇(4)，电风扇(4)的导电线穿过有机玻璃并用中性硅酮密封胶密封，非根际土呼吸采气室(9)直接插入PVC底座(22)中，通过淹水层密封，根际土呼吸采气室(10)是通过一个半圆形的有机玻璃板(12)用第一螺丝卡扣(13)及橡胶垫圈固定并密封，水稻杆穿过半圆形有机玻璃板(12)圆心处的中心孔(11)，用玻璃胶密封水稻杆与孔间的空隙，形成根际土呼吸采气室(10)，水稻呼吸采气室(1)放在非根际土呼吸采气室(9)上面，通过第二螺丝卡扣(14)及橡胶垫圈(7)进行密封，分别对水稻呼吸采气室(1)的采气口用软胶塞(5)、非根际土呼吸采气室(9)的采气口用软胶塞(16)、根际土呼吸采气室(10)的采气口用软胶塞(3)封住。
2.根据权利要求1所述的一种区分水稻、水稻根际与非根际呼吸的装置，其特征在于：所述的水稻呼吸采气室(1)为上方密闭下方开口的圆柱形结构，下方开口底端向外围增加一个正六边形的有机玻璃结构(6)，正六边形的有机玻璃结构(6)每边中间添加一个螺丝卡口，螺丝卡口通过与非根际土呼吸采气室(9)上的第二螺丝卡扣(14)相连接形成密闭结构。
3.根据权利要求1所述的一种区分水稻、水稻根际与非根际呼吸的装置，其特征在于：所述的非根际土呼吸采气室(9)由两个下方开口的圆柱型结构构成，外层圆柱结构外径与PVC管底座(22)内径相同，通过水稻淹水层(21)密封，内层圆柱形结构下方贴水稻根际袋(20)外插放入土壤(18)中，内层圆柱与外层圆柱上方连接，外围增加固定螺丝卡扣的有机玻璃外沿(15)，中间有一个圆槽放入橡胶垫圈(7)密封，正六边形的有机玻璃结构(6)每边中间添加第二螺丝卡扣(14)，非根际土呼吸采气室(9)与水稻呼吸采气室(1)通过第二螺丝卡扣(14)连接固定。
4.根据权利要求1所述的一种区分水稻、水稻根际与非根际呼吸的装置，其特征在于：所述的根际土呼吸采气室(10)的小圆柱结构下部开口，上部有一个固定的半圆形有机玻璃板密封，在半圆形有机玻璃板上连接一个导气软管(8)，接到水稻呼吸采气室(1)的壁上并用软胶塞(3)密封，根际土呼吸采气室(10)上部开口的另一半用一个带有密封橡胶圈的半圆形密封盖(12)通过第一螺丝卡扣(13)固定在根际土呼吸采气室(10)上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的区分水稻、水稻根际与非根际呼吸的装置的使用方法，其步骤是：
A、水稻种植：在种植水稻的底座PVC管中加入土壤，取相当于烘干重15-20公斤新鲜表层水稻土，去掉植物残体，风干后，过2毫米孔径筛，在土壤中均匀地喷施硫酸铵、磷酸二氢钠和氯化钾混合溶液，施入的氮、磷和钾量分别为80、20和80毫克/公斤土壤，分别将土壤装入的根际袋和底座PVC管中，根际袋中装土壤500克，底座PVC桶装土壤10公斤，选取水稻苗，每个根际袋中移栽三株水稻苗，将装有水稻苗的根际袋一起移栽入PVC底座桶中，水稻在25-30℃温度条件下淹水2-3厘米培养；
B、采气装置安装：在水稻生长到生育期：分蘖期、拔节期、抽穗期、成熟期时，将水稻放于光照正常的空地处，并装上三气室气体采集装置，先将水稻根际呼吸采气室插入PVC底座中，使水稻苗穿过中间半圆形的开口处，然后盖上半圆形密封盖，用螺丝卡扣固定，中心圆与水稻杆间用玻璃胶进行密封，使水稻根际区形成独立气室，水稻呼吸采气室直接罩住水稻，连接在水稻根际呼吸采气室上，水稻根际呼吸采气室与盆栽底座PVC桶间利用水稻淹水层进行密封，两部分采气装置利用三个螺丝扣以及密封垫密封，用软胶塞塞住采气口，开启采气装置三个气室的电风扇使气体混合均匀；
C、气体采集：装好采气装置后开始第一次采样，用带有三通阀的28－32毫升注射器依次抽取三个气室内的气体，注入9－11毫升已抽成真空的采气管中，用来测定气体浓度，此后，每隔29－31分钟采样一次，一共采样4次，记录每管气体抽取的时间；
D、气体测试与计算：采集的气体用气相色谱仪进行测试，温室气体排放通量通过测得的气体浓度进行计算：
Flux＝M/Vm×Vchamber/Schamber×273/(273+T)×dc/dt；
式中：Flux为温室气体排放通量，单位mg m-2h-1；
M：气体摩尔质量，单位g mol-1；
Vm：气体摩尔体积，单位L mol-1；
Vchamber：采气室体积，单位m3；
Schamber：采气室横截面面积，单位m2；
T：采气室采气时温度，单位℃；
dc/dt：单位时间气体浓度的变化，单位mg h-1；
经过计算最后得到每平方米水稻、水稻根际区、非根际区每小时二氧化碳排放通量。
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