CN105467038B - 动态连续大样本测定土壤呼吸速率及同位素组成的装置和方法 - Google Patents

动态连续大样本测定土壤呼吸速率及同位素组成的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动态连续大样本测定土壤呼吸速率及同位素组成的装置和方法；本发明利用空气泵带动空气通过碱石灰柱和空气过滤器，生成洁净无CO2的空气，用洁净无CO2空气稳定的携带土壤呼吸产生的CO2动态进入检测装置，实现了动态连续测定，提高了检测效率；同时，本发明设计了若干根竖直设置的两端开口的圆柱形培养管为土壤培养管，检测时将培养土填充至土壤培养管体积的1/2～3/4，使每个土壤培养管的土重为100～500g，洁净无CO2空气从土壤培养管下端进入而从上端流出，实现了大样本检测，提高了检测数据的准确性和代表性。

Description

动态连续大样本测定土壤呼吸速率及同位素组成的装置和 方法
技术领域
本发明涉及土壤监测技术领域，具体涉及一种动态连续大样本测定土壤呼吸速率及同位素组成的装置和方法。
背景技术
近年来，人类活动导致的碳循环紊乱导致大气中的CO2含量日趋升高，全球气候变暖问题受到广泛关注。土壤是陆地生态装置中最大的碳库，土壤中碳贮量的增加将有助于缓和人类活动导致的大气CO2含量升高，而土壤CO2的释放将会加剧CO2含量升高的趋势。气候变化背景下，土壤呼吸的温度敏感性，特别是土壤中稳定碳库的温度敏感性以及长期温度升高条件下土壤呼吸的温度敏感性，底物有效性，微生物群落结构及矿化作用等方面的研究工作是目前土壤学、生态学、环境学等领域研究的热点。
天然13C同位素示踪法的基本原理来自于不同植物光合途径对13CO2的同位素分馏差异。C3植物(如大豆、水稻、小麦等)在光合作用中对13CO2的同位素分馏效应远远大于C4植物(如玉米、甘蔗等)。因此，C3植物的光合产物以及生物量中的13C平均丰度(δ13C≈-27‰)显著低于C4-植物(δ13C≈-12‰)，长期在C3植被下发育的土壤有机碳的13C平均丰度(δ13C≈-25‰)亦显著低于长期在C4植被下发育的土壤有机碳的13C平均丰度(δ13C≈-14‰)，因此，准确土壤呼吸δ13C至关重要，误差大小直接决定了土壤呼吸来源的正确估算。
现有研究工作中，关于测定土壤呼吸速率及同位素组成的方法较多，如密闭静置培养法、通气培养法、气相色谱法和CO2传感器等方法。但是，现有装置及方法存在的缺点包括：
1、实验土壤样品量往往较小(＜50g)，无法实现大样本检测，从而导致测定误差大、代表性差等问题。
2、普遍为静态吸收过程，很难全部固定土壤呼吸产生的CO2，存在样品无法连续快速测定、影响实验进度等缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种动态连续大样本测定土壤呼吸速率及同位素组成的装置和方法，能够实现大样本检测从而提高检测准确性，同时能够实现动态连续测定从而提高检测效率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种动态连续大样本测定土壤呼吸速率的装置，包括空气泵、碱石灰柱、空气过滤器、流量调节总阀、恒温器、缓冲瓶、土壤培养管、CO2检测器和流量计；所述空气泵、碱石灰柱、空气过滤器和流量调节总阀通过管道依次连接，所述缓冲瓶的瓶口塞有瓶塞且通过金属导管与流量调节总阀连接，所述土壤培养管为若干根竖直设置的两端开口的圆柱形培养管，所述土壤培养管上端塞有致密胶塞且通过分流管与缓冲瓶连接，所述分流管上设置有流量调节分阀，所述土壤培养管下端塞有致密胶塞且分别与CO2检测器连接，所述CO2检测器与流量计连接，所述缓冲瓶、金属导管和土壤培养管均置于恒温器内。
作为优选的技术方案，所述土壤培养管的数量为3～7根。
作为优选的技术方案，所述恒温器包括恒温水浴箱和用于调节恒温水浴箱温度的温度控制器。
利用上述装置测定土壤呼吸速率的方法，包括以下步骤：
(1)将土壤填充入土壤培养管中，填充至土壤培养管体积的1/2～3/4，土重为100～500g，培养后将土壤培养管塞上致密胶塞；
(2)调节恒温器到测量所需温度，将步骤(1)得到的填充培养后的土壤培养管和空白的土壤培养管置于恒温器内，连接好测定土壤呼吸速率的装置，稳定1～2个小时，使土壤培养管及土壤的温度与所需温度一致；
(3)开通空气泵使空气通过碱石灰柱，将空气中的CO2去除，将无CO2空气导入空气过滤器去除气体中的微小颗粒物质，导出的洁净无CO2空气通过流量调节总阀控制总流量大小，并通过金属导管使洁净无CO2空气温度与恒温器中的温度保持一致，通过缓冲瓶使洁净无CO2空气平稳进入分流管，调节分流管上的流量调节分阀，使进入每个土壤培养管的洁净无CO2空气流速为40～100ml/min且流速大小一致；
(4)每个土壤培养管连通洁净无CO2空气1～4个小时，排空土壤培养管内原有空气，然后依通气的先后顺序依次将土壤培养管与CO2检测器和流量计连接，记录CO2检测器和流量计的读数。
作为优选的技术方案，所述步骤(4)中，土壤培养管与CO2检测器和流量计连接通气后稳定3～5min读数。
一种动态连续大样本测定土壤呼吸同位素组成的装置，包括空气泵、碱石灰柱、空气过滤器、流量调节总阀、恒温器、缓冲瓶、土壤培养管和装有碱液的检测试管；所述空气泵、碱石灰柱、空气过滤器和流量调节总阀通过管道依次连接，所述缓冲瓶的瓶口塞有瓶塞且通过金属导管与流量调节总阀连接，所述土壤培养管为若干根竖直设置的两端开口的圆柱形培养管，所述土壤培养管上端塞有致密胶塞且通过分流管与缓冲瓶连接，所述分流管上设置有流量调节分阀，所述土壤培养管下端塞有致密胶塞且分别与检测试管一一对应连接，所述缓冲瓶、金属导管和土壤培养管均置于恒温器内。
作为优选的技术方案，所述土壤培养管的数量为3～7根。
作为优选的技术方案，所述恒温器包括恒温水浴箱和用于调节恒温水浴箱温度的温度控制器。
利用上述装置测定土壤呼吸同位素组成的方法，包括以下步骤：
(1)将土壤填充入土壤培养管中，填充至土壤培养管体积的1/2～3/4，土重为100～500g，培养后将土壤培养管塞上致密胶塞；
(2)调节恒温器到测量所需温度，将步骤(1)得到的填充培养后的土壤培养管和空白的土壤培养管置于恒温器内，连接好测定土壤呼吸同位素组成的装置，稳定1～2个小时，使土壤培养管及土壤的温度与所需温度一致；
(3)开通空气泵使空气通过碱石灰柱，将空气中的CO2去除，将无CO2空气导入空气过滤器去除气体中的微小颗粒物质，导出的洁净无CO2空气通过流量调节总阀控制总流量大小，并通过金属导管使洁净无CO2空气温度与恒温器中的温度保持一致，通过缓冲瓶使洁净无CO2空气平稳进入分流管，调节分流管上的流量调节分阀，使进入每个土壤培养管的洁净无CO2空气流速为40～100ml/min且流速大小一致；
(4)每个土壤培养管连通洁净无CO2空气1～4个小时，排空土壤培养管内原有空气，然后将土壤培养管与检测试管一一对应连接，检测试管内的碱液固定土壤呼吸的CO2；用滴定法或TOC分析仪直接测定碱液，计算CO2含量；向碱液中加入氯化锶，沉淀碱液中的碳酸根，生成碳酸锶沉淀，烘干后，得到的固体粉末用同位素比例质谱仪测定其同位素组成。
上述两种装置中，碱石灰柱中填充有碱石灰，碱石灰的主要成分是氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾的混合物，用于吸收空气中的CO2，生成无CO2空气；空气过滤器内设置有滤膜，滤膜孔径范围为0.02～0.2mm，用于去除空气中的微小颗粒物质；流量调节总阀和流量调节分阀为针式微量调节阀，公称通径为DN3～DN25；恒温器的温度控制范围在5～50℃，通过调节温度，对相同实验土壤进行不同温度下的连续实验，可以进行土壤呼吸的温度敏感性研究；流量计为数字或机械空气流量计，量程范围0～1000ml/min；金属导管材质为铜、铝或其他合金。
本发明的有益效果在于：
1、本发明利用空气泵带动空气通过碱石灰柱和空气过滤器，生成洁净无CO2的空气，用洁净无CO2空气稳定的携带土壤呼吸产生的CO2动态进入检测装置(测定土壤呼吸速率时，检测装置为CO2检测器和流量计；测定土壤呼吸同位素组成时，检测装置为装有碱液的检测试管)，实现了动态连续测定，从而提高了检测效率。
2、本发明设计了若干根竖直设置的两端开口的圆柱形培养管为土壤培养管，检测时将培养土填充至土壤培养管体积的1/2～3/4，使每个土壤培养管的土重为100～500g，从而使实验土壤样品量远远大于现有技术的小样品量(＜50g)，实现了大样本检测，同时洁净无CO2空气从土壤培养管下端进入而从上端流出，保证了气体停留时间和对整个土壤样品呼吸产生CO2的充分冲洗，提高了检测数据的准确性和代表性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为动态连续大样本测定土壤呼吸速率的装置的结构示意图；
图2为动态连续大样本测定土壤呼吸同位素组成的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1
如图1所示，动态连续大样本测定土壤呼吸速率的装置包括空气泵1、碱石灰柱2、空气过滤器3、流量调节总阀4、恒温器5、缓冲瓶6、土壤培养管7、CO2检测器8和流量计9；所述空气泵1、碱石灰柱2、空气过滤器3和流量调节总阀4通过管道依次连接，所述缓冲瓶6的瓶口塞有瓶塞且通过金属导管10与流量调节总阀4连接，所述土壤培养管7为4根竖直设置的两端开口的圆柱形培养管，所述土壤培养管7上端塞有致密胶塞11且通过分流管12与缓冲瓶6连接，所述分流管12上设置有流量调节分阀13，所述土壤培养管7下端塞有致密胶塞11且分别与CO2检测器8连接，所述CO2检测器8与流量计9连接，所述缓冲瓶6、金属导管10和土壤培养管7均置于恒温器5内，所述恒温器5包括恒温水浴箱和用于调节恒温水浴箱温度的温度控制器14。
利用上述装置测定土壤呼吸速率的方法，包括以下步骤：
(1)将土壤填充入土壤培养管7中，填充至土壤培养管7体积的1/2～3/4，使土重为100g，培养后将土壤培养管7塞上致密胶塞11；
(2)调节恒温器到20℃，将步骤(1)得到的填充培养后的土壤培养管7和空白的土壤培养管7置于恒温器5内(3个填充土壤培养管和1个空白土壤培养管)，连接好测定土壤呼吸速率的装置，稳定1个小时，使土壤培养管及土壤的温度达到20℃；
(3)开通空气泵1使空气通过碱石灰柱2，将空气中的CO2去除，将无CO2空气导入空气过滤器3去除气体中的微小颗粒物质，导出的洁净无CO2空气通过流量调节总阀4控制总流量大小，并通过金属导管10使洁净无CO2空气温度与恒温器5中的温度保持一致，通过缓冲瓶6使洁净无CO2空气平稳进入分流管12，调节分流管12上的流量调节分阀13，使进入每个土壤培养管7的洁净无CO2空气流速为80ml/min且流速大小一致；
(4)每个土壤培养管7连通洁净无CO2空气3个小时，排空土壤培养管7内原有空气，然后依通气的先后顺序依次将土壤培养管7与CO2检测器8和流量计9连接，稳定5min后，记录CO2检测器8和流量计9的读数。
实施例2
实施例2除土壤培养管中的土重为200g外，其他与实施例1相同。
实施例3
实施例3除土壤培养管中的土重为300g外，其他与实施例1相同。
实施例4
实施例4除土壤培养管中的土重为400g外，其他与实施例1相同。
实施例5
实施例5除土壤培养管中的土重为500g外，其他与实施例1相同。
比较例1 静态碱液吸收法
将装有3ml 1mol/L NaOH的10ml小瓶内置于底部装有20g土壤的250ml三角瓶中，用无CO2空气将三角瓶内空气置换，用胶塞密闭来捕获CO2，一定时间更换小瓶，吸收后的碱液用盐酸滴定以计算碱液中吸收的CO2量。
比较例2 气体直接测定法
5g样品置于12ml小瓶中，抽真空三次，用无CO2空气冲洗，平衡到大气压，立刻置于25℃水浴中，8次重复，选择其中4个重复小瓶反复注射器抽取1ml顶空气体于气相色谱仪测定CO2浓度。根据每隔一定时间(通常是每分钟)抽取和补充密闭容器中一定体积的气体，建立CO2浓度与时间变化的线性关系来计算土壤呼吸速率大小。
实施例1-5和比较例1-2测定的20℃下土壤呼吸速率，数据如下：
从实施例1-5和比较例1-2的方法比较和测定数据可以看出，测定土壤呼吸速率时，现有的静态碱液吸收法和气体直接测定法无法动态连续测定，并且实验土壤样品量较小，测定误差大；而本发明方法实现了动态连续测定和大样本检测，提高了检测数据的准确性和代表性。
实施例6
如图2所示，动态连续大样本测定土壤呼吸同位素组成的装置包括空气泵1、碱石灰柱2、空气过滤器3、流量调节总阀4、恒温器5、缓冲瓶6、土壤培养管7和装有碱液的检测试管15；所述空气泵1、碱石灰柱2、空气过滤器3和流量调节总阀4通过管道依次连接，所述缓冲瓶6的瓶口塞有瓶塞且通过金属导管10与流量调节总阀4连接，所述土壤培养管7为4根竖直设置的两端开口的圆柱形培养管，所述土壤培养管7上端塞有致密胶塞11且通过分流管12与缓冲瓶6连接，所述分流管12上设置有流量调节分阀13，所述土壤培养管7下端塞有致密胶塞11且分别与检测试管15一一对应连接，所述缓冲瓶6、金属导管10和土壤培养管7均置于恒温器5内，所述恒温器5包括恒温水浴箱和用于调节恒温水浴箱温度的温度控制器14。
利用上述装置测定土壤呼吸同位素组成的方法，包括以下步骤：
(1)将土壤填充入土壤培养管7中，填充至土壤培养管7体积的1/2～3/4，使土重为100g，培养后将土壤培养管7塞上致密胶塞11；
(2)调节恒温器到30℃，将步骤(1)得到的填充培养后的土壤培养管7和空白的土壤培养管7置于恒温器5内(3个填充土壤培养管和1个空白土壤培养管)，连接好测定土壤呼吸同位素组成的装置，稳定2个小时，使土壤培养管及土壤的温度达到30℃；
(3)开通空气泵1使空气通过碱石灰柱2，将空气中的CO2去除，将无CO2空气导入空气过滤器3去除气体中的微小颗粒物质，导出的洁净无CO2空气通过流量调节总阀4控制总流量大小，并通过金属导管10使洁净无CO2空气温度与恒温器5中的温度保持一致，通过缓冲瓶6使洁净无CO2空气平稳进入分流管12，调节分流管12上的流量调节分阀13，使进入每个土壤培养管7的洁净无CO2空气流速为50ml/min且流速大小一致；
(4)每个土壤培养管7连通洁净无CO2空气4个小时，排空土壤培养管7内原有空气，然后将土壤培养管7与检测试管15一一对应连接，检测试管15内的碱液固定土壤呼吸的CO2；用滴定法或TOC分析仪直接测定碱液，计算CO2含量；向碱液中加入氯化锶，沉淀碱液中的碳酸根，生成碳酸锶沉淀，烘干后，得到的固体粉末用同位素比例质谱仪测定其同位素组成。
实施例7
实施例7除土壤培养管中的土重为200g外，其他与实施例6相同。
实施例8
实施例8除土壤培养管中的土重为300g外，其他与实施例6相同。
实施例9
实施例9除土壤培养管中的土重为400g外，其他与实施例6相同。
实施例10
实施例10除土壤培养管中的土重为500g外，其他与实施例6相同。
比较例3 静态碱液吸收法
将装有3ml 1mol/L NaOH的10ml小瓶内置于底部装有20g土壤的250ml三角瓶中，用无CO2空气将三角瓶内空气置换，用胶塞密闭来捕获CO2，一定时间更换小瓶，吸收后的碱液用氯化锶沉淀，固定碳酸根，烘干后获得碳酸锶粉末，用同位素比例质谱仪测定CO2的δ13C。
比较例4 气体直接测定法
5g样品置于12ml小瓶中，抽真空三次，用无CO2空气冲洗，平衡到大气压，立刻置于25℃水浴中，8次重复，选择其中4个重复小瓶反复注射器抽取1ml顶空气体于气相色谱仪测定CO2浓度。当累积CO2浓度达到1000ppm时，抽取另外4个重复小瓶的顶空气，利用同位素比例质谱仪测定CO2的δ13C值
实施例6-10和比较例3-4测定的30℃下土壤呼吸同位素组成，数据如下：
案例 方法 培养土重(g) δ13C标准差(‰)
比较例3 静态碱液吸收法 20 0.68
比较例3 静态碱液吸收法 20 0.56
比较例4 气体直接测定法 5 0.51
比较例4 气体直接测定法 5 0.49
实施例6 本发明方法 100 0.27
实施例7 本发明方法 200 0.23
实施例8 本发明方法 300 0.11
实施例9 本发明方法 400 0.13
实施例10 本发明方法 500 0.13
从实施例6-10和比较例3-4的方法比较和测定数据可以看出，测定土壤呼吸同位素组成时，现有的静态碱液吸收法和气体直接测定法无法动态连续测定，并且实验土壤样品量较小，测定误差大；而本发明方法实现了动态连续测定和大样本检测，提高了检测数据的准确性和代表性。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种动态连续大样本测定土壤呼吸同位素组成的装置，其特征在于：包括空气泵、碱石灰柱、空气过滤器、流量调节总阀、恒温器、缓冲瓶、土壤培养管和装有碱液的检测试管；所述空气泵、碱石灰柱、空气过滤器和流量调节总阀通过管道依次连接，所述缓冲瓶的瓶口塞有瓶塞且通过金属导管与流量调节总阀连接，所述土壤培养管为若干根竖直设置的两端开口的圆柱形培养管，所述土壤培养管上端塞有致密胶塞且通过分流管与缓冲瓶连接，所述分流管上设置有流量调节分阀，所述土壤培养管下端塞有致密胶塞且分别与检测试管一一对应连接，所述缓冲瓶、金属导管和土壤培养管均置于恒温器内；所述土壤培养管的数量为3~7根，所述土壤培养管中填充的土壤体积为土壤培养管体积的1/2～3/4，土重为100～500g；所述空气过滤器内设置有滤膜，滤膜孔径范围为0.02～0.2mm。
2.根据权利要求1所述的动态连续大样本测定土壤呼吸同位素组成的装置，其特征在于：所述恒温器包括恒温水浴箱和用于调节恒温水浴箱温度的温度控制器。
3.利用权利要求1或2所述的装置测定土壤呼吸同位素组成的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将土壤填充入土壤培养管中，填充至土壤培养管体积的1/2～3/4，土重为100～500g，培养后将土壤培养管塞上致密胶塞；
（2）调节恒温器到测量所需温度，将步骤（1）得到的填充培养后的土壤培养管和空白的土壤培养管置于恒温器内，连接好测定土壤呼吸同位素组成的装置，稳定1～2个小时，使土壤培养管及土壤的温度与所需温度一致；
（3）开通空气泵使空气通过碱石灰柱，将空气中的CO2去除，将无CO2空气导入空气过滤器去除气体中的微小颗粒物质，导出的洁净无CO2空气通过流量调节总阀控制总流量大小，并通过金属导管使洁净无CO2空气温度与恒温器中的温度保持一致，通过缓冲瓶使洁净无CO2空气平稳进入分流管，调节分流管上的流量调节分阀，使进入每个土壤培养管的洁净无CO2空气流速为40～100ml/min且流速大小一致；
（4）每个土壤培养管连通洁净无CO2空气1～4个小时，排空土壤培养管内原有空气，然后将土壤培养管与检测试管一一对应连接，检测试管内的碱液固定土壤呼吸的CO2；用滴定法或TOC分析仪直接测定碱液，计算CO2含量；向碱液中加入氯化锶，沉淀碱液中的碳酸根，生成碳酸锶沉淀，烘干后，得到的固体粉末用同位素比例质谱仪测定其同位素组成。
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