CN106404933B - 基于稻田土壤溶液的稻田温室气体测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于稻田土壤溶液的稻田温室气体测量方法，包括如下步骤：(10)土壤溶液采集：利用土壤溶液采集器采集稻田不同土壤深度处的土壤溶液；(20)土壤溶液静置：将土壤溶液注入真空瓶中，静置24小时；(30)温室气体测定：采用气相色谱仪测量静置后的土壤溶液中温室气体的浓度。本发明的稻田温室气体测量方法，操作简单、测量结果准确。

Description

基于稻田土壤溶液的稻田温室气体测量方法

技术领域

本发明属于农业生态环境监测技术领域，特别是一种操作简单、测量准确的基于稻田土壤溶液的稻田温室气体测量方法。

背景技术

全球气候变化是当今国际社会普遍关注的问题，也是当前人类面临的最为严峻的环境问题，气候变暖则是它的一个重要体现。二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)、氧化亚氮(N₂O)是三种典型且最重要的温室气体。大气中CO₂、CH₄、N₂O等温室气体浓度增高是导致全球变暖的主要原因。农田是陆地生态系统的主要组成，也是温室气体的重要排放源。全球农业生产活动排放的温室气体占人类活动排放量的10-12％，土壤中有机质的分解是大气CO₂浓度升高的重要原因之一，同时土壤也是CH₄和N₂O的重要排放源。据统计，全球每年稻田排放CH₄的总量约占总排放量的12％，通过土壤硝化和反硝化作用排放的N₂O占整个生物圈所释放总量的70％-90％。因此减少农田的CO₂、CH₄、N₂O的排放，对缓解全球变暖起着积极的作用。

要想减少农田的CO₂、CH₄、N₂O的排放，首先我们应该找到合适的方法去预测农田中CO₂、CH₄、N₂O的排放情况，然后再采取相应的减排措施，比如选取适宜的水稻品种、对稻田水分的严格管理、科学用肥，积极研制环保型肥料、秸秆还田等举措。

目前，稻田中温室气体排放测定的方法有很多，最常用的是采用箱法(又可分为静态箱-气相色谱法和动态箱-气相色谱法)来采集并测定温室气体的浓度。箱法的工作原理是用特制的采样装置在一定面积的土壤及其植物上方，并隔绝箱内外气体的自由交换，测定箱内空气中被测温室气体随时间的变化，并据此计算得到该气体的交换通量。以静态箱法为例阐述，静态箱法是在保持位于被测地块上方的箱内空气与外界没有任何交换的情况下，通过在一段不太长的时间内(如十几分钟)箱内被测气体的浓度变化来获得该气体的界面交换通量。因此使用静态箱法最重要也是比较困难的一点就是在整个过程中保持绝对密闭性。尽管它具有原理简单、仪器想对廉价、操作容易、灵敏度高等优点，但是其测定温室气体通量具有不确定性，同时此方法采样时间太长易导致箱内痕量气体浓度过饱和，如果时间太短，测得的痕量气体排放通量的变异很大，不具有代表性，且人为扰动误差较大，一定程度上限制了此方法的推广应用。

另外一种常用的方法是微气象法，它的基本原理是在近地层中，涡流扩散是气体传输的基本过程，因此测量近地层的涡流状况和被测气体的浓度便可获得该气体的通量值。用微气象法获得气体通量值的基本条件的微气象参数测量必须在常通量层中进行。因此使用这种方法时要求测试地为大面积均匀地地表状况。在某一高度上测量得到的气体输送通量被认为是测点附近地表的该气体交换通量。而此方法控制条件要求较高、需要的设备成本较大，过程相对复杂，干扰因素也很多，应用上也受到一定的限制。

土壤溶液是土壤中水分及其所含溶质的总称。土壤溶液的组成有一定规律，它反映土壤类型的历史与特性，也反映季节性动态及农用情况。它与固相部分紧密接触，并与固相表面保持动态平衡状态。其组成与活性随外界(大气、水、生物)环境的变化而有所变化。在一定程度上，它是连接土壤呼吸与植物根系呼吸的纽带，对土壤中的物质转化、气体交换和植物的营养起着重要的作用。土壤溶液已成为土壤、植物营养、生态环境等学科的重要研究内容。

因此，现有技术存在的问题是：如何简单、准确地测量稻田温室气体排放情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于稻田土壤溶液的稻田温室气体测量方法，操作简单、测量结果准确。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于稻田土壤溶液的稻田温室气体测量方法，包括如下步骤：

(10)土壤溶液采集：利用土壤溶液采集器采集稻田不同土壤深度处的土壤溶液；

(20)土壤溶液静置：将土壤溶液注入真空瓶中，充入纯N₂，静置平衡24小时；

(30)温室气体测定：在25摄氏度下，采用气相色谱仪测量静置后的土壤溶液中温室气体的浓度。

所述(10)土壤溶液采集步骤中，土壤深度分别为5cm、15cm。

所述(10)土壤溶液采集步骤具体为：

在稻田不同土壤深度处预埋土壤溶液采集器，每个土壤溶液采集器与一注射器相连，抽吸注射器，即可得到稻田不同土壤深度处的土壤溶液。

所述(20)土壤溶液静置步骤包括：

(21)真空瓶抽空：用真空泵将真空瓶抽真空，以橡皮塞密封；

(22)土壤溶液注入：用注射器针头穿透真空瓶橡皮塞，将5mL土壤溶液注入所述真空瓶；

(23)摇匀静置：将注入土壤溶液的真空瓶摇匀，充入纯N₂，静置平衡24小时，待测。

所述(30)温室气体测定步骤包括：

(31)在25摄氏度下，采用气相色谱仪分别测量静置后的土壤溶液中CO₂、CH₄、N₂O的浓度，单位为ppm，样品气体浓度＝标样浓度×样品峰面积/标样峰面积；

(32)根据下式计算CO₂、CH₄、N₂O的浓度(mg/L)，

式中，V_g为真空瓶内气体的体积，mL；V_l为真空瓶内液体的体积，mL，B为本生系数，本生系数Bunsen Coefficient＝0.87，即单位体积的溶剂所吸收的，换算到标准状态下，273.15K，0.1MPa)，的气体体积；C_g为真空瓶内气体的浓度，ppm)C_a为空白瓶内气体的浓度，ppm；T为测定时的温度，℃。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

操作简单、测量准确。

本发明利用土壤溶液采集器采集稻田耕层不同深度(5cm、15cm)的土壤溶液，并往真空瓶中打入5mL的土壤溶液，平衡24h之后测定真空瓶中温室气体(CO₂、CH₄、N₂O)的浓度，以之估测稻田中温室气体的排放情况。与已有的技术相比，其优点在于材料方便易得，成本低廉，操作过程简单，测定的结果可靠有效，具有很强的代表性；同时也为节省人力物力、提高工作效率、科学研究稻田温室气体排放的时空变化规律，并为用于温室气体排放的研究提供了一个有效途径。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明基于稻田土壤溶液的稻田温室气体测量方法的主流程图。

图2为图1中土壤溶液采集步骤的工作原理图。

图3为图1中土壤溶液静置步骤的工作原理图。

图4为不同生育期稻田土壤溶液中温室气体排放通量测量结果示例。图中，F5、F15分别代表臭氧浓度升高处理下5cm、15cm深度采集的土壤溶液，A5、A15分别代表正常大气对照处理下5cm、15cm深度采集的土壤溶液。

具体实施方式

实例1

在移栽水稻之前，在稻田耕层土壤不同深度(5cm、15cm)埋设好土壤溶液采集器。移栽好水稻后，分别在其幼苗期、拔节期、孕穗期、成熟期这四个生育期原位采集土壤溶液，采集的时候医用注射器、三通阀和土壤溶液采集器相连，利用负压法分别抽取稻田耕层土壤不同深度(5cm、15cm)的土壤溶液。这样就完成了土壤溶液的采集工作。

实例2

真空瓶事先用真空泵抽好真空，然后用以上对应的注射器量取大约5mL的土壤溶液，装上注射器的针头，刺穿真空瓶的橡皮塞，将5mL土壤溶液缓缓打入真空瓶中。轻轻摇匀真空瓶中的液体，充入纯N₂平衡真空瓶内气体后，静置24h，确保真空瓶中的溶液释放出来的气体趋于稳定平衡，以待测。

实例3

CO₂、CH₄、N₂O的浓度用Agilent公司生产的7890A气相色谱仪测定。根据公式：样品气体浓度＝标样浓度×样品峰面积/标样峰面积，计算气体浓度。具体测定方法如下：

CO₂的浓度用Agilent公司生产的7890A气相色谱仪测定，检测器为热导检测器(TCD)。色谱柱为80/100目Chromosorb填充柱。进样器、检测器以及填充柱的温度分别为100℃、60℃和60℃，载气为高纯氢，压力分别为300KPa，100KPa，100KPa。载气流速为80mL/min。用356ppm、653ppm和984ppm的CO₂标准气体校正仪器，由Agilent Chromatopac 7890A积分仪记录数据，通过标准气体和待测气体的峰面积计算待测气体的浓度。

CH₄的浓度用Agilent公司生产的7890A气相色谱仪测定，检测器为氢焰离子检测器(FID)。色谱柱为80/100目Porapak Q的填充柱，柱长2m。进样器、检测器以及填充柱的温度分别为200℃、200℃和80℃，载气为高纯氮，载气流速为30mL/min，氢气和空气流速分别为20mL/min和50mL/min。用10.5ppm的CH₄标准气体校正仪器，由Agilent Chromatopac7890A积分仪记录数据，通过标准气体和待测气体的峰面积计算待测气体的浓度。

N₂O的浓度用Agilent公司生产的7890A气相色谱仪测定，检测器为63Ni电子捕获检测器(ECD)。色谱柱为80/100目Porapak Q的填充柱。进样器、检测器以及填充柱的温度分别为100℃、300℃和65℃，用高纯氮作为反吹气，压力分别为400KPa，50KPa，50KPa；载气为氩甲烷(95％氩气+5％甲烷)，压力分别为309KPa，295KPa，265KPa。载气流速为40mL/min。用300ppb和1000ppb的N₂O标准气体校正仪器，由Agilent Chromatopac 7890A积分仪记录数据，通过标准气体和待测气体的峰面积计算待测气体的浓度。

实例4

土壤溶液中CO₂、CH₄和N₂O温室气体浓度的计算方法如下：

CO₂、CH₄和N₂O浓度用Agilent公司生产的7890A气相色谱仪测定。根据公式：样品气体浓度＝标样浓度×样品峰面积/标样峰面积，计算气体浓度(ppm)。CO₂、CH₄、N₂O的浓度(mg/L)根据公式(1)来计算。

式中，V_g为真空瓶内气体的体积(mL)；V_l为真空瓶内液体的体积(mL)，B为本生系数(Bunsen Coefficient＝0.87)：单位体积的溶剂所吸收的，换算到标准状态下(273.15K，0.1MPa)下的气体体积；C_g为真空瓶内气体的浓度(ppm)；C_a为空白瓶内气体的浓度(ppm)；T为测定时的温度(℃)；

最终得出来的CO₂、CH₄、N₂O的气体浓度数据，经整理画图分析后如图3所示。CO₂和N₂O的气体浓度随着生育期的推进，整体来说呈现显著降低的趋势；CH₄的气体浓度呈现先上升后降低的变化，在成熟期达到最低值。臭氧浓度升高条件下，降低了CO₂和CH₄的气体浓度，提高了N₂O的气体浓度；且5cm处温室气体的排放浓度整体都高于15cm。

Claims (2)

1.一种基于稻田土壤溶液的稻田温室气体测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(10)土壤溶液采集：利用土壤溶液采集器采集稻田不同土壤深度处的土壤溶液；

(20)土壤溶液静置：将土壤溶液注入真空瓶中，充入纯N₂，静置平衡24小时；

(30)温室气体测定：在25摄氏度下，采用气相色谱仪测量静置后的土壤溶液中温室气体的浓度；

所述(10)土壤溶液采集步骤中，土壤深度分别为5cm、15cm；

所述(10)土壤溶液采集步骤具体为：

在稻田不同土壤深度处预埋土壤溶液采集器，每个土壤溶液采集器与一注射器相连，抽吸注射器，即可得到稻田不同土壤深度处的土壤溶液；

所述(20)土壤溶液静置步骤包括：

(21)真空瓶抽空：用真空泵将真空瓶抽真空，以橡皮塞密封；

(22)土壤溶液注入：用注射器针头穿透真空瓶橡皮塞，将5mL土壤溶液注入所述真空瓶；

(23)摇匀静置：将注入土壤溶液的真空瓶摇匀，充入纯N₂，静置平衡24小时，待测。

2.根据权利要求1所述的温室气体测量方法，其特征在于，所述(30)温室气体测定步骤包括：

(31)在25摄氏度下，采用气相色谱仪分别测量静置后的土壤溶液中CO₂、CH₄、N₂O的浓度，单位为ppm，样品气体浓度＝标样浓度×样品峰面积/标样峰面积；

(32)根据下式计算CO₂、CH₄、N₂O的浓度(mg/L)，

式中，V_g为真空瓶内气体的体积，mL；V_l为真空瓶内液体的体积，mL，B为本生系数，本生系数Bunsen Coefficient＝0.87，即单位体积的溶剂所吸收的，换算到标准状态下，273.15K，0.1MPa，的气体体积；C_g为真空瓶内气体的浓度，ppmC_a为空白瓶内气体的浓度，ppm；T为测定时的温度，℃。