CN108444776A - 原状土柱纵向土层气体的取样装置及其取样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原状土柱纵向土层气体的取样装置及其取样方法，该取样装置包括用于原位采集待测土壤的取土器和若干根用于水平插入至待测土壤不同深度的气体采集管，所述原位取土器底部设置有与其可拆卸连接的底座；所述取土器的一侧外壁沿纵向由上至下间隔开设有若干个用于供气体采集管水平贯穿插入待测土壤的通孔，每根所述气体采集管的一端通过连通管与设置在取土器外侧的三通阀连通。本发明能够在不破坏原状土柱结构以及不改变土样养分、微生物自然分布的情况下精确采集土柱不同纵向深度的气体样品，实现对原状土柱剖面气体动态的准确监测。

Description

原状土柱纵向土层气体的取样装置及其取样方法
技术领域
本发明涉及土壤剖面气体取样的技术领域，具体地指一种原状土柱纵向土层气体的取样装置及其取样方法。
背景技术
土壤结构、养分含量及微生物分布在土壤剖面不同纵向深度均存在较大的分异，因此土壤气体，尤其是主要以土壤微生物过程产生的气体，如N2O、CO2、CH4等，也会在土壤剖面内形成浓度梯度差异。土壤微生物产生的气体在土壤剖面内迁移扩散，部分被截留在土壤水、土壤孔隙中，部分被转化为其他物质，剩余部分才能被排出土壤表面，因此研究土壤剖面内气体的分布规律对于深入理解调控气体净排放量的机理十分必要。现有技术中，申请号为201410676771.2的中国发明专利公开了一种土壤气体取样系统，该系统包括：气体采集装置，气体采集装置包括多个气体采集管，多个气体采集管分别用于插设到待取样土壤的不同深度处，气体采集管上设有若干进气孔；多通道输气装置，多通道输气装置包括多个输气管，多个输气管的一端分别与多个气体采集管连通，每个输气管上均设有阀门；抽气装置，抽气装置设有进气端和排气端，进气端与多个输气管的另一端连接；储气装置，储气装置与排气端连接。虽然上述系统可以实现定位采集特定深度足量的土壤气体，但是在田间布设上述土壤气体取样系统工程量大、资金投入多等待土壤形成自然结构的时间也较长，不适宜广泛应用。而且，由于田间环境复杂多变，不利于深入挖掘环境单因子变化对土壤气体产生、扩散、排放动态的影响机理及其相关微生物调控机制的基础研究。
为了克服上述专利中存在的不足，目前实验室培养主要采用体积较小的土柱对土壤剖面气体进行研究，该方法以风干过筛土为主要试验材料，先将样地内采集的土壤自然风干，研磨过2mm筛后混匀，再回填至土壤培养装置内，回填过程中在不同纵深位置放置气体采集管。然而，上述方法采用的风干混匀土破坏了土壤原始的结构和养分含量分布特征，土壤微生物活性也在风干过程中极大破坏，很大程度上影响气体产生和排放规律研究的准确性，相关研究也表明相同培养条件下，原状土柱N2O产生量显著高于风干过筛土。因此，对于原状土柱剖面气体的采集装置及方法尚未解决。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种原状土柱纵向土层气体的取样装置及其取样方法，该方法能够在不破坏原状土柱结构以及不改变土样养分、微生物自然分布的情况下精确采集试验控制条件下土柱不同纵向深度的气体样品，实现对原状土柱剖面气体动态的准确监测。
为实现上述目的，本发明设计的原状土柱纵向土层气体的取样装置，包括用于原位采集待测土壤的取土器和若干根用于水平插入至待测土壤不同深度的气体采集管，所述原位取土器底部设置有与其可拆卸连接的底座；
所述取土器的一侧外壁沿纵向由上至下间隔开设有若干个用于供气体采集管水平贯穿插入待测土壤的通孔，每根所述气体采集管的一端通过连通管与设置在取土器外侧的三通阀连通。
作为优选实施方式的，所述取土器为由聚氯乙烯制成的中空筒体，所述取土器的顶部和底部均敞开。
作为优选实施方式的，所述气体采集管为采用具有透气防水性的硅橡胶制成的中空管，且气体采集管的两端均通过硅橡胶塞密封。
作为优选实施方式的，所述连通管的一端插入位于气体采集管一端的硅橡胶塞与气体采集管的内腔连通，所述连通管的另一端向外延伸穿出通孔与设置在取土器外侧的三通阀连通，所述连通管与通孔之间的空隙采用硅胶填充密封。
本发明还提供一种利用原状土柱纵向土层气体的取样装置进行取样的方法，包括如下步骤：先采用原位取土法在土壤中取出所需深度的原状土柱作为待测土壤，然后沿待测土壤的纵向由上至下间隔水平插入气体采集管，再放置于培养室中进行培养处理，最后通过气体采集管采集待测土壤不同深度的气体样品送至分析检测。
作为优选实施方式的，所述原位取土法的具体步骤为：将取土器按压在土壤上面，然后挖空取土器周围的土壤，取土器自由落下至所需土壤深度，将取土器和其内部的土壤一起挖出，最后采用底座密封取土器的底部，形成待测土壤。
作为优选实施方式的，所述沿待测土壤的纵向由上至下间隔插入气体采集管的具体步骤为：先将取土器卧倒放置，然后采用钻土器从通孔伸入取土器的内部沿其径向钻出土壤形成用于容纳气体采集管的土壤孔隙通道，接着将气体采集管水平插入通道内，并通过连通管与设置在取土器外侧的三通阀连通，最后采用硅胶将连通管与通孔之间的空隙填充密封。
作为优选实施方式的，所述采集待测土壤不同深度的气体样品的具体步骤为：从取土器的上部依次向下采集气体样品，每个深度位置采集气体时先旋开三通阀用注射器抽取气体采集管内的气体样品，再充入等体积的氦气保持气体采集管管内的气压平衡。
作为优选实施方式的，所述的原状土柱纵向土层气体取样方法，具体包括如下步骤：
1)原位取土：将取土器按压在土壤上面，然后挖空取土器周围的土壤，取土器自由落下至所需土壤深度，将取土器和其内部的土壤一起挖出，最后采用底座密封取土器的底部，形成原位土柱的待测土壤；
2)安装气体采集管：先将步骤1)所得的取土器卧倒放置，然后采用钻土器从通孔伸入取土器的内部沿其径向钻出土壤形成用于容纳气体采集管的土壤孔隙通道，接着将气体采集管水平插入通道内，并通过连通管与设置在取土器外侧的三通阀连通，最后采用硅胶将连通管与通孔之间的空隙填充密封；
3)培养处理：将步骤2)处理后的取土器放置于培养室中进行培养处理，根据实际需要调节待测土壤的养分、水分、温度、以及pH值；
4)抽取检测：将气体采集管采集待测土壤不同深度的气体样品抽取后送至分析检测，最后充入等体积的氦气保持气体采集管管内的气压平衡。
作为优选实施方式的，上述方法的步骤3)中，养分为无机养分，优选为尿素、过磷酸钙、硫酸铵、氯化钾中的一种或几种；水分范围为20％-120％WFPS；温度的范围为-4℃～30℃；pH的范围为4.5～8.5。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
其一，本发明的取样方法采用原位取土方法最大程度地维持了原状土柱的原有土壤结构、养分及微生物等性质的垂直分布特征，有利于相对客观的反映土壤剖面气体的动态特征规律。
其二，本发明的取样装置采用的气体采集管材料为市售硅橡胶管，具有透气不透水，管内外气压平衡的性能，不仅适用于干旱土壤，还能够对湿润土壤，甚至是淹水状态土壤剖面气体进行采集，提高了该装置的应用范围。
其三，本发明的取样装置操作简便、成本低廉、技术要求相对较低，可以根据试验需要调整取样器的尺寸、气体采集管安装数量以及安装位置，并可根据试验设置于不同的环境条件下培养，灵活多变。
其四，本发明的取样方法采集到的土壤剖面气体可以与对应深度土壤样品结合，分析土壤养分的转化、功能微生物的种群丰度和结构动态等对土壤气体形成的影响，进而为探讨土壤气体排放的调控机理提供理论基础。
附图说明
图1为本发明原状土柱纵向土层气体的取样装置的结构示意图；
图中，1-取土器1、2-气体采集管、3-底座、4-通孔、5-连通管、6-三通阀。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的原状土柱纵向土层气体的取样装置，包括用于原位采集待测土壤的取土器1和若干根用于水平插入至待测土壤不同深度的气体采集管2，原位取土器1底部设置有与其可拆卸连接的底座3；取土器1为由聚氯乙烯制成的中空筒体，取土器1的顶部和底部均敞开。气体采集管2为采用具有透气防水性的硅橡胶制成的中空管，且气体采集管2的两端均通过硅橡胶塞密封。取土器1的一侧外壁沿纵向由上至下间隔开设有若干个用于供气体采集管2水平贯穿插入待测土壤的通孔4，每根气体采集管2的一端通过连通管5与设置在取土器1外侧的三通阀6连通。连通管5可采用不锈钢制成的钢管。连通管5的一端插入位于气体采集管2一端的硅橡胶塞与气体采集管2的内腔连通，连通管5的另一端向外延伸穿出通孔4与设置在取土器1外侧的三通阀6连通，连通管5与通孔4之间的空隙采用硅胶填充密封。
本实施例利用上述原状土柱纵向土层气体的取样装置进行取样的方法，包括如下步骤：
1)用取土器1以原位取土法在水稻田采集0-20cm深度的原状土柱作为待测土壤，尽量选择无水稻根系，土面较为平整的取样点三个，小刀轻轻去除土表明显的植物残茬，将取土器1轻轻按压在土面上，然后用锋利的铁铲将管壁外部土壤逐渐挖空，使取土器1自由落下，直至取土器1内的土柱深度达到20cm后，将取土器1及内部土柱一同挖出，并用小刀将土柱底部修整为与管体底部平齐，之后取土器1的下端固定在底座3上并密封；
2)用钻土器(直径为1.6cm的不锈钢管)分别从取土器1管体侧壁的通孔4位置缓慢且水平的钻出土壤，使取土器1内的原状土柱中形成三个长度为15cm、直径为1.6cm的土壤孔隙通道；
3)将气体采集管2的两端用硅胶塞密封后，用连通管5一端穿过气体采集管2一端的硅胶塞，连通管5的另一端与三通阀6连接；再将气体采集管2沿已钻出的土壤孔隙通道缓慢插入，气体采集管2完全进入后用硅胶密封气体采集管2与通孔4之间的孔隙，关闭三通阀6；
4)从待测土壤的表面缓慢加入双蒸水，使土壤淹水约2cm厚度后置于温室25℃培养约两周，培养过程中注意保持土面淹水厚度始终为2cm，然后用注射器将土面自由水层移除，进行水分自然落干处理，3个重复；
5)在落干处理前一天和落干后有每隔两天采集一次土壤气体，每次采样时先从土柱上部依次往下采集气体样品，每个位置采样时先旋开三通阀后用注射器连接，缓慢的反复五次抽动注射器以混匀气体采集管2内气体，抽取5ml气体样品于15ml已抽真空的集气瓶中,之后将等体积氦气充入各气体采集管2中以保持管内气压平衡。
6)气体样品测定：用25ml高纯氦气充入每瓶气体样品中，使集气瓶呈高压状态，采用温室气体气相色谱仪检测N2O浓度。
培养过程中的气体测定结果进行分类统计，统计结果部分如表1所示：
表1落干过程中原状水稻土壤剖面N2O浓度动态结果分析
注：表中N2O浓度值单位为mg N2O-N/m3，显示为平均值±标准差。
由表1可知，在落干培养的不同取样时间点，原状土柱剖面纵向深度N2O气体浓度都有显著差异，最上层土壤(距管体下端15cm距离)N2O浓度在落干过程中最先达到高峰，随后分别为10cm和5cm距离，且上层土壤N2O浓度均略高于下层土壤，符合理论上土柱水分含量在落干过程中由上至下梯度降低的规律以及土壤养分、微生物数量分布由上至下梯度降低的规律。
对比例：
1)在田间采集三个0-20cm深度土柱后进行风干处理，过筛混匀后备用以作为对照处理；
2)风干后的混匀土重填入取土器1，填土过程中每到达一个预留通孔位置就插入一根两端封闭的气体采集管，直到填土深度达到20cm为止；
3)用连通管5一端穿过气体采集管2一端的硅胶塞，连通管5的另一端与三通阀6连接；再将气体采集管2沿已钻出的土壤孔隙通道缓慢插入，气体采集管2完全进入后用硅胶密封气体采集管2与通孔4之间的孔隙，关闭三通阀6；
4)从待测土壤的表面缓慢加入双蒸水，使土壤淹水约2cm厚度后置于温室25℃培养约两周，培养过程中注意保持土面淹水厚度始终为2cm，然后用注射器将土面自由水层移除，进行水分自然落干处理，3个重复；
5)在落干处理前一天和落干后有每隔两天采集一次土壤气体，每次采样时先从土柱上部依次往下采集气体样品，每个位置采样时先旋开三通阀后用注射器连接，缓慢的反复五次抽动注射器以混匀气体采集管2内气体，抽取5ml气体样品于15ml已抽真空的集气瓶中,之后将等体积氦气充入各气体采集管2中以保持管内气压平衡。
6)气体样品测定：用25ml高纯氦气充入每瓶气体样品中，使集气瓶呈高压状态，采用温室气体气相色谱仪检测N2O浓度。
培养过程中的气体测定结果进行分类统计，统计结果部分如表2所示：
表2落干过程中筛分水稻土壤剖面N2O浓度动态结果分析
注：表中N2O浓度值单位为mg N2O-N/m3，显示为平均值±标准差。
由表2可知，在落干培养的不同取样时间点，筛分土壤剖面纵向深度N2O气体浓度均远远低于原状土柱剖面对应深度N2O气体浓度，筛分土壤中N2O气体浓度仅为原状土壤的1％左右，说明风干过筛后的土壤微生物活性大大降低。此外筛分土壤剖面不同纵向深度N2O气体达到高峰的时间也显著落后于原状土，进一步说明风干过筛后的土壤产N2O微生物对水分变化的响应速度更慢。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种原状土柱纵向土层气体的取样装置，其特征在于：包括用于原位采集待测土壤的取土器(1)和若干根用于水平插入至待测土壤不同深度的气体采集管(2)，所述原位取土器(1)底部设置有与其可拆卸连接的底座(3)；
所述取土器(1)的一侧外壁沿纵向由上至下间隔开设有若干个通孔(4)，每根所述气体采集管(2)的一端通过连通管(5)与设置在取土器(1)外侧的三通阀(6)连通。
2.根据权利要求1所述的原状土柱纵向土层气体的取样装置，其特征在于：所述取土器(1)为由聚氯乙烯制成的中空筒体，所述取土器(1)的顶部和底部均敞开。
3.根据权利要求1或2所述的原状土柱纵向土层气体的取样装置，其特征在于：所述气体采集管(2)为采用具有透气防水性的硅橡胶制成的中空管，且气体采集管(2)的两端均通过硅橡胶塞密封。
4.根据权利要求3所述的原状土柱纵向土层气体的取样装置，其特征在于：所述连通管(5)的一端插入位于气体采集管(2)一端的硅橡胶塞与气体采集管(2)的内腔连通，所述连通管(5)的另一端向外延伸穿出通孔(4)与设置在取土器(1)外侧的三通阀(6)连通，所述连通管(5)与通孔(4)之间的空隙采用硅胶填充密封。
5.一种原状土柱纵向土层气体取样方法，包括如下步骤：先采用原位取土法在土壤中取出所需深度的原状土柱作为待测土壤，然后沿待测土壤的纵向由上至下间隔水平插入气体采集管，再放置于培养室中进行培养处理，最后通过气体采集管采集待测土壤不同深度的气体样品送至分析检测。
6.根据权利要求5所述的原状土柱纵向土层气体取样方法，其特征在于：所述原位取土法的具体步骤为：将取土器(1)按压在土壤上面，然后挖空取土器(1)周围的土壤，取土器(1)自由落下至所需土壤深度，将取土器(1)和其内部的土壤一起挖出，最后采用底座(3)密封取土器(1)的底部，形成待测土壤。
7.根据权利要求5所述的原状土柱纵向土层气体取样方法，其特征在于：所述沿待测土壤的纵向由上至下间隔插入气体采集管的具体步骤为：先将取土器(1)卧倒放置，然后采用钻土器从通孔(4)伸入取土器(1)的内部沿其径向钻出土壤形成用于容纳气体采集管(2)的土壤孔隙通道，接着将气体采集管(2)水平插入通道内，并通过连通管(5)与设置在取土器(1)外侧的三通阀(6)连通，最后采用硅胶将连通管(5)与通孔(4)之间的空隙填充密封。
8.根据权利要求5所述的原状土柱纵向土层气体取样方法，其特征在于：所述采集待测土壤不同深度的气体样品的具体步骤为：从取土器(1)的上部依次向下采集气体样品，每个深度位置采集气体时先旋开三通阀(6)用注射器抽取气体采集管(2)内的气体样品，再充入等体积的氦气保持气体采集管(2)管内的气压平衡。
9.根据权利要求5所述的原状土柱纵向土层气体取样方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
1)原位取土：将取土器(1)按压在土壤上面，然后挖空取土器(1)周围的土壤，取土器(1)自由落下至所需土壤深度，将取土器(1)和其内部的土壤一起挖出，最后采用底座(3)密封取土器(1)的底部，形成原位土柱的待测土壤；
2)安装气体采集管：先将步骤1)所得的取土器(1)卧倒放置，然后采用钻土器从通孔(4)伸入取土器(1)的内部沿其径向钻出土壤形成用于容纳气体采集管(2)的土壤孔隙通道，接着将气体采集管(2)水平插入通道内，并通过连通管(5)与设置在取土器(1)外侧的三通阀(6)连通，最后采用硅胶将连通管(5)与通孔(4)之间的空隙填充密封；
3)培养处理：将步骤2)处理后的取土器(1)放置于培养室中进行培养处理，根据实际需要调节待测土壤的养分、水分、温度、以及pH值；
4)抽取检测：将气体采集管(2)采集待测土壤不同深度的气体样品抽取后送至分析检测，最后充入等体积的氦气保持气体采集管(2)管内的气压平衡。
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