CN110687247A - 无土体扰动收集和测定根系和土壤co2呼吸的试验装置 - Google Patents

无土体扰动收集和测定根系和土壤co2呼吸的试验装置 Download PDF

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张芸
刘倩光
毛瑢
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Abstract

本发明公开了一种无土体扰动收集和测定根系和土壤CO2呼吸的试验装置，属于植物根系和土壤的CO2测定实验方法技术领域。该装置包括密闭气室罩、根箱和气体循环装置系统组成，最大程度地还原自然土壤环境收集根系和土壤呼吸的CO2，又能通过植株叶片13CO2标记以区别不同的CO2来源，确保实验的准确性。而且装置内各个组件通过软管连接器连接，可直接拆卸和组装，操作简单方便，组装后的气体循环系统体积小，便于携带，适合室外操作。

Description

无土体扰动收集和测定根系和土壤CO2呼吸的试验装置
技术领域
本发明涉及一种试验装置，具体涉及一种无土体扰动收集和测定根系和土壤CO2呼吸的试验装置，属于植物根系和土壤的CO2测定实验方法技术领域。
背景技术
农林业土壤CO2呼吸是大气温室气体的重要来源，其中根系呼吸可贡献土壤总呼吸的50%以上，在调节大气CO2浓度和气候方面发挥着关键的作用。然而与地上植被层相比，在无扰动状态下很难精确收集和测定土壤CO2呼吸。如何便捷、准确地测定土壤呼吸及区分来源对定量评估陆地生态系统对气候变化的反馈作用具有重要意义。截止目前，测定土壤呼吸或根系呼吸的几种方法均存在局限性，无法在植物正常生长状态或环境下测定土壤CO2释放量，也很难以区分土壤微生物呼吸和根系呼吸。
土壤呼吸一般采用气室法测定，即将固定面积的气室插入土壤，等待一段时间后用直接读取CO2浓度值，土壤呼吸包括根系呼吸和土壤微生物呼吸，但气室法只能获取土壤总呼吸CO2，无法区别根系呼吸和微生物呼吸，而且气室入土扰动土壤，改变土壤结构和温湿度，切断根系影响土壤呼吸的准确测定。目前测定根系呼吸的方法主要采用根去除法和氧电极法测定根系呼吸，根去除法通过对比有根和无根的条件下土壤呼吸之差推算根系呼吸，但在去根过程中可能破坏土壤原有的结构，测定的土壤呼吸并非自然原状土的土壤呼吸强度，另外还可在水培条件下通过测定植物根系吸收O2推测根系呼吸，但水培都无法还原植物生长的自然土壤环境。几种方法都无法在植物正常生长环境下测定土壤呼吸或根系呼吸。本发明利用13CO2标记植物，密闭土壤体，连接上气体循环装置，在不干扰土壤微生物和根系活动的情况下，收集它们呼吸产生的CO2气体，根据其13C丰度计算根系呼吸和土壤微生物呼吸CO2量，该发明能较好地还原植物正常生长的土壤环境，满足不同试验需求对土壤碳通量的影响估算。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无扰动条件下收集根系和土壤呼吸CO2的试验装置和工作方法，最大程度地还原自然土壤环境下收集根系和土壤呼吸的CO2，又能通过植株叶片13CO2标记以区别不同的CO2来源，确保实验的准确性。
一种无扰动条件下收集和测定根系和土壤呼吸CO2的试验装置，该装置由密闭气室罩、根箱和气体循环装置系统组成；
所述密闭气室罩用于CO2标记，密闭气室罩四个侧壁底部为凸槽设计，一个侧板上设置有标记气体进气口；
所述根箱用于植物根系生长，根箱的四个侧壁与底部封闭，上端面敞口，所述根箱四个侧壁上部为凹槽，可对接密闭气室罩下部的凸槽；所述根箱的两个对立侧面分别在上方和下方开有进气口和出气口,进气口和出气口处分别装有软管连通器；
所述气体循环装置系统分为气体循环装置系统一和气体循环装置系统二，所述气体循环装置系统一由无水硅胶元件、带调速器的气泵、气体缓冲瓶、碱石灰元件的顺序通过PU软气管连通；所述气体循环装置系统二由无水硅胶元件、NaOH收集瓶、带调速器的气泵、气体缓冲瓶的顺序通过PU软气管连通；使用时气体循环装置系统一时，硅胶元件通过PU软气管与根箱出气口连接，碱石灰元件通过PU软气管与根箱进气口连接；使用时气体循环装置系统二时，硅胶元件通过PU软气管与根箱出气口连接，气体缓冲瓶通过PU软气管与根箱进气口连接；
进一步地连接进气口的PU软气管伸入根箱一端的软管接有气泡石，防止土壤进入软管，堵塞气体进入。
进一步地硅胶元件和碱石灰元件为圆柱形的有机玻璃管，有机玻璃管两端分别有一个软管连通口，分别接进气和出气的软管。
进一步地NaOH收集瓶和气体缓冲瓶为有机玻璃制成圆柱形瓶子，NaOH收集瓶的体积小于气体缓冲瓶，瓶子的尺寸可根据具体试验需要设置，瓶口各装有两个软管连通器，进气口接长软管，出气口接短软管，长软管延伸至其所处瓶子的底部，短软管远离其所处装置的底部，NaOH收集瓶中NaOH溶液的浓度为2mol L-1；
进一步地密闭气室罩和根箱的尺寸根据植物个体大小决定。
本发明所述一种无扰动条件下收集根系和土壤呼吸CO2的试验装置，在该装置中测定植物根系呼吸产生的二氧化碳的量或呼吸速率的具体操作步骤为：
步骤一：前期准备过程及栽培
根箱底部填充粗砂，目的是加强底部通气性，使出气气流更加通畅，充分收集；然后选择健康的一株植物，根系舒展地摆放在根箱正中，用土壤填到根箱上方的进气口以上，同时将进气口处接有气泡石的软气管的一端置于土壤中；浇灌去离子水，缓苗一周；土壤预先晾干过筛；
步骤二：标记
标记开始前，在根箱的土层表面用硅胶板覆盖，在硅胶板的中间剪开一半，穿过茎部，将开缝的硅胶板用蓝丁胶粘在一起，硅胶板与根箱之间的缝隙用蓝丁胶密闭；
根箱上盖上密闭气室罩，用注射器往密闭气室罩注入13C标记的CO2气体，根据需要可连续多次标记。
步骤三：收集CO2
单次标记一天后或连续标记多天后，取下密闭气室罩；
将气体循环装置系统一与根箱连接，运行气泵30 min，目的是把循环系统和土体中原有的CO2通过硅胶和碱石灰去除，确保测定的CO2为收集期间土壤微生物和根系产生的CO2；循环系统的硅胶元件是为了去除整个系统的水汽，防止土壤中的水汽稀释NaOH吸收液，影响滴定结果。然后取下气体循环装置系统一，将气体循环装置系统二与根箱连接，每隔6 h开启气泵1h，将土体中产生的CO2通过循环装置固定在NaOH中；
步骤四：测定和计算CO2呼吸量。
有益效果
(1) 本提案通过13CO2标记植物后，可追踪植物合成的光合产物转化成CO2，通过测定13C丰度值和总CO2呼吸，利用二元方程分别计算根系呼吸和土壤微生物呼吸的CO2量，可区别土壤中不同的CO2来源；
(2) 该试验装置提供植物生长在自然土壤条件，保证了其正常的养分需求，而且通过气体循环装置保证了收集过程中土体中氧气的供应，使测定结果最大程度接近自然条件下的土壤呼吸。
(3) 适用于多种木本或草本植物，可满足多种试验需求，如养分或水分胁迫、温度调控、施肥等对土壤和根系呼吸的影响。
(4) 装置内各个组件可直接拆卸，通过软管连接器组装，组装简单方便，组装后的气体循环系统体积小，便于携带，适合室外操作。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图中：密闭气室罩；
Figure 356575DEST_PATH_IMAGE002
根箱；
Figure 667470DEST_PATH_IMAGE003
出气口；
Figure 265942DEST_PATH_IMAGE004
无水硅胶元件；
Figure 893363DEST_PATH_IMAGE005
NaOH收集瓶；
Figure 122351DEST_PATH_IMAGE006
带调速器的气泵；
Figure 654963DEST_PATH_IMAGE007
缓冲瓶；
Figure 57126DEST_PATH_IMAGE008
碱石灰元件；
Figure 866950DEST_PATH_IMAGE009
进气口；⑩硅胶垫；
Figure 797997DEST_PATH_IMAGE010
标记气体进气口。
具体实施方式
下面结合附图及操作过程对本发明作进一步详细说明。
一种无扰动条件下收集和测定根系和土壤呼吸CO2的试验装置，该装置由密闭气室罩、根箱和气体循环装置系统组成；
所述密闭气室罩用于CO2标记，密闭气室罩四个侧壁底部为凸槽设计，一个侧板上设置有标记气体进气口；
所述根箱用于植物根系生长，根箱的四个侧壁与底部封闭，上端面敞口，所述根箱四个侧壁上部为凹槽，可对接密闭气室罩下部的凸槽；所述根箱的两个对立侧面分别在上方和下方开有进气口和出气口,进气口和出气口处分别装有软管连通器；；
所述气体循环装置系统分为气体循环装置系统一和气体循环装置系统二，所述气体循环装置系统一由无水硅胶元件、带调速器的气泵、气体缓冲瓶、碱石灰元件的顺序通过PU软气管连通；所述气体循环装置系统二由无水硅胶元件、NaOH收集瓶、带调速器的气泵、气体缓冲瓶的顺序通过PU软气管连通；使用时气体循环装置系统一时，硅胶元件通过PU软气管与根箱出气口连接，碱石灰元件通过PU软气管与根箱进气口连接；使用时气体循环装置系统二时，硅胶元件通过PU软气管与根箱出气口连接，气体缓冲瓶通过PU软气管与根箱进气口连接；
进一步地连接进气口的PU软气管伸入根箱一端的软管接有气泡石，防止土壤进入软管，堵塞气体进入。
进一步地硅胶元件和碱石灰元件为圆柱形的有机玻璃管，有机玻璃管两端分别有一个软管连通口，分别接进气和出气的软管。
进一步地NaOH收集瓶和气体缓冲瓶为有机玻璃制成圆柱形瓶子，NaOH收集瓶的体积小于气体缓冲瓶，瓶子的尺寸可根据具体试验需要设置，瓶口各装有两个软管连通器，进气口接长软管，出气口接短软管，长软管延伸至其所处瓶子的底部，短软管远离其所处装置的底部，NaOH收集瓶中添加的NaOH溶液的浓度为2mol L-1；
进一步地密闭气室罩和根箱的尺寸根据植物个体大小决定。
本发明所述一种无扰动条件下收集根系和土壤呼吸CO2的试验装置，在该装置中测定植物根系呼吸产生的二氧化碳的量或呼吸速率的具体操作步骤为：
步骤一：前期准备过程及栽培
PU软气管、收集瓶、缓冲瓶、干燥管、气泡石用纯水洗净烘干备用，土壤晾干过筛，粗砂清洗干净晾干备用；
根据实验目的，准备若干组实验装置，每组实验装置至少准备三套试验装置以及对应的实验植株，在实验植株移植到装置内之前，选择的植株必须长势良好，生长状况相近，尤其是根系生物量要接近。所有根箱填入土的重量和来源必须一样，以保证植物生长的土壤条件相同，确保试验结果的可靠性。
在根箱底部填充粗砂至下方出气口以上5cm，将植株根系舒展地摆放在根箱正中，用土填到根箱上方进气口以上，同时将进气口处接有气泡石的软气管的一端置于土壤中；然后浇灌纯净水，缓苗一周，试验处理结束后开始对植物进行标记；
步骤二、标记
（1）标记开始前需在根箱的土层表面覆盖用硅胶板，对于种植植物的根箱，在硅胶板的中间剪开一半，穿过茎部，将开缝的硅胶板用蓝丁胶粘在一起，硅胶板与根箱之间的缝隙用蓝丁胶密闭；
（2）根箱上盖上密闭气室罩，用注射器往密闭气室罩注入13C标记的CO2气体，根据试验需要的CO2浓度和密闭气室的体积推算注入13CO2气体的体积，以达到其室内目标CO2浓度，根据需要可连续多次标记。为了提高标记效率，标记时间在9:00-17:00之间进行，地点以阳光充足的室外为宜。
步骤三：收集CO2
单次标记一天后或连续标记多天后，取下密闭气室罩；
将气体循环装置系统一与根箱连接，运行气泵30 min，然后取下气体循环装置系统一，立刻将气体循环装置系统二与根箱连接，每隔6h开启气泵1 h，将土体中的收集CO2通过气体循环装置固定在NaOH中；
每个根箱气泵开启时间和运行时间应保持一致，使最终试验结果具有可比性。
步骤四：测定和计算CO2呼吸量
（1）收集期结束后取出NaOH收集瓶，吸取一定体积的NaOH溶液加入过量的0.5 mol L-1BaCl2溶液，清洗并收集BaCO3沉淀，另外吸取一定体积的NaOH加入指示剂酚酞，用标定后的0.5 mol L-1 HCl溶液滴定，溶液颜色由粉红色转为无色即为滴定终点，记录所用的HCl体积。根据测定结果，计算总CO2呼吸量：
总CO2呼吸（mg）=c×（V1-V2）×44×t
式中：c—标定的HCl浓度(mol L-1)；
V1—收集之前NaOH消耗的HCl体积；
V2—收集瓶中NaOH消耗的HCl体积；
t—分取倍数（收集瓶中NaOH体积和用于滴定的NaOH体积之比）。
（2）取出种植植物的根箱中的植物根系，清洗干净后放入烘箱烘干，粉碎后用稳定同位素比率仪测定其δ13C值，同时测定未种植的土壤和BaCO3沉淀的δ13C值；以及来源于根系和土壤微生物的CO2呼吸量。通过二元一次方程分别计算根系和土壤微生物的CO2呼吸量：
土壤CO2呼吸=总CO2(δ13C根- δ13C总)/(δ13C根- δ13C土)
根系CO2呼吸=总CO2-土壤CO2呼吸
式中：δ13C根—是植物根系的δ13C值；
δ13C总—栽植植物处理的BaCO3沉淀的δ13C值；
δ13C土—未栽植植物的土壤δ13C值。

Claims (3)

1.一种无土体扰动收集和测定根系和土壤呼吸CO2的试验装置，其特征在于由密闭气室罩、根箱和气体循环装置系统组成；
所述密闭气室罩四个侧壁底部为凸槽设计，一个侧板上设置有标记气体进气口；
所述根箱的四个侧壁与底部封闭，上端面敞口；所述根箱四个侧壁上部为凹槽，可对接密闭气室罩下部的凸槽；所述根箱的两个对立侧面分别在上方和下方开有进气口和出气口,进气口和出气口处分别装有软管连通器；
所述气体循环装置系统分为气体循环装置系统一和气体循环装置系统二，所述气体循环装置系统一由无水硅胶元件、带调速器的气泵、气体缓冲瓶、碱石灰元件的顺序通过PU软气管连通；所述气体循环装置系统二由无水硅胶元件、NaOH收集瓶、带调速器的气泵、气体缓冲瓶的顺序通过PU软气管连通；使用气体循环装置系统一时，硅胶元件通过PU软气管与根箱出气口连接，碱石灰元件通过PU软气管与根箱进气口连接；使用气体循环装置系统二时，硅胶元件通过PU软气管与根箱出气口连接，气体缓冲瓶通过PU软气管与根箱进气口连接。
2.根据权利要求1所述一种不扰动土体收集和测定根系和土壤呼吸CO2的装置，其特征在于进气口的PU软气管伸入根箱一端的软管接有气泡石。
3.本发明所述一种无扰动条件下收集根系和土壤呼吸CO2的试验装置，其特征在于采用该装置中测定植物根系呼吸产生的二氧化碳的量或呼吸速率的具体操作步骤为：
（1）前期准备过程及栽培
根箱底部填充粗砂，然后选择健康的一株植物，根系舒展地摆放在根箱正中，用土壤填到根箱上方的进气口以上，同时将进气口处接有气泡石的软气管的一端置于土壤中；浇灌去离子水，缓苗一周；土壤预先晾干过筛；
（2）标记
标记开始前，在根箱的土层表面用硅胶板覆盖，在硅胶板的中间剪开一半，穿过茎部，将开缝的硅胶板用蓝丁胶粘在一起，硅胶板与根箱之间的缝隙用蓝丁胶密闭；
根箱上盖上密闭气室罩，用注射器往密闭气室罩注入13C标记的CO2气体，根据需要可连续多次标记；
（3）收集CO2
单次标记一天后或连续标记多天后，取下密闭气室罩；
将气体循环装置系装一与根箱连接，运行气泵30 min，然后取下气体循环装置系统一，将气体循环装置系统二与根箱连接，在收集期间隔6 h开启气泵1 h，将土体中的CO2通过循环装置固定在NaOH中；
（4）测定和计算CO2呼吸量。
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