CN111060551A - 一种土壤碳库分解温度敏感性的评估方法 - Google Patents

一种土壤碳库分解温度敏感性的评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种土壤碳库分解温度敏感性的评估方法，包括以下步骤：1)将不同类型土壤分别与生物炭混匀装入培养瓶；2)用称重法保持样品在整个培养过程中含水量恒定；3)将样品、盛有碱液的小瓶敞口一起放于非透明螺口密封瓶内；4)密封瓶置于两个不同温度的恒温箱内避光培养，最终计算土壤呼吸CO2‑C含量。通过本发明，能了解到生物炭的添加对活性、惰性碳库分解的影响。

Description

一种土壤碳库分解温度敏感性的评估方法
技术领域
本发明属于土壤环境治理技术领域，涉及一种土壤碳库分解温度敏感性的评估方法。
背景技术
土壤是陆地生态系统中最大的碳库，其微小变化可对大气二氧化碳(CO2)浓度产生显著影响(Kirschbaum,2000)。然而，土壤碳库绝大部分为有机碳土壤有机碳库(SOC)，其由各种不同组成的碳库构成，具有不同的稳定性(Karhu et al.,2010)。根据其活性不同，可分为活性碳库和惰性碳库(Wang et al.2019)。活性碳库主要由土壤微生物量和易分解有机物组成，库存小、周转时间短(0.1～5年)，其变化对全球碳循环影响不大；惰性碳库更稳定，周转时间可达上千年，是土壤碳库的主体，对全球变化的响应会大幅度地改变全球碳循环(Dungait et al.,2012；Lin et al.,2015)。
土壤有机碳矿化的温度敏感性(Q10)是评估CO2排放与全球变暖之间反馈强度的重要参数(Zhou et al.2009)。其被定义为温度升高10℃时土壤CO2排放的增加率(Kirschbaum 1995)。有研究表明，惰性SOC库对温度的变化比活性SOC库更敏感(Ghee etal.2013；Yan et al.2017)。也有研究表明，Q10可随着碳库组分的化学顽固性及其相互作用和环境条件变化而改变，从而改变SOC对全球变暖的响应(Wagai et al.2013)。
生物炭不仅能实现对农业废弃物的高效利用，还能影响土壤碳库稳定性，改变土壤有机质分解速率，实现农业系统固碳减排、改善土壤肥力提高农作物产量与品质等(Biederman&Harpole 2013；Gurwick et al.2013；Schmidt et al.2011)。也可通过生物炭，天然SOC和土壤矿物之间的物理和化学相互作用来稳定天然SOC。Fang等(2014b)报道，生物炭添加降低了天然SOC的Q10值。Wang等(2014)发现等来自玉米的生物炭增加了土壤温度敏感性。Wang等(2018)研究来自甘蔗的生物炭对土壤的温度敏感性是先增加后降低最后保持平稳。然而，生物炭对土壤碳库，尤其是惰性碳库的影响机制尚不清楚。
本申请拟选取由玉米秸秆在300℃热解温度下制成的生物炭，添加到撂荒(活性碳库)、裸地(相对惰性碳库)、裸地培养2年(惰性碳库)土壤。通过监测土壤CO2排放速率，揭示生物炭的添加对不同土壤碳库分解温度敏感性的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种土壤碳库分解温度敏感性的评估方法，利用生物炭与不同碳库土壤混合，同时设置两个温度处理，从而对比活性、惰性碳库对生物炭的温度敏感性影响。
本发明具体通过以下技术方案来实现：
一种土壤碳库分解温度敏感性的评估方法，包括以下步骤：
1)将土壤碳库样品与生物炭混合放入透明培养瓶中，添加蒸馏水调节含水量至60％的最大持水量，并在培养过程中保持不变；
2)将培养瓶和盛有氢氧化钠溶液的小瓶敞开口，放入非透明螺口瓶内；
3)密封非透明螺口瓶置于恒温箱内避光培养，同时以含相同体积碱液的无土壤试样作为空白对照；
4)于0、3、7、15、30、45、60、90、120、180d取样，共培养6个月，每个培养阶段结束后，将非透明密封瓶内的碱液取出，并放置新碱液，用称重法补充样品中流失的水分，碱液当即测定无机碳含量；
5)计算土壤呼吸CO2-C含量及温度敏感性；
土壤呼吸计算公式：
Figure BDA0002350728400000031
式中：
Cum—累积土壤呼吸/mgC-CO2·g-1；
Ct—不同处理碱液中碳含量/mgC-CO2·L-1；
Cb—空白碱液中碳含量/mgC-CO2·L-1；
V—碱液体积/mL；
W—土壤重量/g。
温度敏感性计算公式：
Figure BDA0002350728400000032
式中：
Q10—温度敏感性；
CumT1—在温度T1下累积CO2释放量；T1—22℃；
CumT2—在温度T2下累积CO2释放量；T2—32℃。
进一步的，步骤(1)中所述的生物炭以玉米秸秆为原料，采用限氧控温炭化法，在马弗炉内制备得到。
6、进一步的，步骤(1)中所述的生物炭按3％的土壤碳库样品重量添加。
进一步的，步骤(2)中所述的氢氧化钠溶液的用量以土样的最大呼吸速率及培养周期来确定，且要确保氢氧化钠溶液过量。
进一步的，步骤(3)中所述的培养温度分别为22℃、32℃。
本发明的有益效果为：
本发明通过采取生物炭添加到土壤碳库的土壤中，在实验室进行室内培养实验，以探明生物炭的添加对不同土壤碳库温度敏感性的影响。培养罐的密封条件使得土壤水分损失较慢，土壤减少的水分会在定期补充，以保持其含水量；同时创新性的在培养罐内放置碱液，以吸收土壤呼吸的碳；采用静态碱液吸收系统收集整个培养过程土壤呼吸释放的所有CO2，减少系统误差，从而能够在人为控制条件下探明在生物炭的添加下，不同土壤碳库的有机质分解的变化。
通过本发明，能了解到生物炭的添加对土壤碳库分解的温度敏感性的影响。
附图说明
图1是本发明实施例实验处理示意图；B为生物炭。
具体实施方式
下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种土壤碳库分解温度敏感性的评估方法，具体包括以下步骤：
步骤一：分别将撂荒地(活性碳库)土壤样品、裸地(相对惰性碳库)土壤样品、裸地培养两年(惰性碳库)的土壤样品风干后过2mm筛。以玉米秸秆为原料，采用限氧控温炭化法，在马弗炉内制备生物炭。将土与生物炭混匀放入透明培养瓶中，每种土壤、生物炭的样品质量相同，且保证装入瓶内的土层高度不高于3cm，避免土层过厚底部土壤处于厌氧状态及土层过厚不利于气体交换。
生物炭制备的具体步骤如下：秸秆用去离子水反复洗涤(三次以上)，于70～80℃烘箱中烘12h，然后将秸秆处理成0.5～3.0cm的小段，称取一定质量的秸秆置于瓷坩埚，盖实配套盖子(可包裹锡箔纸-厌氧)，将其置于马弗炉中热解炭化。设置热解温度为300℃，保温时间为4h，冷却至室温后取出，研磨，过0.25mm筛。
步骤二：将装有土壤样品的透明培养瓶放在天平上，利用注射器加蒸馏水调节含水量，将其调节至60％的最大持水量，并在培养过程中保持不变；
步骤三：将装有调节好含水量样品的培养瓶、以及盛有氢氧化钠溶液的小瓶都敞开口，并一起放于非透明螺口密封瓶内，其中，氢氧化钠溶液的用量以土样的最大呼吸速率及培养周期来确定，且要确保氢氧化钠溶液过量；
步骤四：将螺口密封瓶密封好，并置于恒温箱内避光培养，培养温度分别为22、32℃，同时以只含相同体积碱液的无土壤试样作为空白对照；
步骤五：于0、3、7、15、30、45、60、90、120、180d取样，共培养6个月，每个培养阶段结束后，将非透明密封瓶内的碱液取出，并放置新碱液，用称重法补充样品中流失的水分。碱液当即测定无机碳含量。培养过程中注意密封，防止漏气；
步骤六：计算土壤呼吸CO2-C含量及温度敏感性；
土壤呼吸计算公式：
Figure BDA0002350728400000061
式中：
Cum—累积土壤呼吸/mgC-CO2·g-1；
Ct—不同处理碱液中碳含量/mgC-CO2·L-1；
Cb—空白碱液中碳含量/mgC-CO2·L-1；
V—碱液体积/mL；
W—土壤重量/g。
温度敏感性计算公式：
Figure BDA0002350728400000062
式中：
Q10—温度敏感性；
CumT1—在温度T1下累积CO2释放量；T1—22℃；
CumT2—在温度T2下累积CO2释放量；T2—32℃。
实施例
本实施例的实验地址选择位于沈阳市的中国科学院沈阳生态站，长期裸地(barefallow)和撂荒(fallow)试验处理土壤，长期裸地均人工管护，确保25年无植物生长，无碳输入；长期撂荒地杂草自然生长，保持25年连续植物碳输入。土壤基本物理化学性质见表1。
表1土壤样品及样地描述
Figure BDA0002350728400000071
生物炭对活性和惰性碳库分解温度敏感性的评估方法，包括以下步骤：
1、分别将撂荒地(活性碳库)土壤样品、裸地(相对惰性碳库)土壤样品、裸地培养两年(惰性碳库)的土壤样品风干后过2mm筛。以玉米秸秆为原料，采用限氧控温炭化法，在马弗炉内制备生物炭。将土与生物炭混匀放入透明培养瓶中，每种土壤、生物炭的样品质量相同，且保证装入瓶内的土层高度不高于3cm，避免土层过厚底部土壤处于厌氧状态及土层过厚不利于气体交换；其中，每个土壤样品的质量均为40g，生物炭样品的质量均为0.84g。
2、将装有土壤样品的透明培养瓶放在天平上，利用注射器加蒸馏水调节含水量，将其调节至60％的最大持水量，并在培养过程中保持不变；
3、将装有调节好含水量样品的培养瓶、以及盛有氢氧化钠溶液的小瓶都敞开口，并一起放于非透明螺口密封瓶内，其中，氢氧化钠溶液的用量以土样的最大呼吸速率及培养周期来确定，且要确保氢氧化钠溶液过量；对于本实施例，用土最大土壤呼吸速率为1mgC·g-1·d-1，故最大周期15d内40g土最多释放约528mgCO2-C，约1936mgCO2，而氢氧化钠与二氧化碳反应方程式的比为9:5，即1936mg CO2需要3485mgNaOH；而15mL 1.0M的碱液中含有6000mg NaOH，显然过量，故本实施例使用15mL 1.0M的氢氧化钠溶液；
4、将螺口密封瓶密封好，并置于恒温箱内避光培养，培养温度为22和32℃，同时以只含相同体积碱液的无土壤试样作为空白对照；
5、培养时间6个月，每个培养阶段结束后，将非透明密封瓶内的碱液取出，并放置新碱液，用称重法补充样品中流失的水分。碱液当即测定无机碳含量。培养过程中注意密封，防止漏气；
6、计算土壤呼吸CO2-C含量及温度敏感性
土壤呼吸计算公式：
Figure BDA0002350728400000081
式中：
Cum—累积土壤呼吸/mgC-CO2·g-1；
Ct—不同处理碱液中碳含量/mgC-CO2·L-1；
Cb—空白碱液中碳含量/mgC-CO2·L-1；
V—碱液体积/mL；
W—土壤重量/g。
温度敏感性计算公式：
Figure BDA0002350728400000091
式中：
Q10—温度敏感性；
CumT1—在温度T1下累积CO2释放量；T1—22℃；
CumT2—在温度T2下累积CO2释放量；T2—32℃。
撂荒地土壤在22℃下测得的Ct(194.91)、Cb(27.12)，在32℃下测得的Ct(253.43)、Cb(33.48)以及V(15mL)、W(40g)值代入公式，计算得到22℃下的CumT1为0.0629，32℃下的CumT2为0.0825，Q10为1.31。
裸地土壤在22℃下测得的Ct(112.74)、Cb(28.13)，在32℃下测得的Ct(140.86)、Cb(33.34)以及V(15mL)、W(40g)值代入公式，计算得到22℃下的
Figure BDA0002350728400000092
为0.0317，32℃下的CumT2为0.0403，Q10为1.27。
裸地2年在22℃土壤测得的Ct(100.82)、Cb(25.03)，在32℃下测得的Rt(118.43)、Rb(31.52)以及V(15mL)、W(40g)值代入公式，计算得到22℃下的
Figure BDA0002350728400000093
为0.0284，32℃下的CumT2为0.0326，Q10为1.15。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种土壤碳库分解温度敏感性的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将土壤碳库样品与生物炭混合放入透明培养瓶中，添加蒸馏水调节含水量至60％的最大持水量，并在培养过程中保持不变；
2)将培养瓶和盛有氢氧化钠溶液的小瓶敞开口，放入非透明螺口瓶内；
3)密封非透明螺口瓶置于恒温箱内避光培养，同时以含相同体积碱液的无土壤试样作为空白对照；
4)于0、3、7、15、30、45、60、90、120、180d取样，共培养6个月，每个培养阶段结束后，将非透明密封瓶内的碱液取出，并放置新碱液，用称重法补充样品中流失的水分，碱液当即测定无机碳含量；
5)计算土壤呼吸CO2-C含量及温度敏感性；
土壤呼吸计算公式：
Figure FDA0002350728390000011
式中：
Cum—累积土壤呼吸/mgC-CO2·g-1；
Ct—不同处理碱液中碳含量/mgC-CO2·L-1；
Cb—空白碱液中碳含量/mgC-CO2·L-1；
V—碱液体积/mL；
W—土壤重量/g；
温度敏感性计算公式：
Figure FDA0002350728390000021
式中：
Q10—温度敏感性；
CumT1—在温度T1下累积CO2释放量；T1—22℃；
CumT2—在温度T2下累积CO2释放量；T2—32℃。
2.根据权利要求1所述的一种土壤碳库分解温度敏感性的评估方法，其特征在于，步骤(1)中所述的生物炭以玉米秸秆为原料，采用限氧控温炭化法，在马弗炉内制备得到。
3.根据权利要求1所述的一种土壤碳库分解温度敏感性的评估方法，其特征在于，步骤(1)中所述的生物炭按3％的土壤碳库样品重量添加。
4.根据权利要求1所述的一种土壤碳库分解温度敏感性的评估方法，其特征在于，步骤(2)中所述的氢氧化钠溶液的用量以土样的最大呼吸速率及培养周期来确定，且要确保氢氧化钠溶液过量。
5.根据权利要求1所述的一种土壤碳库分解温度敏感性的评估方法，其特征在于，步骤(3)中所述的培养温度分别为22、32℃。
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