CN111175401A - 一种测定土壤溶液中温室气体含量二维分布的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测定土壤溶液中温室气体含量二维分布的方法，涉及温室气体含量测定技术领域。本发明所述方法针对水稻种植的一个剖面，监测距离水稻根际不同距离，不同深度土壤溶液的空间分布状况，对解析温室气体产生机理具有重要意义，可基于所述方法调控土壤温室气体排放措施。

Description

一种测定土壤溶液中温室气体含量二维分布的方法
技术领域
本发明属于温室气体含量测定技术领域，具体涉及一种测定土壤溶液中温室气体含量二维分布的方法。
背景技术
稻田是重要的温室气体排放源。据FAO估算，2010年我国水稻生产CH4排放量为5.2t，占当年全球水稻生产CH4总排放量的22％，在主要水稻生产国中排放量最高。据统计，2012年我国稻田N2O排放占农田总排放的7％～12％。随着刚性消费需求的不断增加，粮食生产排放的温室气体也会不断增长。最新研究表明，为了满足日益增加的水稻消费需求，我国稻田CH4年排放量到2040年将比2009年增加14％。因此，如何平衡粮食增产和温室气体减排的矛盾，在保障产量的前提下减少农田温室气体排放是当前我国粮食生产可持续发展的重要问题。目前，已有的研究主要分析稻田温室气体的直接排放，而对土壤溶液中温室气体含量的测定仅限于单一位置或某2个位置，而对土壤溶液中温室气体含量二维分布了解较少。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种测定土壤溶液中温室气体含量二维分布的方法，能全面监测水稻不同生育期、不同部位、不同深度土壤溶液中甲烷含量，为解析稻田甲烷产生机理提供数据支撑，同时对解析秸秆还田和耕作措施对稻田温室气体调控机理具有重要意义。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种测定土壤溶液中温室气体含量二维分布的方法，包括以下步骤：(1)水稻种植前，在田间挖一个宽20～40cm，深25～30cm的坑，在所述坑内平铺一块预打孔的板，按照所述板上孔的位置插入土壤溶液取样器，取出所述板后，回填土壤并插入标识杆；
(2)水稻插秧时，使水稻秧苗位于所述土壤溶液取样器分布的中心位置，在水稻的生育期内抽取土壤溶液，测定并计算土壤溶液中温室气体的含量；
(3)利用计算得到的土壤溶液中温室气体的含量制作二维分布图，得稻田土壤溶液中温室气体含量二维分布。
优选的，步骤(1)所述板与所述坑的剖面大小一致。
优选的，步骤(1)所述板上预打孔，孔的直径为2.5～5mm，孔距为2～5cm。
优选的，所述板包括厚度为3～5mm的亚克力板。
优选的，步骤(1)取出所述板后，还包括在所述土壤溶液取样器的另一端连接延长管，并在延长管上标注好土壤溶液取样器的深度和横向位置。
优选的，步骤(1)所述标识杆位于所述坑的中心位置。
优选的，步骤(2)所述水稻生育期包括分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期或灌浆成熟期。
优选的，步骤(2)所述抽取土壤溶液后，还包括将抽取20mL的土壤溶液，打入40mL顶空瓶中作为待测样品；在样品测定前，提前12～24h向所述待测样品中注入20mL纯氮，测定时抽取气体7mL，打入气相色谱中测定温室气体含量，然后带入式I，计算得到土壤溶液中温室气体的含量；
Figure BDA0002367818400000021
其中，CGHG为土壤溶液中温室气体含量，m为气象色谱测得温室气体含量，MV为标准大气压下温室气体的摩尔体积，GV为顶空瓶的体积；G1是顶空瓶内水溶液的体积。
优选的，所述温室气体包括CH4、N2O和CO2。
本发明提供了一种测定土壤溶液中温室气体含量二维分布的方法，针对水稻种植的一个剖面，监测距离水稻根际不同距离，不同深度土壤溶液的空间分布状况，对解析甲烷产生机理具有重要意义。本发明实施例以免耕不施肥(NT-CK)、免耕秸秆还田(NT-S)两个处理分别测定水稻分蘖期时的土壤溶液中甲烷含量的二维分布，结果显示，NT-CK处理土壤溶液中CH4含量随着深度的增加成升高的趋势，从横向看，与根距离越远土壤溶液中CH4含量越高；NT-S处理土壤溶液中CH4含量随深度的增加成下降趋势，从横向看，土壤表层土壤溶液中CH4含量与根距离远近差异不大，中下层土壤溶液中CH4含量随根距的增加呈降低的趋势。这主要归因于秸秆覆盖，免耕秸秆还田，水稻秸秆主要集中在土壤表层，为土壤提供了丰富的碳源，增加了CH4含量。因此可基于本发明所述方法调控秸秆还田和耕作措施。
本方法适用于其他农田生态系统、稻鱼共作系统、水生生态系统等，有植物种植或无植物种植土壤或底泥中，土壤溶液温室气体时空分布的测定。
附图说明
图1为亚克力板的打孔横向模式图；
图2为土壤溶液取样器插入后的纵向视图；
图3为NT-CK和NT-S处理土壤溶液中CH4含量空间分布图。
具体实施方式
本发明提供了一种测定土壤溶液中温室气体含量二维分布的方法，包括以下步骤：(1)水稻种植前，在田间挖一个宽20～40cm，深25～30cm的坑，在所述坑内平铺一块预打孔的板，按照所述板上孔的位置插入土壤溶液取样器，取出所述板后，回填土壤并插入标识杆；
(2)水稻插秧时，使水稻秧苗位于所述土壤溶液取样器分布的中心位置，在水稻的生育期内抽取土壤溶液，测定并计算土壤溶液中甲烷的含量；
(3)利用计算得到的土壤溶液中温室气体的含量制作二维分布图，得稻田土壤溶液中温室气体含量二维分布。
本发明在水稻种植前，在田间挖一个宽20～40cm，深25～30cm的坑，在所述坑内平铺一块预打孔的板，按照所述板上孔的位置插入土壤溶液取样器，取出所述板后，回填土壤并插入标识杆。本发明所述坑的宽度和深度还可以依据测试的目的，加深测试范围。本发明所述板的大小优选与所述坑的剖面大小一致。本发明在所述板上预打孔，所述孔的直径优选与土壤溶液取样器的直径一致，更优选为2.5～5mm。本发明所述孔的孔距优选依据测试目的进行调整，更优选为2～5cm。本发明所述板优选为厚度为3～5mm的亚克力板。本发明按照所述板上孔的位置插入土壤溶液取样器，使土壤溶液取样器的一端插入土壤中，所述土壤溶液取样器的规格优选为长5cm，直径2.5～5mm。本发明对土壤溶液取样器的来源并没有特殊限定，利用本领域的常规市售取样器即可，在本发明实施例中利用Rhizon土壤溶液取样器。本发明在将所述土壤溶液取样器插好后，抽出所述板，优选还包括在所述土壤溶液取样器的另一端连接延长管，并在延长管上标注好土壤溶液取样器的深度和横向位置。本发明在上述步骤全部完成后，将土壤回填，并在中心位置插入标识杆。
本发明在水稻插秧时，使水稻秧苗位于所述土壤溶液取样器分布的中心位置，在水稻的生育期内抽取土壤溶液，计算土壤溶液中甲烷的含量。本发明对所述水稻插秧前的具体栽培方法并没有特殊限定，优选包括水田灌水、浸田和插秧，所述插秧优选将水稻秧苗插人标识杆位置，使水稻植株位于土壤溶液取样器分布的中心位置。本发明所述水稻生育期优选包括分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期或灌浆成熟期。本发明实施例中以分蘖期为例进行说明，但不能仅将分蘖期进行检测或测定视为本发明的保护范围。
本发明在抽取土壤溶液时，优选利用注射器和木质挡板与土壤溶液取样器的延长管联通，抽取土壤溶液20mL，迅速打入40mL的顶空瓶中，并在顶空瓶上标注样品号，立即放入冰盒内，带回实验室，作为待测样品；在样品测定前，提前12～24h向所述待测样品中注入20mL高纯氮，测定时抽取气体7mL，打入气相色谱中测定CH4含量，然后带入式I，计算得到土壤溶液中甲烷的含量；
Figure BDA0002367818400000041
其中，CGHG为土壤溶液中温室气体含量(μmol·L-1)，m为气象色谱测得温室气体含量(ppm)，MV为标准大气压下温室气体的摩尔体积(25℃)，GV为顶空瓶的体积(L)；G1是顶空瓶内水溶液的体积(L)。
本发明所述温室气体优选包括CH4、N2O和CO2。本发明实施例中以CH4为例进行了说明，但不能仅将其认定为本发明的保护范围。
本发明利用计算得到的土壤溶液中温室气体制作二维分布图，得稻田土壤溶液中甲烷含量二维分布。本发明优选利用origin、ArcGIS或SPSS软件制作二维分布图。本发明实施例中以origin为例进行说明：优选包括将计算好的温室气体含量数据按横向、纵向顺序排列，在origin中分别输入行列数据个数，标注X、Y轴起始顺序及单位，建立矩阵，将数据复制进sheet表中，点二维分布图图表，即可得到土壤剖面溶液中温室气体含量的二维分布图。
下面结合实施例对本发明提供的测定稻田土壤溶液中甲烷含量二维分布的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
试验设免耕不施肥(NT-CK)、免耕秸秆还田(NT-S)两个处理，每个小区面积为28m2(4m×7m)。每个小区之间用黑色塑料薄膜覆盖田埂(30cm高和30cm宽)以防水分和养分侧渗交流。对秸秆还田处理，将每个小区的水稻地上植株全部收集起来，脱粒后用切草机切割成5cm左右的碎段，进行全量还田；而非秸秆还田处理的小区水稻地上部分全部移出。
水稻插秧前，将田间土壤挖出一个长、宽各20cm，深度为25cm的剖面。预先准备一块厚度5mm的亚克力板(图1)，在亚克力板上打孔，横向孔8个，孔距均为3cm，纵向孔5个，孔距均为4cm，孔径大小为3mm。将亚克力板放在剖面上，将Rhizon土壤溶液取样器沿孔横向插入土层中，接通连接管，并标注取样位置及序号(图2)。将挖出的土回填。在中心位置做标记。灌水，浸田，将水稻秧苗插入标记位置。
以水稻分蘖期为例，以注射器和木质挡板插入土壤溶液取样器的软管端，木质挡板形成负压抽取土壤溶液20mL，迅速打入容积为40mL的顶空管中，放入冰盒中。立即带回实验室测定。
测定方法：首先向样品瓶中打入20mL高纯氮，静置12～24h，测定前将玻璃瓶摇匀，并抽取气体7mL，打入气相色谱中测定CH4和N2O含量。
将测定得到的数据代入式I中，然后将计算好的甲烷含量数据按横向、纵向顺序排列，在origin中分别输入行列数据个数，标注X、Y轴起始顺序及单位，建立矩阵，将数据复制进sheet表中，点二维分布图图表，即可得到土壤剖面溶液中甲烷含量的二维分布图(图3)。
研究结果显示，NT-CK处理土壤溶液中CH4含量随着深度的增加成升高的趋势，从横向看，与根距离越远土壤溶液中CH4含量越高；NT-S处理土壤溶液中CH4含量随深度的增加成下降趋势，从横向看，土壤表层土壤溶液中CH4含量与根距离远近差异不大，中下层土壤溶液中CH4含量随根距的增加呈降低的趋势。这主要归因于秸秆覆盖。免耕秸秆还田水稻秸秆主要集中在土壤表层，为土壤提供了丰富的碳源，增加了CH4含量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种测定土壤溶液中温室气体含量二维分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)水稻种植前，在田间挖一个宽20～40cm，深25～30cm的坑，在所述坑内平铺一块预打孔的板，按照所述板上孔的位置插入土壤溶液取样器，取出所述板后，回填土壤并插入标识杆；
(2)水稻插秧时，使水稻秧苗位于所述土壤溶液取样器分布的中心位置，在水稻的生育期内抽取土壤溶液，测定并计算土壤溶液中温室气体的含量；
(3)利用计算得到的土壤溶液中温室气体的含量制作二维分布图，得稻田土壤溶液中温室气体含量二维分布。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)所述板与所述坑的剖面大小一致。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤(1)所述板上预打孔，孔的直径为2.5～5mm，孔距为2～5cm。
4.根据权利要求2或3所述方法，其特征在于，所述板包括厚度为3～5mm的亚克力板。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)取出所述板后，还包括在所述土壤溶液取样器的另一端连接延长管，并在延长管上标注好土壤溶液取样器的深度和横向位置。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)所述标识杆位于所述坑的中心位置。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)所述水稻生育期包括分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期或灌浆成熟期。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)所述抽取土壤溶液后，还包括将抽取20mL的土壤溶液，打入40mL顶空瓶中作为待测样品；在样品测定前，提前12～24h向所述待测样品中注入20mL纯氮，测定时抽取气体7mL，打入气相色谱中测定温室气体含量，然后带入式I，计算得到土壤溶液中甲烷的含量；
Figure FDA0002367818390000021
其中，CGHG为土壤溶液中温室气体含量，m为气象色谱测得温室气体含量，MV为标准大气压下温室气体的摩尔体积，GV为顶空瓶的体积；G1是顶空瓶内水溶液的体积。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述温室气体包括CH4、N2O和CO2。
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