CN111208275A - 一种测定土壤-水界面温室气体迁移转化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测定土壤‑水界面温室气体迁移转化的方法，涉及温室气体含量测定技术领域；所述方法利用Peeper生物膜渗透技术获取水土界面及土壤深层土壤溶液含量，通过测定土壤溶液中温室气体含量变化，研究水土界面温室气体迁移转化规律，为解析温室气体从土壤中产生到排放到大气中过程的机理提供数据支撑。本发明所述方法针对一个剖面，监测不同深度、水土界面土壤水溶液和水体中温室气体含量的垂直分布，同时全面测定土壤中产生的温室气体向水体的扩散量，进而解析自水体向大气中温室气体的扩散通量的变化。
Description
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-水界面温室气体迁移转化的方法。
背景技术
土壤中温室气体主要包括甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)和二氧化碳(CO2)。温室气体排放是土壤中温室气体的产生、氧化和传输的净效应。湿地土壤中产生的温室气体一部分通过水生植物的通气组织进入大气圈，一部分通过气泡和扩散从土壤向大气传输。以往关于温室气体排放通量的研究多集中在通过静态箱法测定水-气界面温室气体排放通量，而对水-土界面温室气体迁移转化规律的研究较少。
水体富营养化是制约现代池塘养殖业可持续发展的重要因素。为了去除水体富营养化，提高养殖动物的生存环境，将高秆型水稻种植于池塘底泥，吸收水体和底泥中冗余的养分，水稻种植为养殖动物提供栖息场所，在高温季节调节水体温度等，有利于水产养殖动物的生存，可以提高水产品的品质和产量，是一种“促养增粮”的新型种养模式。但是，以往研究表明，稻田生态系统是重要的温室气体排放源，将水稻引入池塘养殖系统，温室气体排放量是否会增加，对全球气候造成不利影响，目前尚缺乏深入研究。近年来开展在池塘种稻对精养池塘温室气体排放的影响的研究中，表明池塘种稻比单养鱼处理的甲烷排放量有所增加，氧化亚氮的排放量降低。而池塘种稻处理甲烷排放量比稻田甲烷排放量显著降低，但是其中的机理尚不明确。由于稻鱼共作系统处于长期深水种植，甲烷在土壤中产生、氧化到运输至水气界面形成排放通量的过程较复杂。由此推测，甲烷在水土界面的迁移转化是影响甲烷排放的关键因素。因此，探明鱼-稻共作系统水土界面甲烷迁移转化规律对解析甲烷排放机理具有重要意义。但是现有的技术均是从单一点或2个点抽取土壤溶液，测定土壤溶液中温室气体含量，这一含量不能表征土壤溶液中真实的温室气体产量，也不能代表土壤中温室气体向大气中扩散的潜力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种测定土壤-水界面温室气体迁移转化的方法，针对一个剖面，监测不同深度、水土界面土壤和水溶液中温室气体含量的垂直分布，对解析温室气体从土壤到水体传输机理提供数据支撑，同时全面测定土壤中产生的温室气体向水体的扩散量，进而解析自水体向大气中温室气体的扩散通量的变化。
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-水界面温室气体迁移转化的方法，包括以下步骤：(1)将土壤溶液取样器Peeper插入水土界面，保持地上部分2～5cm，地下部分10～13cm，在所述插入48～64h后，取出所述土壤溶液取样器Peeper；
(2)吸取所述土壤溶液取样器Peeper中的土壤溶液，计算土壤溶液中的温室气体含量；
(3)以所述温室气体含量为横坐标，以所述土壤溶液取样器Peeper的插入深度为纵坐标制作散点图，得土壤溶液中温室气体含量的垂直分布图。
优选的，步骤(1)将所述土壤溶液取样器Peeper插入水土界面，还包括在所述土壤溶液取样器Peeper上标记插入深度。
优选的，步骤(2)所述吸取时，以所述土壤溶液取样器Peeper的相邻两个腔室内的土壤溶液作为一个样品处理，将所述样品打入顶空瓶中；在利用气相色谱测定温室气体含量前12～24h向所述样品中打入4.2～7.2mL高纯氮，并抽取气体2～4mL，打入气相色谱中测定温室气体的含量，将得到的含量带入式I中，得土壤溶液中的温室气体含量；
其中C温室气体为土壤溶液中温室气体含量，m为气相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，所述温室气体包括甲烷、氧化亚氮或二氧化碳。
优选的，步骤(3)利用excel软件制作所述散点图。
优选的，所述散点图中相邻两个点依次用线段连接。
本发明提供了一种测定土壤-水界面温室气体迁移转化的方法，利用Peeper生物膜渗透技术获取水土界面及土壤深层土壤溶液含量，通过测定土壤溶液中温室气体含量变化，研究水土界面温室气体迁移转化规律，为解析温室气体从土壤中产生到排放到大气中过程的机理提供数据支撑。本发明所述方法针对一个剖面，监测不同深度、水土界面土壤水溶液和水体中温室气体含量的垂直分布，同时全面测定土壤中产生的温室气体向水体的扩散量，进而解析自水体向大气中温室气体的扩散通量的变化。本发明实施例以水体中小龙虾-稻共作和单养小龙虾为例进行研究，发现种稻处理土壤溶液中甲烷含量比单养小龙虾处理显著降低。小龙虾-稻共作处理甲烷排放通量高于单养小龙虾处理，主要归因于水稻的通气组织为土壤中甲烷排放提供了通道，而单养小龙虾处理仅通过气泡、扩散等途径进入大气，甲烷排放通量较低。但是单养小龙虾处理土壤溶液中甲烷含量较高，存在水层消失后排放的潜力。小龙虾收获后，干塘期，土壤溶液中积累的较高的甲烷含量会迅速扩散到空气中，形成排放峰。因此，单养小龙虾处理对大气温室气体的排放有潜在的威胁，后期应监测干塘后温室气体排放通量的变化，以期解析不同种养模式周年温室气体排放量。
附图说明
图1为土壤溶液取样器Peeper结构示意图，右侧为Peeper板上取样格细节图；
图2为田间取样示意图；
图3为不同种养模式下的土壤甲烷迁移图。
具体实施方式
本发明提供了一种测定土壤-水界面温室气体迁移转化的方法，包括以下步骤：(1)将土壤溶液取样器Peeper插入水土界面，保持地上部分2～5cm，地下部分10～13cm，在所述插入48～64h后，取出所述土壤溶液取样器Peeper；
(2)吸取所述土壤溶液取样器Peeper中的土壤溶液，计算土壤溶液中的温室气体含量；
(3)以所述温室气体含量为横坐标，以所述土壤溶液取样器Peeper的插入深度为纵坐标制作散点图，得土壤溶液中温室气体含量的垂直分布图。
本发明将土壤溶液取样器Peeper插入水土界面，保持地上部分2～5cm，地下部分10～13cm，在所述插入48～64h后，取出所述土壤溶液取样器Peeper。本发明可用所述方法监测种养模式全生育期内的土壤-水界面温室气体迁移，也可以监测某一关键时期的温室气体迁移情况。本发明所述温室气体优选包括甲烷、氧化亚氮或二氧化碳。本发明对所述土壤溶液取样器Peeper的来源并没有特殊限定，利用本领域的常规市售产品即可。本发明所述土壤溶液取样器Peeper具有如图1所示的结构，Peeper板纵向共有38小腔室，每个腔室的深度为0.5mm，每个腔室土壤溶液含量为300～400μL。本发明将所述土壤溶液取样器Peeper插入水土界面(图2)，优选还包括在所述土壤溶液取样器Peeper上标记插入深度。本发明将所述土壤溶液取样器Peeper在田间放置48～64h后，取出所述土壤溶液取样器Peeper中的Peeper板，将板表层的污泥清洗干净，放入自封袋中，在自封袋中加入3～5mL纯净水，湿润保存。
本发明吸取所述土壤溶液取样器Peeper中的土壤溶液，计算土壤溶液中的温室气体含量。本发明所述吸取优选为利用200μL移液枪，将Peeper板中的土壤溶液吸出。本发明所述吸取时，优选以所述土壤溶液取样器Peeper的相邻两个腔室内的土壤溶液作为一个样品处理，将所述样品打入顶空瓶中；在利用气相色谱测定温室气体含量前12～24h向所述样品中打入4.2～7.2mL纯氮，并抽取气体2mL，打入气相色谱中测定温室气体的含量，将得到的含量带入式I中，得土壤溶液中的温室气体含量；
其中C温室气体为土壤溶液中温室气体含量(μmol·L-1)，m为气相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℃时的标准摩尔体积)，GV为顶空瓶的体积(L)；G1是顶空瓶内水溶液的体积(L)。
本发明所述顶空瓶的体积优选5～8mL，在所述顶空瓶打入样品后，优选在4℃冰箱保存。
本发明以所述温室气体含量为横坐标，以所述土壤溶液取样器Peeper的插入深度为纵坐标制作散点图，得土壤溶液中温室气体含量的垂直分布图。本发明优选利用excel软件制作所述散点图，所述散点图中相邻两个点优选依次用线段连接。
下面结合实施例对本发明提供的测定土壤-水界面温室气体迁移转化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
1、试验设计
试验设小龙虾-稻共作和单养小龙虾两个处理。试验采用盆栽方式进行，试验用桶的规格长*宽*高分别为80cm*80cm*79cm。试验开始前在桶内铺20cm塘泥，塘泥取自10年以上的养殖池塘。小龙虾-稻共作处理选用高秆型鱼塘专用水稻品种，6月上旬育秧，7月14日移栽，每桶插秧2株，呈对角排列。插秧后1周放入小龙虾亲虾5只，按常规养殖方法进行养殖管理。水深随水稻生长不断增加，小龙虾-稻共作和单养小龙虾处理保持相同水位，水位最深为35cm。水稻于当年10月4日收获。
2、样品采集
在水稻拔节期，将Peeper取样器插入水土界面(图2)，其中地上部分2cm，地下部分13cm，并在Peeper板上水土界面位置做好标记。田间培养48小时后，取出Peeper板，将板表层的污泥清洗干净，放入自封袋中，在自封袋中加入3～5ml纯净水，湿润保存。将Peeper板带回实验室，立即使用200μL移液枪，将Peeper板中的土壤溶液吸出，每两格作为一个样品，吸出后放入离心管中，立即使用20mL注射器，吸取并打入容积为5mL的顶空瓶中，装有样品的顶空瓶立即放入4℃冰箱中保存。
3、室内分析
样品测定：提前12-24h向顶空瓶中注入4.2mL高纯氮，测定前将玻璃瓶摇匀，并抽取气体2mL，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的CH4含量。
4、制图
利用excel软件制作垂直分布图，以测得的温室气体含量数据为横坐标，以Peeper板上标记的深度数据为纵坐标做带线的散点图(图3)：水体中小龙虾-稻共作和单养小龙虾处理甲烷含量相近，平均分别为2.58和2.78μmol L-1。进入水土界面之后，单养小龙虾处理土壤溶液中甲烷含量呈线性增加趋势，至地下5cm达到11.3μmol L-1；而小龙虾-稻共作处理土壤溶液中甲烷含量成缓慢增加的趋势，至地下9cm达到最大值，为6.3μmol L-1。可见，种稻处理土壤溶液中甲烷含量比单养小龙虾处理显著降低。小龙虾-稻共作处理甲烷排放通量高于单养小龙虾处理，主要归因于水稻的通气组织为土壤中甲烷排放提供了通道，而单养小龙虾处理仅通过气泡、扩散等途径进入大气，甲烷排放通量较低。但是单养小龙虾处理土壤溶液中甲烷含量较高，存在水层消失后排放的潜力。小龙虾收获后，干塘期，土壤溶液中积累的较高的甲烷含量会迅速扩散到空气中，形成排放峰。因此，单养小龙虾处理对大气温室气体的排放有潜在的威胁，后期应监测干塘后温室气体排放通量的变化，以期解析不同种养模式周年温室气体排放量。
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 (6)
1.一种测定土壤-水界面温室气体迁移转化的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将土壤溶液取样器Peeper插入水土界面，保持地上部分2～5cm，地下部分10～13cm，在所述插入48～64h后，取出所述土壤溶液取样器Peeper；
(2)吸取所述土壤溶液取样器Peeper中的土壤溶液，计算土壤溶液中的温室气体含量；
(3)以所述温室气体含量为横坐标，以所述土壤溶液取样器Peeper的插入深度为纵坐标制作散点图，得土壤溶液中温室气体含量的垂直分布图。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)将所述土壤溶液取样器Peeper插入水土界面，还包括在所述土壤溶液取样器Peeper上标记插入深度。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)所述吸取时，以所述土壤溶液取样器Peeper的相邻两个腔室内的土壤溶液作为一个样品处理，将所述样品打入5～8mL顶空瓶中；在利用气相色谱测定温室气体含量前12～24h向所述样品中打入4.2～7.2mL纯氮，并抽取气体2～4mL，打入气相色谱中测定温室气体的含量，将得到的含量带入式I中，得土壤溶液中的温室气体含量；
其中C温室气体为土壤溶液中温室气体含量，m为气相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。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述温室气体包括甲烷、氧化亚氮或二氧化碳。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(3)利用excel软件制作所述散点图。
6.根据权利要求1或5所述方法，其特征在于，所述散点图中相邻两个点依次用线段连接。
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| CN101446539A (zh) * | 2008-12-26 | 2009-06-03 | 中国科学院南京地理与湖泊研究所 | 一种原位获取沉积物间隙水的扩散平衡装置及其方法 |
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| CN106404933A (zh) * | 2016-08-25 | 2017-02-15 | 扬州大学 | 基于稻田土壤溶液的稻田温室气体测量方法 |
-
2020
- 2020-01-15 CN CN202010041172.9A patent/CN111208275A/zh active Pending
Patent Citations (7)
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