CN112798367A - 用于根际激发效应排放二氧化碳的气体收集装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于根际激发效应排放二氧化碳的气体收集装置及其方法，装置的反应室内从下到上铺设有填料和土壤，土壤顶部与顶盖之间具有气腔，土壤中种植有植物，植物上部通过顶盖上开设的孔洞伸出并与外界接触；反应室侧壁的底部和顶部分别开设有第一通孔和第二通孔，第一通孔通过管路依次连接防倒吸瓶、吸收瓶和蠕动泵，蠕动泵的另一端通过管路与第二通孔连接，反应箱体、防倒吸瓶、吸收瓶和蠕动泵通过管路共同构成连通的闭合回路。本发明的气体收集装置能对土壤‑作物‑根系系统进行CO₂气体的有效收集，反应室部件一体化程度高，组装方便，重复性好，监测周期长且连续，节省人力物力。

Description

用于根际激发效应排放二氧化碳的气体收集装置及其方法

技术领域

本发明属于室内盆栽实验模拟装置领域，涉及一种用于根际激发效应排放二氧化碳的气体收集装置及其方法。

背景技术

土壤大量存在着影响碳分解和微生物同化平衡的因素会对大气CO₂产生显著影响，氮的添加抑制微生物活性，导致土壤碳分解减少的研究已被广泛报道；活的植物改变了根际环境，从而影响土壤有机质(Soil Organic Matter，SOM)的分解速率。这种短期的SOM分解速率(强度)变化是由激发效应引起的。在植物存在的情况下，激发效应直接发生在活的根系附近，因此这种现象称为根际激发效应(Rhizosphere Priming Effect，RPE)。RPE的产生是植物根系和微生物以及土壤有机质之间相互作用的结果，是由根系分泌物驱动，通过改变微生物量及其活性来实现的，同时受到其他生物与非生物因子的调控。然而，根系分泌物的作用强烈地受到养分利用率(如氮和磷)的影响，这是土壤碳循环的一个重要过程。在模拟室内盆栽实验的时候，往往容易出现根际激发效应排放的CO₂气体不容易采集，采集装置容易漏气，装置的搭建比较复杂，消耗大量的人力物力等问题。同时，部分装置会使得作物在培养过程中光合作用形成的¹³C光合产物运输到根际有滞后现象，根际激发效应很难准确获得，干扰因素较多，实验数据误差较大。

因此，亟需设计出一种装置，既可以有效地保证作物的正常生长，吸收根际激发效应产生的CO₂当量的准确性和精确性，同时又能够保证装置的气密性和简便、稳定化操作运行。

发明内容

本发明的目的在于克服目前测定根际激发效应的实际实验操作工作量较大，植物培养过程中环境干扰因素较多，精度低、误差大和重复性较差，且易忽视根际激发效应连续动态变化等一系列上述问题，能够提供用于根际激发效应排放二氧化碳的气体收集装置及其方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

本发明提供了一种用于根际激发效应排放二氧化碳的气体收集装置，其特征在于，包括反应箱体、防倒吸瓶、吸收瓶和蠕动泵；

所述反应箱体为具有中空内腔且顶部敞开的结构，其顶部可拆卸式封闭盖设有顶盖，反应箱体和顶盖共同构成封闭的反应室；反应室内从下到上铺设有填料和土壤，土壤顶部与所述顶盖之间具有气腔，土壤中种植有植物，植物上部通过顶盖上开设的孔洞伸出并与外界接触；反应室侧壁的底部和顶部分别开设有第一通孔和第二通孔，第一通孔通过管路依次连接防倒吸瓶、吸收瓶和蠕动泵，蠕动泵的另一端通过管路与第二通孔连接，所述反应箱体、防倒吸瓶、吸收瓶和蠕动泵通过管路共同构成连通的闭合回路；所述吸收瓶中装有用于吸收CO₂气体的碱性溶液；

与所述第一通孔连接的管路端部伸入反应室内部，位于反应室内部的管路上设有若干用于收集CO₂气体的抽气头，所有抽气头均被填料覆盖；与所述第二通气孔连接的管路端部位于土壤上方的气腔中。

作为优选，所述管路为PVC材质，反应箱体和顶盖均为UPVC材质；碱性溶液为NaOH溶液。

作为优选，所述填料为石英砂，填料的厚度刚好完全覆盖第一接头。

作为优选，与所述第一通孔连接处的管路上设有第一接头；第一接头为端部逐渐缩小的双头式空心接头，一端位于反应室的外侧，另一端位于反应室的内侧。

进一步的，所述第一接头位于外侧的一端为不锈钢材质，位于内侧的一端为UPVC材质。

作为优选，与所述第二通孔连接处的管路上设有第二接头；第二接头为一端逐渐缩小，另一端敞开的单头式空心接头；第二接头中缩小的一端位于反应室外侧，敞开的一端朝向反应室内侧。

进一步的，所述第二接头位于反应室外侧的一端为不锈钢材质。

作为优选，所述吸收瓶的进气管路端部设有曝气头，且曝气头位于吸收瓶内的液面以下。

作为优选，所述土壤的装填高度为反应室高度的2/3～3/4。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一所述气体收集装置收集植物根际激发效应排放的二氧化碳的方法，其具体如下：

开启蠕动泵，通过蠕动泵的动力作用，反应室中的植物根际由于激发效应产生的CO₂气体被抽气头收集；由于抽气头被填料覆盖，能够避免抽气头被土壤堵塞，同时填料还可以起到保持水分的作用，使得整个土壤中的湿度分布均匀；被抽气头吸取的CO₂气体通过管路依次进入防倒吸瓶和吸收瓶，由于吸收瓶中盛有碱性溶液，CO₂气体被碱性溶液吸收；未被碱性溶液吸收的CO₂气体会随着管路在蠕动泵的作用下，通过第二通孔重新进入反应室内，在抽气头的抽吸作用下，随着植物根际新产生的CO₂气体一同重新被吸收瓶中的碱性溶液吸收；运行目标时间后关闭蠕动泵，取下吸收瓶，完成收集植物根际激发效应排放的二氧化碳的过程。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)本发明能对作物-土壤-根际的CO₂排放过程的环境行为进行原位、实时、长期的定量监测，对实验结果具有较好的重复性和准确性。

(2)本发明装置的一体化程度高，组装方便，裸露在外部的接头材质耐酸耐碱耐高温雨雪，持久性和重复性较好；装置中各部件之间的搭建与拆卸方便、快速、可操作性强，可以满足基本的科学研究的需求，能够在高等学校和研究机构获得有效的推广与应用。

(3)本发明在实际应用时的装置搭建-植物种植-采样过程操作简单，对实验场地的要求简单，易于实施。

(4)本发明可以根据试验需要全天候24小时或在作物某个关键生育期连续测定，消除激发效应日动态变化对试验结果的影响，数据准确，代表性强，测定灵活，受季节和时空变化的影响较小，节省人力物力财力。采用了将作物根系生长与CO₂释放当量进行有机结合，能够准确区分根系呼吸量、土壤呼吸量和有机质矿化量，通过相应的公式换算可以获得根际激发效应，研究过程中干扰因素少，可以研究根际激发效应的日变化动态和作物关键生育期(季节性、周期性)变化动态。因而通过此设计，测得的根际激发效应与作物根际环境参数的数据准确、精度高、重复性好且减少了工作量，可以有效提高科学研究效率。本发明与常规培养方法相比效率提高2倍，成本降低3倍，研究结果具有科学意义和科研价值。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是图1中反应箱体的剖面结构示意图；

图中：反应箱体1、蠕动泵2、植物3、防倒吸瓶4、吸收瓶5、管道6、曝气头7、土壤8、填料9、第一接头101、第二接头102、顶盖11、抽气头12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，本发明提供了一种用于根际激发效应排放二氧化碳的气体收集装置，该气体收集装置包括反应箱体1、防倒吸瓶4、吸收瓶5和蠕动泵2。

反应箱体1为具有中空内腔且顶部敞开的结构，其顶部可拆卸式封闭盖设有顶盖11，反应箱体1和顶盖11共同构成封闭的反应室。在本实施例中，反应箱体1可以设置为中空的圆柱体结构，顶盖11的横截面可以设置为与之匹配的圆形盖。反应室内从下到上铺设有填料9和土壤8，土壤8顶部与顶盖11之间具有气腔，土壤8中种植有植物3，植物3上部通过顶盖11上开设的孔洞伸出并与外界接触。为了使反应室尽量呈封闭状态，防止植物根系由于激发效应排放的CO₂气体从顶盖处溢出，可以将顶盖11与反应箱体1连接处涂抹适量的密封硅胶或贴点透明胶，以增强顶盖11与反应箱体1连接处的封闭性；除此之外，顶盖11上开设的孔洞可以设置为大小合适且与植物3的茎紧密贴合的小孔，在整个气体采集过程中让作物依然能够伸直与正常生长，还可以尽量防止CO₂气体从顶盖上开设的孔洞中溢出，影响最终结果的精确性。

反应室侧壁的底部和顶部分别开设有第一通孔和第二通孔，第一通孔和第二通孔的大小相等。第一通孔通过管路依次连接防倒吸瓶4、吸收瓶5和蠕动泵2，蠕动泵2的另一端通过管路与第二通孔连接，反应箱体1、防倒吸瓶4、吸收瓶5和蠕动泵2通过管路共同构成连通的闭合回路。吸收瓶5中装有用于吸收CO₂气体的碱性溶液。与第一通孔连接的管路端部伸入反应室内部，位于反应室内部的管路上设有若干用于收集CO₂气体的抽气头12，所有抽气头12均被填料9覆盖。与第二通气孔连接的管路端部位于土壤8上方的气腔中，即土壤的填充高度应与第二通孔的最下端齐平或适量略低为宜，这是因为如果土柱装填过高，就会从上部孔口渗漏出去，装填质量有较大损失。

在本实施例中，可以将第一通孔和第二通孔分别安装等径等长的、且可以紧密连接管道6的空心接头。具体的，与第一通孔连接处的管路上设有第一接头101。第一接头101为端部逐渐缩小的双头式空心接头，一端位于反应室的外侧，另一端位于反应室的内侧。第一接头101位于外侧的一端可以采用不锈钢材质，位于内侧的一端可以采用UPVC材质。第一接头101设置为双头式的目的在于，使作物根系呼吸作用产生的CO₂气体能够被充分抽取、吸收。土壤8的装填高度可以设置为反应室高度的2/3～3/4。

与第二通孔连接处的管路上设有第二接头102。第二接头102为一端逐渐缩小，另一端敞开的单头式空心接头。第二接头102中缩小的一端位于反应室外侧，敞开的一端朝向反应室内侧。第二接头102位于反应室外侧的一端可以采用不锈钢材质。设置第二接头102的目的是为了与第一接头101形成一个闭合回路，防止产生的CO₂气体散逸到环境中，影响实验结果的准确性和精确性，同时第二接头102不需要在里面连接曝气头，即只需要设置为单头式，是因为第二接头102没有接触到土壤，只需要将CO₂气体回流至反应室内部。

第一接头101和第二接头102的尺寸应当与第一通孔和第二通孔的尺寸相吻合，二者的设计为一体，避免产生漏气、密封性不良、连接时消耗过多密封材料等问题。

在实际应用时，管道6可以采用PVC材质，反应箱体1和顶盖11均可以采用UPVC材质，碱性溶液可以采用常见的NaOH溶液。填料9可以采用石英砂，且填料9的厚度刚好完全覆盖第一接头101。利用石英砂覆盖曝气头，可以避免曝气头的曝气孔被土壤堵塞，同时石英砂还可以起到保持水分的作用，使得整个土柱的湿度分布均匀。为了使从第一接头101流出的CO₂气体能够被吸收瓶5内的NaOH溶液尽量多的吸收完全，可以将吸收瓶5的进气管路端部设有曝气头7，且曝气头7位于吸收瓶5内的液面以下。

在NaOH吸收瓶前面放置防倒吸瓶，能够避免NaOH溶液对实验装置的腐蚀，防止因NaOH溶液的倒吸问题：污染土柱，伤害作物根系。同时，吸收瓶5内装有的碱性溶液应当过量，以便于在整个采样时间内，NaOH能够将根际激发效应产生的CO₂全部吸收，同时NaOH溶液没有消耗完全，还有一定剩余的量。为了计算过程的方便，NaOH浓度的配制一般为1-2mol/L。因为根际激发效应的当量强度需要通过剩余的NaOH的量，拿回实验室进行HCl滴定操作。因为配制了已知浓度和体积的NaOH溶液，计算出剩余NaOH的量。从而反向计算出消耗的NaOH的量，进而计算出根际激发效应的当量强度。

利用上述气体收集装置收集植物根际激发效应排放的二氧化碳的方法，具体如下：

开启蠕动泵2，通过蠕动泵2的动力作用，反应室中的植物3根际由于激发效应产生的CO₂气体被抽气头12收集。由于抽气头12被填料9覆盖，能够避免抽气头12被土壤8堵塞，同时填料9还可以起到保持水分的作用，使得整个土壤8中的湿度分布均匀。被抽气头12吸取的CO₂气体通过管路依次进入防倒吸瓶4和吸收瓶5，由于吸收瓶5中盛有碱性溶液，CO₂气体被碱性溶液吸收。未被碱性溶液吸收的CO₂气体会随着管路在蠕动泵2的作用下，通过第二通孔重新进入反应室内，在抽气头12的抽吸作用下，随着植物3根际新产生的CO₂气体一同重新被吸收瓶5中的碱性溶液吸收。运行目标时间后关闭蠕动泵2，取下吸收瓶5，完成收集植物根际激发效应排放的二氧化碳的过程。

取下吸收瓶5需要及时用封口膜将吸收瓶5的瓶口密封好，带回实验室，用HCl进行酸碱中和滴定实验，以测定根际激发效应排放的CO₂当量，计算公式如下：C_SOM＝C_total-C_SREs，Priming effect＝C_SOM,SREs-C_SOM,CK。其中，特定呼吸作用(qCO₂)估计的微生物代谢效率可能反映了微生物的生理特征，C_total指的是经过模拟根系分泌物(simulated root exudates,SREs)处理后的土壤产生的CO₂总量，C_SOM,SREs表示在SREs处理下来自于土壤自然有机质(soil organic matter,SOM)的CO₂或CH₄的总量，C_SOM,CK表示对照处理土壤中SOM的矿化量。

在进行植物3气体采集结束以后，将相应的吸收瓶5用封口膜密封好以后(防止吸收液被污染)连同相应的土壤8拿回实验室进行测定分析，植物3通过破坏性取样与土壤8分离，进行后续的一系列理化指标分析工作。土壤8、顶盖11、石英砂9和曝气头7均可以回收利用，从而有效节约后续研究与实验成本。

实际应用时，目标时间可以根据作物的种类、环境因素等进行设置。该气体收集的吸收过程是在作物的关键生育期进行的，实际应用时要根据具体的作物(所采用的实验作物)性质来设计，比如：玉米的关键生育期包括大喇叭口期、抽雄期和成熟期，水稻的关键生育期包括分蘖期、孕穗期和成熟期。同时，该收集过程要尽量避免阴雨天气，因为作物根系的根际激发效应与作物的光合作用关系密切，如果在阴雨天气，不能准确地反映根际激发效应的当量强度。

本发明与常规培养方法相比，单位实验时间内完成根际激发效应实验量的效率提高2倍，成本降低3倍，研究结果具有科学意义和科研价值。其中，常规培养方法指的是：用一个50L的塑料桶装满30kg自然风干的土壤，在25℃的预培养期间将水加入土壤中，保持田面水深度为2-3cm，模拟田间条件14天。

本发明可以保证作物的正常生长和气体采集的同时进行，采气结束后，能迅速对土壤和作物采用破坏性取样，先将作物地上部分剪断，将作物根系与土壤分离，用去离子水冲洗干净，然后将作物地上部和其根系置于105℃的烘箱杀青2h，再在65℃下烘干至恒重，称量。土壤样品一部分作为新鲜的土样，另一部分自然风干后待测。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于根际激发效应排放二氧化碳的气体收集装置，其特征在于，包括反应箱体(1)、防倒吸瓶(4)、吸收瓶(5)和蠕动泵(2)；

所述反应箱体(1)为具有中空内腔且顶部敞开的结构，其顶部可拆卸式封闭盖设有顶盖(11)，反应箱体(1)和顶盖(11)共同构成封闭的反应室；反应室内从下到上铺设有填料(9)和土壤(8)，土壤(8)顶部与所述顶盖(11)之间具有气腔，土壤(8)中种植有植物(3)，植物(3)上部通过顶盖(11)上开设的孔洞伸出并与外界接触；反应室侧壁的底部和顶部分别开设有第一通孔和第二通孔，第一通孔通过管路依次连接防倒吸瓶(4)、吸收瓶(5)和蠕动泵(2)，蠕动泵(2)的另一端通过管路与第二通孔连接，所述反应箱体(1)、防倒吸瓶(4)、吸收瓶(5)和蠕动泵(2)通过管路共同构成连通的闭合回路；所述吸收瓶(5)中装有用于吸收CO₂气体的碱性溶液；

与所述第一通孔连接的管路端部伸入反应室内部，位于反应室内部的管路上设有若干用于收集CO₂气体的抽气头(12)，所有抽气头(12)均被填料(9)覆盖；与所述第二通气孔连接的管路端部位于土壤(8)上方的气腔中。

2.根据权利要求1所述的气体收集装置，其特征在于，所述管路为PVC材质，反应箱体(1)和顶盖(11)均为UPVC材质；碱性溶液为NaOH溶液。

3.根据权利要求1所述的气体收集装置，其特征在于，所述填料(9)为石英砂，填料(9)的厚度刚好完全覆盖第一接头(101)。

4.根据权利要求1所述的气体收集装置，其特征在于，与所述第一通孔连接处的管路上设有第一接头(101)；第一接头(101)为端部逐渐缩小的双头式空心接头，一端位于反应室的外侧，另一端位于反应室的内侧。

5.根据权利要求4所述的气体收集装置，其特征在于，所述第一接头(101)位于外侧的一端为不锈钢材质，位于内侧的一端为UPVC材质。

6.根据权利要求1所述的气体收集装置，其特征在于，与所述第二通孔连接处的管路上设有第二接头(102)；第二接头(102)为一端逐渐缩小，另一端敞开的单头式空心接头；第二接头(102)中缩小的一端位于反应室外侧，敞开的一端朝向反应室内侧。

7.根据权利要求6所述的气体收集装置，其特征在于，所述第二接头(102)位于反应室外侧的一端为不锈钢材质。

8.根据权利要求1所述的气体收集装置，其特征在于，所述吸收瓶(5)的进气管路端部设有曝气头(7)，且曝气头(7)位于吸收瓶(5)内的液面以下。

9.根据权利要求1所述的气体收集装置，其特征在于，所述土壤(8)的装填高度为反应室高度的2/3～3/4。

10.一种利用权利要求1～9任一所述气体收集装置收集植物根际激发效应排放的二氧化碳的方法，其特征在于，具体如下：

开启蠕动泵(2)，通过蠕动泵(2)的动力作用，反应室中的植物(3)根际由于激发效应产生的CO₂气体被抽气头(12)收集；由于抽气头(12)被填料(9)覆盖，能够避免抽气头(12)被土壤(8)堵塞，同时填料(9)还可以起到保持水分的作用，使得整个土壤(8)中的湿度分布均匀；被抽气头(12)吸取的CO₂气体通过管路依次进入防倒吸瓶(4)和吸收瓶(5)，由于吸收瓶(5)中盛有碱性溶液，CO₂气体被碱性溶液吸收；未被碱性溶液吸收的CO₂气体会随着管路在蠕动泵(2)的作用下，通过第二通孔重新进入反应室内，在抽气头(12)的抽吸作用下，随着植物(3)根际新产生的CO₂气体一同重新被吸收瓶(5)中的碱性溶液吸收；运行目标时间后关闭蠕动泵(2)，取下吸收瓶(5)，完成收集植物根际激发效应排放的二氧化碳的过程。

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