CN112903830A - 一种用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置及测定方法，试验装置包括培养瓶组件以及并列插设在培养瓶组件顶部并分别与培养瓶组件的内部相连通的进气组件及抽气组件，进气组件的底部设有气体扩散组件；测定方法包括以下步骤：1)称取土水混合物并置于培养瓶组件内；2)通过进气组件向培养瓶组件内通入O₂/N₂气体混合物，并通过抽气组件排出培养瓶组件内的空气；3)通过进气组件向培养瓶组件内注入甲烷气体，之后关闭进气组件及抽气组件；4)将培养瓶组件置于培养箱中培养，并定期取样进行检测。与现有技术相比，本发明不需要用同位素示踪的方法，采用普通的纯甲烷气体便可研究甲烷的氧化率，节约成本，适用范围广泛，结果可靠。

Description

一种用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置及测定方法

技术领域

本发明属于稻田土壤甲烷氧化率测定技术领域，涉及一种用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置及测定方法。

背景技术

我国稻田的甲烷排放量在世界范围内比重最大，约占全球稻田甲烷排放量的29.2％。稻田甲烷的减排已经纳入我国政府的减排总目标。在自然环境中，土壤甲烷排放包括产生和氧化两大过程，且这两个过程是同时进行的。因此，提高甲烷氧化效率能极大促进稻田甲烷减排任务的完成。目前单独研究稻田甲烷氧化过程的方法只能在室内培养瓶中进行，然而室内装置营造的培养环境与野外真实稻田环境相差甚远，容易造成与真实条件要求偏离较大的情况(不足或者过量)。因此，需要一种能够最大化模拟野外自然状况稻土环境，并对稻田土壤甲烷氧化量进行精准测定的装置。

徐华等(土壤(Soils),2006,38(6),671-675)披露了一种测试水稻土甲烷氧化性的试验装置，该装置结构为：选用120mL培养瓶，用硅橡胶塞塞住瓶口，瓶塞周围以704胶密封；硅橡胶塞中间打一小孔，内插玻璃管，管外再套一段硅橡胶软管，以配套的硅橡胶塞塞紧硅橡胶软管通气口，作为气体取样口。试验时，通过气体取样口向培养瓶注入一定体积的纯甲烷，然后将培养瓶放入28℃培养箱中培养，根据瓶内甲烷浓度的变化情况每隔一定时间测定1次瓶中剩余的甲烷浓度，以此来计算甲烷的氧化率。然而，由于普通空气中含有2ppm左右的甲烷，该试验装置无法排除空气中甲烷对实验结果的影响；此外，该装置不能很好地模拟野外稻田中甲烷氧化的真实情况，纯甲烷经长玻璃管导入到培养瓶内后，其扩散不均匀，甲烷在土壤中分布具有较强异质性，会对试验结果产生影响。

Lichao Fan等(Science of the Total Environment,657(2019),893-901)报道了一种对传统研究甲烷氧化的装置进行改进的方法。相关装置结构为：设置培养瓶系统和抽气系统，培养瓶系统包括瓶身和瓶盖(配套，可旋转)；抽气系统包括长针管，上部连有一个三通阀，三通阀上接有注射器，长针管的尖端连有一小段硅胶管，硅胶管绕成弯曲的一段。试验时，通过硅胶管将¹³C标记的甲烷直接注入到瓶身内的水土混合物中，以替代震荡处理，模拟土壤自产甲烷的扩散过程。该方法通过采用同位素标记甲烷的方式排除了空气中甲烷对实验结果的影响，但由于其需要使用同位素标记，成本昂贵，因而应用范围较窄，普适性差；而且由于其只设有一根长针管，瓶内气体无法顶空采样。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置及测定方法，不仅消除了空气中甲烷的干扰，且成本较低，应用范围广。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置，该装置包括培养瓶组件以及并列插设在培养瓶组件顶部并分别与培养瓶组件的内部相连通的进气组件及抽气组件，所述的进气组件的底部设有气体扩散组件。

进一步地，所述的培养瓶组件包括顶部开口的培养瓶以及设置在培养瓶顶部并与培养瓶的顶部开口相适配的橡胶塞，所述的进气组件及抽气组件分别由上而下贯穿橡胶塞。

进一步地，所述的橡胶塞上开设有进气玻璃管插孔，所述的进气组件包括贯穿进气玻璃管插孔设置的进气玻璃管、设置在进气玻璃管顶部的进气硅胶管、设置在进气硅胶管一端的进气三通阀以及与进气三通阀相适配的气体注射器，所述的进气玻璃管的内部设有针管，所述的针管的顶端与进气三通阀相连通，底端与气体扩散组件相连通。

进一步地，所述的针管的顶部与进气玻璃管的内壁之间填充有脱脂棉。脱脂棉用于填充针管与进气玻璃管之间的缝隙。

进一步地，所述的气体扩散组件包括沿水平方向设置在针管底部的带孔硅胶管，该带孔硅胶管的侧壁上均匀开设有多个出气孔。

进一步地，所述的橡胶塞上开设有出气玻璃管插孔，所述的抽气组件包括贯穿出气玻璃管插孔设置的出气玻璃管、设置在出气玻璃管顶部的出气硅胶管以及设置在出气硅胶管一端的出气三通阀。

进一步地，所述的培养瓶组件内盛装有土水混合物，所述的气体扩散组件埋设在土水混合物的内部，所述的抽气组件的底端位于土水混合物的上方。

一种基于用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置的测定方法，该方法包括以下步骤：

1)将土水混合物置于培养瓶组件内；

2)通过进气组件向培养瓶组件内通入高纯度(99.99％)O₂/N₂气体混合物，并通过抽气组件排出培养瓶组件内的空气；

3)通过进气组件向培养瓶组件内注入2％(20mL/L)浓度的纯甲烷(99.99％)气体，之后关闭进气组件及抽气组件；

4)将培养瓶组件置于培养箱中培养，并定期取样进行检测。

进一步地，步骤2)中，所述的O₂/N₂气体混合物中，O₂的摩尔百分含量为20-22％；步骤4)中，所述的培养过程中，温度为25-30℃。

进一步地，步骤4)中，所述的取样过程为：通过抽气组件将培养瓶组件内的部分气体取出，并通过进气组件向培养瓶组件内通入与取出气体的体积相同的O₂/N₂气体混合物。

本发明采用改进后的长针管-短玻璃管式的硅胶管法测土壤甲烷氧化率。其中，进气硅胶管及出气硅胶管的长度尺寸范围为100-150mm，内径尺寸范围为4-6mm，外径尺寸范围为7-9mm；进气三通阀及出气三通阀均有3个接口，长度尺寸范围为50-70mm；气体注射器最大可采集气体为50mL；进气玻璃管及出气玻璃管的长度尺寸范围为120-150mm，内径尺寸范围为3-4mm，外径尺寸范围为5-6mm；培养瓶为250mL广口棕色培养瓶，底面平整，瓶口内径24mm，高为135mm，瓶身内径70mm，材质为低硼硅玻璃材质，瓶口为玻璃磨砂口，可高温灭菌并耐酸碱；培养瓶和橡胶塞之间通过凡士林连接并密封，外侧用透明胶布固定，透明胶布宽45mm，高粘性；橡胶塞采用优质密封性能的5号圆橡胶塞，下直径22mm，上直径29mm，高28mm；脱脂棉为医用脱脂棉卷；针管为20号14G尖头不锈钢针管，外露长度150mm，针头内径1.55mm，针头外径2.08mm；土水混合物为土壤和超纯水按质量2:1的比例混合而成，使土壤成泥浆状作为反应底物；带孔硅胶管长度尺寸范围为40-55mm，内径尺寸范围为4-6mm，外径尺寸范围为7-9mm；围绕带孔硅胶管周向将其等分4个方向，每个方向呈90°夹角并在带孔硅胶管长度上等分5点，即总共在带孔硅胶管上开设20个出气孔。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)节约成本，适用范围广泛，不需要用同位素示踪的方法，采用普通的纯甲烷气体便可研究甲烷的氧化率；

2)操作方便，增加了出气玻璃管，不仅便于排除培养瓶内原有空气的干扰，同时能够实现顶空采样，提高了出气效率，结果更可靠；

3)带孔硅胶管能够使甲烷在土壤中扩散均匀，且甲烷扩散效率高，更符合野外真实稻田环境实际情况。

附图说明

图1为本发明中试验装置的结构示意图；

图中标记说明：

1—培养瓶、2—橡胶塞、3—进气玻璃管、4—进气硅胶管、5—进气三通阀、6—针管、7—脱脂棉、8—带孔硅胶管、9—出气孔、10—出气玻璃管、11—出气硅胶管、12—出气三通阀、13—土水混合物、14—气体注射器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示的一种用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置，包括培养瓶组件以及并列插设在培养瓶组件顶部并分别与培养瓶组件的内部相连通的进气组件及抽气组件，进气组件的底部设有气体扩散组件。

其中，培养瓶组件包括顶部开口的培养瓶1以及设置在培养瓶1顶部并与培养瓶1的顶部开口相适配的橡胶塞2，进气组件及抽气组件分别由上而下贯穿橡胶塞2。

橡胶塞2上开设有进气玻璃管插孔，进气组件包括贯穿进气玻璃管插孔设置的进气玻璃管3、设置在进气玻璃管3顶部的进气硅胶管4、设置在进气硅胶管4一端的进气三通阀5以及与进气三通阀5相适配的气体注射器14，进气玻璃管3的内部设有针管6，针管6的顶端与进气三通阀5相连通，底端与气体扩散组件相连通。针管6的顶部与进气玻璃管3的内壁之间填充有脱脂棉7。

气体扩散组件包括沿水平方向设置在针管6底部的带孔硅胶管8，该带孔硅胶管8的侧壁上均匀开设有多个出气孔9。

橡胶塞2上开设有出气玻璃管插孔，抽气组件包括贯穿出气玻璃管插孔设置的出气玻璃管10、设置在出气玻璃管10顶部的出气硅胶管11以及设置在出气硅胶管11一端的出气三通阀12。

培养瓶组件内盛装有土水混合物13，气体扩散组件埋设在土水混合物13的内部，抽气组件的底端位于土水混合物13的上方。

基于该试验装置的测定方法包括以下步骤：

1)称取相当于烘干土重25g的经过温室非水稻生长期不同水分处理的土样放入250mL培养瓶1内，加入超纯水使培养瓶1内土水比为2:1，晃动培养瓶1使土壤成泥浆状，得到土水混合物13；

2)用橡胶塞2塞住培养瓶1瓶口，橡胶塞2周围以凡士林密封。橡胶塞5中间打一小孔，内插空心出气玻璃管10，稍稍插入培养瓶1即可，出气玻璃管10外再套一段出气硅胶管11，出气硅胶管11上接有出气三通阀12，作为气体取样口；

3)再在橡胶塞2上打第二个孔，内插空心进气玻璃管3，稍稍插入培养瓶1即可，在进气玻璃管3中放入长针管6，针管6尖端连有一小段带孔硅胶管8，埋入土水混合物13中，作为甲烷出口；

4)用气体注射器14通过进气三通阀5及长针管6向培养瓶1中注入高纯度(99.99％)的21％O₂/N₂气体混合物，按500mL/min的流速通气10min，将培养瓶1内的普通空气从出气玻璃管10中排出；

5)用气体注射器14通过进气三通阀5及长针管6向培养瓶1中注入2.7mL纯甲烷(99.99％)气体，甲烷经进气三通阀5、长针管6，进入土水混合物13中的带孔硅胶管8，最后通过带孔硅胶管8中的出气孔9排出并均匀扩散至整个土水界面中；

6)注入完后，关闭进气三通阀5及出气三通阀12，将整个培养瓶1置于培养箱中培养20天，设置的培养条件为温度28℃，湿度为正常室内湿度；

7)培养结束后，每隔2天从培养瓶1的出气玻璃管10中采集20mL气体样品，采集的气体样品保存于提前抽成真空的采气袋中；

8)用气体注射器14通过进气三通阀5及长针管6向培养瓶1中补充20mL的高纯度(99.99％)的21％O₂/N₂气体混合物，以维持培养瓶1内的气压稳定；

9)采集得到的气体样品中的甲烷浓度于3天之内通过气相色谱仪(Agilent7890N)测得；

10)根据以下公式计算稻田土壤甲烷氧化率：

上式中：F为甲烷排放通量，单位为μg·kg^-1·h^-1；ρ为标准状况下甲烷密度，0.714kg·m^-3；ΔC为时间变化Δt内培养瓶1中气体的浓度变化量，单位为μg·g^-1·h^-1；V为培养瓶1中气体的有效空间体积，单位为mL；W为培养瓶中样品烘干质量，单位为g；T为培养时的温度，单位为℃。

实施例2：

本实施例中，培养瓶1内的土水混合物13中，土的质量为40g，水的质量为20g。按照实施例1中方法测定稻田土壤甲烷氧化率，培养结束后的第1、3、5、7、9、11天采集气体样品，采集所得气体样品中的甲烷浓度于3天之内通过气相色谱仪(Agilent 7890N)测得，第1、3、5、7、9、11天培养瓶内甲烷的浓度分别为15000ppm、11800ppm、10300ppm、8600ppm、5600ppm、3600ppm；

根据以下公式计算稻田土壤甲烷氧化率：

得到稻田土壤的甲烷氧化率为：

式中：F为甲烷排放通量，单位为μg·kg^-1·h^-1；ρ为标准状况下甲烷密度，0.714kg·m^-3；ΔC为时间变化Δt内培养瓶中气体的浓度变化量，单位为μg·g^-1·h^-1；V为培养瓶中气体的有效空间体积，单位为mL；W为培养瓶中样品烘干质量，单位为g；T为培养时的温度，单位为℃。

实施例3：

本实施例中，培养瓶1内的土水混合物13中，土的质量为50g，水的质量为25g。按照实施例1中方法测定稻田土壤甲烷氧化率，培养结束后的第1、3、5、7、9、11天采集气体样品，采集所得气体样品中的甲烷浓度于3天之内通过气相色谱仪(Agilent 7890N)测得，第1、3、5、7、9、11天培养瓶内甲烷的浓度分别为15000ppm、10793ppm、7283ppm、4391ppm、2235ppm、780ppm；

根据以下公式计算稻田土壤甲烷氧化率：

得到稻田土壤的甲烷氧化率为：

式中：F为甲烷排放通量，单位为μg·kg^-1·h^-1；ρ为标准状况下甲烷密度，0.714kg·m^-3；ΔC为时间变化Δt内培养瓶中气体的浓度变化量，单位为μg·g^-1·h^-1；V为培养瓶中气体的有效空间体积，单位为mL；W为培养瓶中样品烘干质量，单位为g；T为培养时的温度，单位为℃。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置，其特征在于，该装置包括培养瓶组件以及并列插设在培养瓶组件顶部并分别与培养瓶组件的内部相连通的进气组件及抽气组件，所述的进气组件的底部设有气体扩散组件。

2.根据权利要求1所述的一种用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置，其特征在于，所述的培养瓶组件包括顶部开口的培养瓶(1)以及设置在培养瓶(1)顶部并与培养瓶(1)的顶部开口相适配的橡胶塞(2)，所述的进气组件及抽气组件分别由上而下贯穿橡胶塞(2)。

3.根据权利要求2所述的一种用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置，其特征在于，所述的橡胶塞(2)上开设有进气玻璃管插孔，所述的进气组件包括贯穿进气玻璃管插孔设置的进气玻璃管(3)、设置在进气玻璃管(3)顶部的进气硅胶管(4)、设置在进气硅胶管(4)一端的进气三通阀(5)以及与进气三通阀(5)相适配的气体注射器(14)，所述的进气玻璃管(3)的内部设有针管(6)，所述的针管(6)的顶端与进气三通阀(5)相连通，底端与气体扩散组件相连通。

4.根据权利要求3所述的一种用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置，其特征在于，所述的针管(6)的顶部与进气玻璃管(3)的内壁之间填充有脱脂棉(7)。

5.根据权利要求3所述的一种用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置，其特征在于，所述的气体扩散组件包括沿水平方向设置在针管(6)底部的带孔硅胶管(8)，该带孔硅胶管(8)的侧壁上均匀开设有多个出气孔(9)。

6.根据权利要求2所述的一种用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置，其特征在于，所述的橡胶塞(2)上开设有出气玻璃管插孔，所述的抽气组件包括贯穿出气玻璃管插孔设置的出气玻璃管(10)、设置在出气玻璃管(10)顶部的出气硅胶管(11)以及设置在出气硅胶管(11)一端的出气三通阀(12)。

7.根据权利要求1所述的一种用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置，其特征在于，所述的培养瓶组件内盛装有土水混合物(13)，所述的气体扩散组件埋设在土水混合物(13)的内部，所述的抽气组件的底端位于土水混合物(13)的上方。

8.一种基于如权利要求1至7任一项所述的用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置的测定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将土水混合物(13)置于培养瓶组件内；

2)通过进气组件向培养瓶组件内通入O₂/N₂气体混合物，并通过抽气组件排出培养瓶组件内的空气；

3)通过进气组件向培养瓶组件内注入甲烷气体，之后关闭进气组件及抽气组件；

4)将培养瓶组件置于培养箱中培养，并定期取样进行检测。

9.根据权利要求8所述的一种基于用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置的测定方法，其特征在于，步骤2)中，所述的O₂/N₂气体混合物中，O₂的摩尔百分含量为20-22％；步骤4)中，所述的培养过程中，温度为25-30℃。

10.根据权利要求8所述的一种基于用于稻田土壤甲烷氧化率测定的试验装置的测定方法，其特征在于，步骤4)中，所述的取样过程为：通过抽气组件将培养瓶组件内的部分气体取出，并通过进气组件向培养瓶组件内通入与取出气体的体积相同的O₂/N₂气体混合物。

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