CN113899877A - 土壤固碳检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土壤固碳技术领域，尤其涉及一种土壤固碳检测装置及方法，该装置包括土壤采集器和可变容积腔体，土壤采集器连接可变容积腔体形成密封腔体，密封腔体连接抽气机构和供气机构，供气机构包括具有不含待测气体的第一供气单元和具有标记待测气体的第二供气单元。该装置经过取土密封、抽气洗气和标记检测步骤可以实现对土壤固碳检测，可以最大限度隔绝外界环境，提高土壤吸收标记待测气体的效率和精度，同时极大节省实验操作步骤，减少实验用品的投入，便于野外科学实验的实施，为研究土壤固碳及其他温室气体运动过程提供了切实有效、简单易操的实验方案。
Description
技术领域
本发明涉及土壤固碳技术领域，尤其涉及一种土壤固碳检测装置及方法。
背景技术
近年来研究发现，土壤具有一定的固碳能力，即土壤对含有碳元素的气体具有一定的吸收能力，尤其是大气中的CO2，土壤可以直接固定大气中的CO2，这激发了学界的极大兴趣。在“碳中和”、“碳达峰”发展目标的背景下，土壤固碳的研究更为重要。
目前可通过土壤碳通量的原位监测、稳定同位素示踪(13CO2)等方法进行研究。由于土壤中物质交换过程复杂，通过土壤碳通量的原位监测并不能完全反映真实的土壤吸收大气CO2的过程。同位素示踪法是更为精确的方法，即便是已有多种原位标记的方法，但目前都存在精度低、装置复杂、操作繁琐、药品消耗多，与现行经济、节约的主题不相符。
发明内容
本发明提供一种土壤固碳检测装置及方法，用以解决现有技术中检测土壤固碳精度低、装置复杂、操作繁琐、药品消耗多的缺陷，实现对土壤固碳高效、精准、简单测量的目的。
本发明提供一种土壤固碳检测装置，包括土壤采集器和可变容积腔体，所述土壤采集器连接所述可变容积腔体形成密封腔体，所述密封腔体连接抽气机构和供气机构，其中，所述供气机构包括具有不含待测气体的第一供气单元和具有标记待测气体的第二供气单元。
根据本发明提供的土壤固碳检测装置，所述土壤采集器包括采集环，所述采集环的底部设有密封底盖，所述可变容积腔体包括连接环和半封闭的薄膜筒体，所述采集环与所述连接环可拆卸式连接，并与所述密封底盖以及所述薄膜筒体共同形成所述密封腔体。
根据本发明提供的土壤固碳检测装置，所述连接环与所述薄膜筒体无缝连接，所述采集环与所述连接环均设有对应的螺纹结构，且所述采集环与所述连接环通过所述螺纹结构密封连接。
根据本发明提供的土壤固碳检测装置，所述第一供气单元包括具有不含待测气体的储气罐，所述储气罐通过第一供气管与所述密封腔体连通，所述第一供气管上设有减压阀和单向阀。所述第二供气单元包括标记待测气体补充源，所述补充源通过第二供气管与所述密封腔体连通，所述第二供气管上设有双向阀。
根据本发明提供的土壤固碳检测装置，所述连接环上设有进出气孔，所述进出气孔连接三通连接件，所述第一供气单元和第二供气单元通过连接所述三通连接件与所述密封腔体连通。
根据本发明提供的土壤固碳检测装置，所述抽气机构包括空气动力泵，所述空气动力泵通过抽气管与所述密封腔体连通，所述抽气管上设有气体流量计。
根据本发明提供的土壤固碳检测装置，所述密封底盖上设有多个抽气孔，所述抽气管通过连接多个所述抽气孔与所述密封腔体连通。
根据本发明提供的土壤固碳检测装置，所述土壤采集器还包括连接盘和采集杆，所述采集杆固定连接所述连接盘，所述连接盘与所述采集环可拆卸式连接。
本发明还提供一种利用上述装置的土壤固碳检测方法，包括：
取土密封步骤，包括：
获取原状土壤至土壤采集器中，将可变容积腔体与所述土壤采集器密封连接，使原状土壤处于密封腔体中；
抽气洗气步骤，包括：
通过抽气机构将所述密封腔体中的气体抽空，通过第一供气单元向所述密封腔体内通入不含待测气体的空气，通过所述抽气机构将所述密封腔体中的气体再次抽空；
标记检测步骤，包括：
通过所述第一供气单元和第二供气单元向所述密封腔体内分别通入不含待测气体的空气和标注待测气体，使所述密封腔体内的标注待测气体达到目标浓度值，获取单位时间节点所述密封腔体内标注待测气体的实际浓度值，通过所述目标浓度值和所述实际浓度值计算原状土壤吸收待测气体的速率。
根据本发明提供的土壤固碳检测方法，在所述标记检测步骤中，所述目标浓度值为300-500ppm，在所述标记检测步骤中，所述单位时间为24小时。
本发明提供的土壤固碳检测装置及方法，通过设置土壤采集器和可变容积腔体，土壤采集器连接可变容积腔体形成密封腔体，将土壤置于密封腔体中，通过抽气机构将密封腔体中的空气抽空，然后通过供气机构向密封腔体内通入不含待测气体的空气，在通过抽气机构将密封腔体再次抽空，再通过供气机构向密封腔体内通入标记待测气体和不含待测气体的空气，使标记待测气体达到一定浓度，在单位时间内计算密封腔体内的标记待测气体的吸收量，以此计算土壤吸收标记待测气体的速率，达到土壤固碳检测实验目的。利用该装置和方法，可以最大限度隔绝外界环境，提高土壤吸收标记待测气体的效率和精度，同时极大节省实验操作步骤，减少实验用品的投入，便于野外科学实验的实施，为研究“大气—土壤”的碳过程及其他温室气体运动过程提供了切实有效、简单易操的实验方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的土壤固碳检测装置结构示意图；
图2是本发明提供的土壤固碳检测装置的密封腔体分解图；
图3是本发明提供的土壤固碳检测装置的密封腔体工作状态内部结构图；
图4是本发明提供的土壤固碳检测装置的采集环与采集杆连接示意图；
图5是本发明实验中的密封腔体内初始与剩余13CO2浓度及土壤环内13CO2浓度参数表；
附图标记：
1：土壤采集器； 11：采集环； 111：螺纹结构；
112：锯齿结构； 113：滤纸； 12：密封底盖；
121：抽气孔； 13：连接盘 14：采集杆；
2：可变容积腔体；； 21：连接环； 211：进出气孔；
22：薄膜筒体； 23：支架； 3：供气机构；
31：第一供气单元； 311：储气罐； 312：减压阀；
313：第一供气管； 314：单向阀； 32：第二供气单元；
321：双向阀； 322：第二供气管； 33：三通连接件；
4：抽气机构； 41：空气动力泵； 42：气体流量计；
43：抽气管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
本发明实施例提供一种土壤固碳检测装置，具体的，本实施例将以CO2为例，提供一种用于检测土壤吸收大气CO2的可变式标记装置，以此检测土壤吸收CO2的速率。
如图1所示，该装置包括土壤采集器1和可变容积腔体2，土壤采集器1和可变容积腔体2可拆卸式连接，可以连接形成密封腔体，该密封腔体用于密封存储标记和检测用的土壤以及气体。
如图2所示，土壤采集器1主要为采集环11，采集环11呈具有一定长度的环形结构，其两端贯通设置。在采集环11的底部设有密封底盖12，密封底盖12与采集环11底部螺纹连接，用于对采集环11的底部进行密封。可变容积腔体2主要为连接环21和半封闭的薄膜筒体22，薄膜筒体22为塑料薄膜筒，优选采用柔性、可形变的不透气、不透水的材质，用于存储标记气体，薄膜筒体22可根据内部气体量自由伸缩，变换容积，使得密封腔体成为容积可变式密封筒体，因此能够直观地观察到薄膜筒体22内部气体的体积，无需额外设置外部检测装置，从而减少了实验步骤，简化了实验操作，更有利于野外原位实验。连接环21和半封闭的薄膜筒体22无缝连接，保证密封性。连接环21与采集环11相匹配，使采集环11与连接环21可拆卸式连接。具体的，采集环11的端部设有螺纹结构111，连接环21的端部也设有对应的螺纹，采集环11和连接环21通过螺纹密封连接。基于此，采集环11、密封底盖12、连接环21以及薄膜筒体22连接共同形成上述的密封腔体。
如图1所示，本实施例提供的用于检测土壤吸收大气CO2的可变式标记装置还具有抽气机构4和供气机构3。抽气机构4和供气机构3均与密封腔体内部连通，用于对密封腔体进行抽气和供气。值得一提的是，该供气机构3包括第一供气单元31和第二供气单元32。其中，第一供气单元31是用于补充不含有CO2的空气，而第二供气单元32是用于补充用于同位素示踪标记的13CO2和抽取腔体内气体。
具体的，第一供气单元31包括储气罐311和第一供气管313，储气罐311内储存有不含有CO2的空气。储气罐311通过第一供气管313与密封腔体连通，第一供气管313上设有减压阀312和单向阀314。减压阀312优选采用流量计式减压阀，流量计式减压阀便于确定通入可变式密封筒体的气体体积，使密封筒体内与外界压力一致，避免内部高压的情况，保证实验安全性和准确性。
第二供气单元32包括含有13CO2的补充源和第二供气管322，该补充源通过第二供气管322与密封腔体连通，补充源内含有浓度为99.9％的13CO2，第二供气管322上设有双向阀321。
如图1所示，抽气机构4包括空气动力泵41和抽气管43，空气动力泵41通过抽气管43与密封腔体连通。优选的，抽气管43连接在密封腔体的底部，也就是与采集环11底部的密封底盖12连接，这样可以保证将土壤中自带的CO2抽出，保证实验的精准性。抽气管43优选采用柔性导管，抽气管43上设有气体流量计42，用于确定抽取的气体体积，以免可变式密封装置内形成过大负压，损坏装置。
如图3所示，本实施例中，密封底盖12上设有多个抽气孔121，抽气管43通过多个支管一一连接多个抽气孔121与密封腔体连通。进一步地，在采集环11内部底端还设有滤纸113，使用时。滤纸113垫在土壤下方，并置于密封底盖12上方，滤纸113可以将多个抽气孔121覆盖，防止土壤进入抽气孔121造成堵塞。
本实施例中，连接环21的设置用于采集环11与薄膜筒体22的连接，使整个密封腔体成形；同时，连接环21还是供气机构3与密封腔体的连接部件。具体的，如图2所示，连接环21上设有进出气孔211，供气机构3的供气管路通过进出气孔211与密封腔体内部连通。当然，连接环21上的进出气孔211可以设置单独一个，或者是两个，当进出气孔211的数量为两个时，两个进出气孔211分别连接第一供气单元31的第一供气管313和第二供气单元32的第二供气管322，第一供气单元31和第二供气单元32单独供气。
当进出气孔211的数量为单独一个时，如图1所示，此时，进出气孔211连接有三通连接件33，三通连接件33的另两个端口分别连接第一供气单元31的第一供气管313和第二供气单元32的第二供气管322。
值得一提的是，本实施例中，如图4所示，土壤采集器1还具有连接盘13和采集杆14，采集杆14固定连接连接盘13，连接盘13上设有螺纹，连接盘13可以通过采集环11上的螺纹结构111与采集环11进行连接，这里相同于连接环21和采集环11的连接方式。连接盘13和采集杆14的设置用于手动采集土壤，采集杆14通过连接盘13与采集环11固定连接，便于操作采集环11，只需通过采集杆14将采集环11插入取样土壤中，向下旋转，再拔出，土壤留在采集环11内，便完成了采集环11的取土动作，简单，方便，提高采集效率。
作为进一步的改进，在图4中，采集环11的下端边缘设置成锯齿结构112，锯齿结构112有利于采集环11插入土壤中，便于实现取土操作，节省人力。优选的，本实施例中的采集环11采用铁质材料制成，以保证采集环11的强度。
使用时，首先通过连接盘13和采集杆14与采集环11连接，通过采集环11完成取土操作，将土壤留在采集环11，然后拆除连接盘13和采集杆14，对采集环11进行密封。在采集环11的土壤底部设置滤纸113，将通过密封底盖12将采集环11底部封堵，同时在采集环11上端安装可变容积腔体2，即将连接环21与采集环11螺纹连接进行密封，这样，采集环11、密封底盖12、连接环21和薄膜筒体22形成密封腔体将土壤密封。随后连接供气机构3和抽气机构4，将第一供气单元31和第二供气单元32的管道连接三通连接件33，三通连接件33连接连接环21的进出气孔211，将抽气机构4的抽气管43连接密封底盖12的抽气孔121。
组装完成后，首先启动抽气机构4，空气动力泵41工作，将密封腔体内的空气抽出，通过观察薄膜筒体22形变，当薄膜筒体22贴合到连接环21时，说明密封腔体内的空气已经抽空。值得一提的是，实验中，采集环11在取土密封后可以插回到原来的取土的坑中，即将土壤采集器1设置在地面上，抽气时，当薄膜筒体22贴合到底面时，则证明密封腔体内的空气已经抽空。空气抽完后，关闭抽气机构4，启动第一供气单元31，第一供气单元31向密封腔体内通入不含CO2的空气，随后再通过抽气机构4将密封腔体内的空气再次抽空，该步骤为洗气步骤，一方面将密封腔体内气体抽空，另一方面也将土壤中CO2含量降低，提高土壤固定大气CO2的稳定碳同位素示踪精度，减少误差。当空气再次抽完后，通过第二供气单元32向密封腔体内通入13CO2，再通过第一供气单元31再向密封腔体内通入不含CO2的空气，使密封腔体内13CO2的浓度达到400ppm。此时，薄膜筒体22内充满空气膨胀，可以通过在薄膜筒体22两边设置支架23对薄膜筒体22进行支撑。
上述步骤完成后，以1天(24h)为标记时长，每次标记完成后，通过三通连接件33吸取密封腔体内气体，测定13CO2的含量，通过13CO2前后的浓度差，计算土壤吸收CO2的速率。然后，卸下薄膜筒体22，再重复上述洗气和标记步骤，重复7次。根据密封腔体内13CO2含量的变化，计算土壤吸收大气CO2的日均速率。
可以理解的是，本实施例中，第一供气单元31通过三通连接件33向密封腔体内通入不含有CO2的空气，第二供气单元32通过三通连接件33向密封腔体内通入13CO2。同时，由于第二供气管322上设置了双向阀321，第二供气单元32通过第二供气管322将密封腔体内的气体抽出，对抽出的气体进行13CO2的浓度检测。
当然，第二供气管322上也可以不设置双向阀321，可以通过抽气机构4将密封腔体内的空气抽出，并对抽出的气体中的13CO2进行浓度检测。即抽气机构4包含两个作用，一是将密封腔体内的原空气以及第一供气单元31通入的不含有CO2的空气抽出，进行洗气；二是将密封腔体内由第一供气单元31和第二供气单元32通入的混合气体抽出，从而进行13CO2的浓度检测。
本实施例提供的用于检测土壤吸收大气CO2的可变式标记装置，可以最大限度隔绝外界环境，提高土壤吸收标记待测气体的效率和精度，同时极大节省实验操作步骤，减少实验用品的投入，便于野外科学实验的实施，为研究“大气—土壤”的碳过程及其他温室气体运动过程提供了切实有效、简单易操的实验方案。
本发明还提供一种土壤固碳检测方法，具体提供一种用于检测土壤吸收大气CO2的可变式标记方法，包括如下步骤：
步骤1：取土密封步骤；
该步骤中，首先通过土壤采集器1采集待测土壤，具体为将采集环11插入土中，然后取出进行密封。
然后将可变容积腔体2与土壤采集器1密封连接，密封的步骤先是用密封底盖12将采集环11底部封堵，然后将连接环21与采集环11连接密封，由于连接环21和薄膜筒体22无法连接，此时，采集环11、密封底盖12、连接环21和薄膜筒体22便形成密封腔体将土壤密封。
值得一提的是，密封后可以将土壤采集器1插回到原来取土的坑中，使连接环21与地面平齐，便于保持原状土壤环境的稳定和后期观察可变容积腔体2内的气体抽空情况。
步骤2：抽气洗气步骤；
该步骤中，首先通过抽气机构4将密封腔体中的气体抽空，然后通过第一供气单元31向密封腔体内通入不含CO2的空气，随后通过抽气机构4将密封腔体中的气体再次抽空。该步骤一方面将密封腔体内气体抽空，另一方面也将土壤中CO2含量降低，提高土壤固定大气CO2的标记精度，减少误差。因此，该步骤也可以重复多次。
步骤3：标记检测步骤，该步骤包括注入13CO2步骤和检测13CO2步骤；
注入13CO2步骤，首先，通过第二供气单元32向密封腔体内通入13CO2，13CO2初始浓度为99.9％。然后通过第一供气单元31向密封腔体内通入不含CO2的空气，同时设定一个目标浓度值，使密封腔体内13CO2的浓度在300-500ppm，优选的，该目标浓度值控制在400ppm，达到大气环境的CO2含量。随后，采用支架23对薄膜筒体22进行外部支撑。
检测13CO2步骤，在单位时间内获得密封腔体中13CO2的实际浓度值，单位时间可以为1天(24h)。以1天(24h)为标记时长，每次标记完成后，通过三通连接件33吸取密封腔体内气体，测定13CO2的含量，得出实际浓度值，通过13CO2前后的浓度差，计算土壤吸收CO2的速率。
本实施例中，可变容积腔体总高度1.5m，直径为20cm，包括上部高1.4m半封闭的薄膜筒体和下部高0.1m的连接环。土壤环高度为30cm，直径为20cm。密封底盖直径为20cm。
本实施例中，步骤2和步骤3可重复实施多次。在步骤3完成后，卸下薄膜筒体22，再重复上述洗气和标记步骤，重复7次。根据密封腔体内13CO2含量的变化，计算土壤吸收大气CO2的日均速率。
图5为实验过程中密封腔体内初始与剩余的13CO2浓度数值，可以看出，经过1天的标记后，筒体内，剩余13CO2浓度为65.81±20.26ppm，吸收的浓度为334.19±20.26ppm，土壤环内13CO2浓度为97.44±5.22ppm，根据筒体体积计算，平均吸收速率为1.01±0.06g 13CO2m-2d-1。经计算发现土壤环内13CO2的数量只占2.17±0.26％，说明绝大部分13CO2，约98％，被土壤吸收后，经物理化学和生物作用，转化为其他的碳形式(土壤无机碳和/或土壤有机碳)。
通过本实施例提供的用于检测土壤吸收大气CO2的可变式标记方法，能够有效提高土壤吸收标记待测气体的效率和精度，极大节省实验操作步骤，减少实验用品的投入，便于野外科学实验的实施，为研究“大气—土壤”的碳过程及其他温室气体运动过程提供了切实有效、简单易操的实验方案。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种土壤固碳检测装置，其特征在于，包括土壤采集器(1)和可变容积腔体(2)，所述土壤采集器(1)连接所述可变容积腔体(2)形成密封腔体，所述密封腔体连接抽气机构(4)和供气机构(3)，其中，所述供气机构(3)包括具有不含待测气体的第一供气单元(31)和具有标记待测气体的第二供气单元(32)。
2.根据权利要求1所述的土壤固碳检测装置，其特征在于，所述土壤采集器(1)包括采集环(11)，所述采集环(11)的底部设有密封底盖(12)，所述可变容积腔体(2)包括连接环(21)和半封闭的薄膜筒体(22)，所述采集环(11)与所述连接环(21)可拆卸式连接，并与所述密封底盖(12)以及所述薄膜筒体(22)共同形成所述密封腔体。
3.根据权利要求2所述的土壤固碳检测装置，其特征在于，所述连接环(21)与所述薄膜筒体(22)无缝连接，所述采集环(11)与所述连接环(21)均设有对应的螺纹结构(111)，且所述采集环(11)与所述连接环(21)通过所述螺纹结构(111)密封连接。
4.根据权利要求1所述的土壤固碳检测装置，其特征在于，所述第一供气单元(31)包括具有不含待测气体的储气罐(311)，所述储气罐(311)通过第一供气管(313)与所述密封腔体连通，所述第一供气管(313)上设有减压阀(312)和单向阀(314)，所述第二供气单元(32)包括具有标记待测气体的补充源，所述补充源通过第二供气管(322)与所述密封腔体连通，所述第二供气管(322)上设有双向阀(321)。
5.根据权利要求2所述的土壤固碳检测装置，其特征在于，所述连接环(21)上设有进出气孔(211)，所述进出气孔(211)连接三通连接件(33)，所述第一供气单元(31)和第二供气单元(32)通过连接所述三通连接件(33)与所述密封腔体连通。
6.根据权利要求1所述的土壤固碳检测装置，其特征在于，所述抽气机构(4)包括空气动力泵(41)，所述空气动力泵(41)通过抽气管(43)与所述密封腔体连通，所述抽气管(43)上设有气体流量计(42)。
7.根据权利要求7所述的土壤固碳检测装置，其特征在于，所述密封底盖(12)上设有多个抽气孔(121)，所述抽气管(43)通过连接多个所述抽气孔(121)与所述密封腔体连通。
8.根据权利要求2所述的土壤固碳检测装置，其特征在于，所述土壤采集器(1)还包括连接盘(13)和采集杆(14)，所述采集杆(14)固定连接所述连接盘(13)，所述连接盘(13)与所述采集环(11)可拆卸式连接。
9.一种利用如权利要求1-8任一项所述的土壤固碳检测装置的土壤固碳检测方法，包括：
取土密封步骤，包括：
获取原状土壤至土壤采集器(1)中，将可变容积腔体(2)与所述土壤采集器(1)密封连接，使原状土壤处于密封腔体中；
抽气洗气步骤，包括：
通过抽气机构(4)将所述密封腔体中的气体抽真空，通过第一供气单元(31)向所述密封腔体内通入不含待测气体的空气，通过所述抽气机构(4)将所述密封腔体中的气体再次抽空；
标记检测步骤，包括：
通过所述第一供气单元(31)和第二供气单元(32)向所述密封腔体内分别通入不含待测气体的空气和标注待测气体，使所述密封腔体内的标注待测气体达到目标浓度值，获取单位时间节点所述密封腔体内标注待测气体的实际浓度值，通过所述目标浓度值和所述实际浓度值计算原状土壤吸收待测气体的速率。
10.根据权利要求9所述的土壤固碳检测方法，其特征在于，在所述标记检测步骤中，所述目标浓度值为300-500ppm，在所述标记检测步骤中，所述单位时间为24小时。
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