CN1987421A - 土壤二氧化碳通量原位测定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了土壤二氧化碳通量原位测定方法及装置。土壤二氧化碳通量原位测定方法包括：在待测定土壤表层二氧化碳通量的地面上预先固定底圈，以确定被测区域；在所述底圈上密封安装开口测量容器；用连接开口测量容器的所述二氧化碳分析仪测量所述开口测量容器内的二氧化碳浓度，以得到二氧化碳初始浓度值X1；密封所述开口测量容器开口，使其与底圈形成封闭测量空间，以采集土壤在一个持续时间释放的二氧化碳浓度；以及用所述二氧化碳分析仪测量土壤在所述持续时间释放的二氧化碳浓度，以得到实际测定的二氧化碳浓度值X2。本发明具有测量简单、易操作、省时、花费小等优点。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化碳通量测定方法及装置，特别涉及土壤二氧化碳通量原位测定方法及装置。
背景技术
土壤二氧化碳通量是陆地碳循环的主要组成(文献1：Raich，J.W.；Schlesinger，W.S.1992.The global carbon dioxide flux in soil respirationand its relationship to vegetation and climate.Tellus.44D：81-99；文献2.：陈泮勤，黄耀，于贵瑞等，2004.地球系统碳循环，北京：科学出版社，12；文献3：周存宇等，2004，鼎湖山森林地表CO2通量及其影响因子的研究，中国科学D辑地球科学，34(增)：175-182)它对地球气候变化的贡献和影响之大，已经受到全世界人们的关注和重视。准确地进行陆地生态系统的碳核算，必须对土壤二氧化碳通量做精确测量(文献4：孙向阳，1999，森林土壤和大气间的温室效应气体交换，世界林业研究，12(2)：38-43；文献5：张万儒，许本彤，1984.森林土壤定位研究方法，北京：中国林业出版社，66-76)。
土壤二氧化碳通量类似土壤呼吸，但是不同于土壤呼吸：土壤呼吸是指土壤由于土壤微生物、动物和植物根系新陈代谢放出二氧化碳，吸入氧气的过程，而土壤二氧化碳通量不限于土壤呼吸，还包含土壤有机质分解、碳酸盐的矿化和沉积所释放或吸入二氧化碳的量值。影响土壤二氧化碳通量大小的因素比较多：除了来源于土壤微生物和动物活动、植物根系新陈代谢及碳酸盐变化、有机质矿质化以外，同时受到土壤温度、湿度、土壤孔隙度、土壤结构、土壤质地等土壤物理、化学和生物性质以及人类利用方式等环境条件的影响，因此，土壤二氧化碳通量是土壤与大气界面以土壤为对象，放出或者进入土壤的二氧化碳气体的综合数量化指标。土壤二氧化碳通量的测定可用于农业土壤、草原土壤、森林土壤、荒漠土、冻原土等陆地生态系统碳通量测定，这个指标对于陆地生态系统的碳收支核算，对于人类认识和控制全球变化具有现实和深远的意义。
目前，有关土壤二氧化碳通量测定的方法有以下几种：
1.微气象学测定：是建立在气象学基础上的微型化气象测定方法，是根据气温、地温、风向、风速、太阳辐射、降雨量等气象因子来推算土壤二氧化碳通量，显然是一种间接的方法，不适用于准确测定土壤中释放或吸收二氧化碳的通量。
2.箱法测定：包括静态和动态两种方法，箱子有透明和不透明之分，静态箱法即用密封的箱子收集土壤或植物呼吸所释放的二氧化碳，再用注射器采集气体样品，拿回到实验室上气相色谱测定二氧化碳的浓度，进而推算土壤呼吸强度。该方法的优点是结果稳定，重现性良好，缺点是需要配备价格昂贵、保养困难、专业操作的气相色谱，同时不直接，需要将样品从野外拿到实验室分析不方便。
3.室内培养法：是一种化学方法，是将采集的土壤样品和盛有氢氧化钠的盘一同放入一个密闭的容器里，在实验室内培养，氢氧化钠吸收土壤释放的二氧化碳，用稀酸中和过量的氢氧化钠，然后求出培养期间土壤释放的二氧化碳的量。这种方法的优点是简单、易行，不需要大型精密的仪器设备，缺点是不能反映土壤原来的状况，尽管在内部结构上有所改进(专利文献：CN1525166A，CN2605571Y)，还是不便于野外观测和使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种适于在自然状况下原位测定土壤二氧化碳通量的土壤二氧化碳通量原位测定方法。
本发明的另一目的是提供一种适于在自然状况下原位测定土壤二氧化碳通量的土壤二氧化碳通量原位测定装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种土壤二氧化碳通量原位测定方法，包括以下步骤：
a、在待测定土壤表层二氧化碳通量的地面上预先固定底圈，以确定被测区域；
b、在所述底圈上密封安装开口测量容器；
c、用连接开口测量容器的所述二氧化碳分析仪1测量所述开口测量容器内的二氧化碳浓度，以得到二氧化碳初始浓度值X1；
d、密封所述开口测量容器开口，使其与底圈形成封闭测量空间，以采集土壤在一个持续时间释放的二氧化碳浓度；以及
e、用所述二氧化碳分析仪测量土壤在所述持续时间释放的二氧化碳浓度，以得到实际测定的二氧化碳浓度值X2。
在所述步骤c和e中，所述二氧化碳分析仪利用红外线测定土壤的二氧化碳浓度值。
其中，所述的步骤a还包括去除底圈内的活植物体，以避免干扰所测定范围。
其中，在所述步骤b中，
所述开口测量容器在密封安装在所述底圈以前，已经用进气管和排气管连接所述二氧化碳分析仪；或者
所述开口测量容器在密封安装在所述底圈后，用进气管和排气管连接所述二氧化碳分析仪。
在所述步骤d中，用带有风扇的盖子密封所述开口测量容器的开口，利用风扇对容器内气体的强迫循环，使容器内的二氧化碳浓度均匀分布。
其中，所述持续时间为3-5分钟。
其中，土壤二氧化碳通量F(mg.m-2.h-1)为：
F＝K×(X2-X1)×H/T
其中，H(m)为高度，T(h)为测量持续时间；X1为二氧化碳初始浓度值；X2实际测量的浓度值；K为换算系数，通常为1.80。
根据本发明的另一方面，提供了一种土壤二氧化碳通量原位测定装置，包括：
底圈，预先固定在待测定土壤表层二氧化碳通量的地面上，以确定被测区域；
测量时密封安装在所述底圈上的开口测量容器；
在测量容器内初始二氧化碳浓度值X1后，密封所述开口测量容器开口的盖子；以及
连接所述开口测量容器的二氧化碳分析仪。
其中，所述二氧化碳分析仪利用红外线测定土壤的二氧化碳浓度值。
其中，所述开口测量容器在密封安装在所述底圈之前，预先用进气管和排气管连接所述二氧化碳分析仪，或者所述开口测量容器在密封安装在所述底圈时，用进气管和排气管连接所述二氧化碳分析仪；以及
所述盖子上设有强迫容器内气体循环，以便二氧化碳浓度在容器内均匀分布的风扇。
本发明的原理是：利用一个密闭的可以移动的箱体，盖在所选样地上，根据红外线对二氧化碳气体特殊吸收的物理性质，定时测定土壤放出或吸收二氧化碳的量值。在提前放置好的一定面积的底圈上(剪去圈内植物)，盖上带具有一定体积大小的、具有连接管的密封盖子，连接管通向CO2红外线测定仪形成一个闭合回路，定时测量箱体内的CO2浓度变化，即可得到单位面积内土壤的二氧化碳通量值。
因此与现有技术相比，本发明除了具有简单、易操作、省时、花费小的优点外，还具有以下优点：
1.在野外测定，而且不干扰土壤结构和状况，是一种自然状况下的原位测定，测定更实际、及时。
2.可以多地点、多样地、重复测定，利用时间和空间位置的变异，移动箱体和仪器，达到多点测定的目的。
3.测定数据可靠、直接、快速：红外线测定二氧化碳气体的浓度是国家规定的测定公共场所空气中二氧化碳浓度的标准测定方法(GB/T18204.24-2000)，是具有仲裁效力的方法，本发明将其移植到土壤二氧化碳通量的原位测定，理论依据可靠。由于是原位测定，使得测定结果更直接和快速。
4.适用范围广：可以使用本发明的测定方法和装置，进行各种土壤类型的测定，无论高山、平地，只要有手掌大小的平地，就可以进行土壤二氧化碳通量的测定。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是显示本发明的土壤二氧化碳通量原位测定装置的结构的示意图；
图2是显示本发明的土壤二氧化碳通量原位测定装置的测量容器部分内部结构的剖面图。
具体实施方式
参见图1和图2，一般来说，本发明的土壤二氧化碳通量原位测定装置包括：
底圈3，预先固定在待测定土壤表层二氧化碳通量的地面上，以确定被测区域；
在将要测量土壤二氧化碳浓度时，密封安装在所述底圈3上的开口测量容器6；
在测量容器6内初始二氧化碳浓度值(X1)后，密封所述开口测量容器6开口的盖子7；以及
连接所述开口测量容器6的二氧化碳分析仪1。
其中，所述二氧化碳分析仪1利用红外线测定土壤的二氧化碳浓度值。
其中，所述开口测量容器6在密封安装在所述底圈3之前，预先用进气管2和排气管8连接所述二氧化碳分析仪1，或者所述开口测量容器6在密封安装在所述底圈3时，用进气管2和排气管8连接所述二氧化碳分析仪1；以及
所述盖子7上设有强迫容器内气体循环，以便二氧化碳浓度在容器内均匀分布的风扇，这样就可以快速和准确地测定二氧化碳浓度值。
所述开口测量容器6设有进气管头5和排气管头10；所述进气管头5连接进气管2的一端，以及所述排气管头10连接排气管8的一端。
所述排气管8的另一端连接所述二氧化碳分析仪1的测量端口，所述进气管2的另一端连接所述二氧化碳分析仪1的气泵出口。
其中，所述底圈3的两端开口，其一端插入地表层下。
其中，所述盖子7通过带密封条的丝口密封连接所述开口测量容器6，所述密封条最好是橡胶垫片。
在一个具体的实例中，参见图1和图2，本发明的土壤二氧化碳通量测定装置由仪器部分和测量容器部分组成。
仪器部分是便携式红外线分析仪1。本发明的一个重要特点是，利用红外线对二氧化碳气体特殊吸收的物理性质来测定土壤的二氧化碳浓度。
测量容器部分包括：
底圈3，它是土壤和箱体连接的媒介体，需要提前固定到待测量土壤表层；
开口测量容器(或大盖)6，设有进气管头5和排气管头10，在测量时密封安装在底圈3上，以便和底圈3一同限定测量体积；
盖子(或小盖)7，内置微型风扇9，该微型风扇9通过外置电池4供电，盖子7通过丝口(带橡胶垫片)密封连接开口测量容器6。
开口测量容器6的进气管头5和排气管头10分别通过进气胶管2和排气胶管8连接便携式红外线分析仪1。
本发明的土壤二氧化碳通量原位测定方法基于图1和图2所示的测量装置，该土壤二氧化碳通量原位测定方法包括以下步骤：
a、在待测定土壤表层二氧化碳通量的地面上预先固定底圈(3)，以确定被测区域；
b、在所述底圈3上密封安装开口测量容器6；
c、用连接开口测量容器6的所述二氧化碳分析仪1测量所述开口测量容器6内的二氧化碳浓度，以得到二氧化碳初始浓度值(X1)；
d、密封所述开口测量容器6开口，使其与底圈(3)形成封闭测量空间，以采集土壤在一个持续时间释放的二氧化碳浓度；以及
e、用所述二氧化碳分析仪1测量土壤在所述持续时间释放的二氧化碳浓度，以得到实际测定的二氧化碳浓度值(X2)。
在所述步骤c和e中，所述二氧化碳分析仪1利用红外线测定土壤的二氧化碳浓度值。
所述的步骤a还包括去除底圈3内的活植物体，以避免干扰所测定范围。
在所述步骤b中，
所述开口测量容器6在密封安装在所述底圈3以前，已经用进气管2和排气管8连接所述二氧化碳分析仪1；或者
所述开口测量容器6在密封安装在所述底圈3后，用进气管2和排气管8连接所述二氧化碳分析仪1。
在所述步骤d中，用带有风扇的盖子7密封所述开口测量容器6的开口，利用风扇对容器内气体的强迫循环，使容器内的二氧化碳浓度均匀分布。
其中，所述持续时间为3-5分钟。
本发明的土壤二氧化碳通量F(mg.m-2.h-1)可以通过下式算出：
F＝K×(X2-X1)×H/T
其中，H(m)为高度，T(h)为测量持续时间；X1为二氧化碳初始浓度值；X2实际测量的浓度值；K为换算系数，通常为1.80(25℃，1个标准大气压)。
下面描述本发明的土壤二氧化碳通量原位测定的一个具体过程：
预先(比如提前2小时)把底圈3固定到计划测定土壤表层二氧化碳通量的地面上，并尽可能避免干扰所测定范围，去除底圈内的活植物体。底圈3的个数根据需要而定。测量时，首先用乳胶管将仪器1和开口测量容器(或大盖)6按照进气和出气方向对应连接起来，把开口测量容器6盖到底圈3上，用一次性胶带密封起来，这时，打开仪器1的泵开关，二氧化碳初始浓度值(X1)即在显示器上读出来；然后，尽快将装有微型风扇和电池的盖子(小盖)7拧到开口测量容器(大盖)6上。立即记录时间，持续3-5分钟时，打开仪器1气泵开关，在显示器上所读数值即为该时间二氧化碳的即时浓度值(X2)，此时，第一个样点的土壤表层二氧化碳通量测量完毕，可以逆组装顺序依次卸下小圈、大圈，移向下一个样点进行测定。
一般一台便携式红外线分析仪可以在3-4小时内测量20-50个样点。
Claims (10)
1、一种土壤二氧化碳通量原位测定方法，包括以下步骤：
a、在待测定土壤表层二氧化碳通量的地面上预先固定底圈(3)，以确定被测区域；
b、在所述底圈(3)上密封安装开口测量容器(6)；
c、用连接开口测量容器(6)的所述二氧化碳分析仪(1)测量所述开口测量容器(6)内的二氧化碳浓度，以得到二氧化碳初始浓度值X1；
d、密封所述开口测量容器(6)开口，使其与底圈(3)形成封闭测量空间，以采集土壤在一个持续时间释放的二氧化碳浓度；以及
e、用所述二氧化碳分析仪(1)测量土壤在所述持续时间释放的二氧化碳浓度，以得到实际测定的二氧化碳浓度值X2。
2、根据权利要求1所述的测定方法，其中，在所述步骤c和e中，所述二氧化碳分析仪(1)利用红外线测定土壤的二氧化碳浓度值。
3、根据权利要求1所述的测定方法，其中，所述的步骤a还包括去除底圈(3)内的活植物体，以避免干扰所测定范围。
4、根据权利要求1所述的测定方法，其中，在所述步骤b中，
所述开口测量容器(6)在密封安装在所述底圈(3)以前，已经用进气管(2)和排气管(8)连接所述二氧化碳分析仪(1)；或者
所述开口测量容器(6)在密封安装在所述底圈(3)后，用进气管(2)和排气管(8)连接所述二氧化碳分析仪(1)。
5、根据权利要求1所述的测定方法，其中，在所述步骤d中，用带有风扇的盖子(7)密封所述开口测量容器(6)的开口，利用风扇对容器内气体的强迫循环，使容器内的二氧化碳浓度均匀分布。
6、根据权利要求1或5所述的测定方法，其中所述持续时间为3-5分钟。
7、根据权利要求1所述的测定方法，其中土壤二氧化碳通量F(mg.m-2.h1)为：
F＝K×(X2-X1)×H/T
其中，H(m)为高度，T(h)为测量持续时间；X1为二氧化碳初始浓度值；X2实际测量的浓度值；K为换算系数，通常为1.80。
8、一种土壤二氧化碳通量原位测定装置，包括：
底圈(3)，预先固定在待测定土壤表层二氧化碳通量的地面上，以确定被测区域；
在测量时，密封安装在所述底圈(3)上的开口测量容器(6)；
在测量容器(6)内初始二氧化碳浓度值(X1)后，密封所述开口测量容器(6)开口的盖子(7)；以及
连接所述开口测量容器(6)的二氧化碳分析仪(1)。
9、根据权利要求8所述的测定装置，其中，所述二氧化碳分析仪(1)利用红外线测定土壤的二氧化碳浓度值。
10、根据权利要求8所述的测定装置，其中，
所述开口测量容器(6)在密封安装在所述底圈(3)之前，预先用进气管(2)和排气管(8)连接所述二氧化碳分析仪(1)，或者所述开口测量容器(6)在密封安装在所述底圈(3)时，用进气管(2)和排气管(8)连接所述二氧化碳分析仪(1)；以及
所述盖子(7)上设有强迫容器内气体循环，以便二氧化碳浓度在容器内均匀分布的风扇。
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