CN205263083U - 一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置，包括设置于温度控制系统中的广口瓶，与广口瓶匹配的带孔橡胶塞，及设置于带孔橡胶塞的孔内的玻璃管，玻璃管的顶端套设有乳胶管，乳胶管的顶端采用止水夹封堵；所述实验装置还包括针管，用于盛放碱性溶液的烧杯，用于酸碱滴定的滴定台及设置于滴定台上的滴定管，以及用于向敞口的广口瓶通气的风扇，用于称量的天平及用于向广口瓶中滴入液体的胶头滴管。本实用新型所述实验装置的优越效果在于：通过所述实验装置能实现不同实验设计中测定指定时间内土壤的呼吸值；通过所述实验装置能满足不同数量样本测定；所述实验装置结构简单，操作方便，制造成本低，能在普通实验室操作。

Description

一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置

技术领域

本实用新型涉及测定土壤呼吸的实验装置技术领域，特别是涉及一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置。

背景技术

大气二氧化碳浓度升高会直接导致大气吸收太阳的长波辐射的增加，引起全球性的气温上升，使气候激烈波动。有关研究机构预计，大气二氧化碳浓度上升1倍使全球增温2～4℃，极地增温尤盛。极地永冻冰层的快速融化，使海平面在100～200年的时间里上升5m，大大减少陆地面积，威胁着人类与陆地生物的居住安全。因此，全球气候变暖是目前全球环境变化研究中的一个热点问题。

土壤呼吸是陆地生态系统碳素循环的主要环节，已成为向大气释放CO₂最大的源，土壤贮存的碳高达1.394×10¹⁸g，流通量每年达68±4×10¹⁵g，它的很小变化都会引起大气CO₂浓度的很大改变。森林土壤碳是全球碳库的重要组成部分，也是人类活动影响大气CO₂浓度升高的关键生态过程。

从上个世纪初开始，人们就一直关注着土壤呼吸，随之而来的是寻找某种合适的方法来测定土壤呼吸的速率。

根据土壤培养处理方式的不同，将测定土壤呼吸的方法分为野外测定和室内培养测定。野外测定就在野外土壤表面直接进行测量，多采用大型仪器；室内培养测定主要是按照一定的取土方法将新鲜土样带回实验室进行培养，采用不同方法进行测定。

上述土壤呼吸的测定方法，又分为土壤呼吸直接测定法和间接测定法。土壤呼吸直接测定方法分为三大类，分别是静态气室法、动态气室法和微气象法。

静态气室法是测定一定时间内，密闭气室内土壤呼吸产生的CO₂量，通过两种方法测定，一种是用气相色谱分析仪、红外分析仪测定一定时间前后抽取出气体的CO₂浓度差，也称为密闭气室法；另一种是用碱滴定法或碱称重法吸收并计算CO₂排放量，可称为静态碱液吸收法。动态气室法，对气室内CO₂浓度进行连续测定，一种是在密闭气室中，用红外气体分析仪直接测定，另一种是通过流通气体，用红外气体分析仪或者碱液测定CO₂随时间的变化。微气象法，依据气象学原理测定地表气体排放通量。

除了要测定土壤呼吸，还要进行干湿交替的水分控制与土壤长时间培养，测定方法与盛土装置之间需要组装起来。红外气体分析仪搭配测量容器上部空气浓度，但在土壤培养装置中，CO₂气体质量分数较重，位于装置下部，但测定时如不进行晃动，气体不混匀，测定值就会偏低，且仪器较昂贵。

若是便携式气体分析仪与LI6400便携式光合作用测定仪则需要考虑在气密性的装置中形成回路。气相色谱分析仪测定抽取出来的气体，但是单个样本的测定价钱较昂贵，不适于样本数量大的室内模拟实验。现有碱液吸收法多搭配在盛土装置内放置小烧杯，再对盛土容器进行密封，但是其密封必须是可拆开并再次组装的，因为碱液吸收有一定的上限，一般在一定时间内取出，进行滴定，滴定得出吸收的CO₂量，碱液也只能吸收一次然后进行滴定，再放入新的碱液。或采用管道或吸收瓶进行碱液吸收法，若同一管道或吸收瓶测定，测定的样本数量有限，材料准备时间长，测量时间也长，气密性不能保证，测量值可能不准确；若给每个样本安装该管道或吸收瓶，恒温培养箱所需要的空间又很大。碱液称重法主要对天平的称量范围和精读有要求，每次称量前也要对容器外部擦净，操作繁琐。

实用新型内容

为了克服现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置。所述实验装置在室内模拟干湿交替响应下，能准确多次测定指定时间内的土壤呼吸值。所述实验装置解决了现有技术中检测装置昂贵、占用空间大，组装不便的问题。

本实用新型所述实验装置是通过以下技术方案来实现的：

一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置，包括设置于温度控制系统中、用于盛放土壤样本的广口瓶，与所述广口瓶匹配的带孔橡胶塞，及设置于带孔橡胶塞的孔内的玻璃管，且玻璃管的顶端和底端分别设置于带孔橡胶塞的两侧，玻璃管的顶端套设有乳胶管，乳胶管的顶端采用止水夹封堵使广口瓶形成一个密封的空间；

所述实验装置还包括针管，用于盛放待测液体的烧杯，用于酸碱滴定的滴定台及设置于滴定台上的滴定管，以及用于向敞口的广口瓶通气的风扇，用于称量的天平及用于向广口瓶中滴入液体的胶头滴管；

其中，针管的针头插入乳胶管的侧壁抽取广口瓶中的气体，并将抽取的气体注入盛放待测液体的烧杯中，以及将用于盛放待测液体的三角瓶放在滴定台上通过滴定管进行滴定；打开带孔橡胶塞通过风扇进行通气，将通气后的广口瓶放置于天平上，并采用胶头滴管向广口瓶中加入蒸馏水后盖紧带孔橡胶塞，将所述广口瓶放入温度控制系统中继续培养。

所述的技术方案优选为，所述温度控制系统为恒温光照培养箱。

所述的技术方案优选为，所述乳胶管的内径小于玻璃管的外径。

所述的技术方案优选为，所述广口瓶中设有干燥剂包。

进一步地，所述干燥剂包采用变色硅胶制成。从广口瓶取出的干燥剂包在110℃烘干2h后能重新循环使用。

所述的技术方案优选为，所述干燥剂包通过连接绳悬空设置于广口瓶内。

一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置，包括设置于温度控制系统中、用于盛放土壤样本的广口瓶，与所述广口瓶匹配的带孔橡胶塞，带孔橡胶塞上至少设有两个孔、且每个孔内设有与其匹配的玻璃管，玻璃管的顶端和底端分别设置于带孔橡胶塞的两侧，且两个玻璃管的顶端均设有乳胶管，乳胶管的顶端采用止水夹封堵，使广口瓶形成一个密封的空间；

所述实验装置还包括用于检测广口瓶内气体浓度的便携式气体分析仪，便携式气体分析仪的两侧分别设有入气口、出气口，所述入气口通过管道与一个玻璃管顶端的乳胶管连通，所述出气口与另一个玻璃管顶端的乳胶管连通。

所述的技术方案优选为，所述便携式气体分析仪采用LI6400便携式光合作用测定仪或GEM5000便携式沼气分析仪。

本实用新型所述的LI6400便携式光合作用测定仪采用OPEN软件测定，并将记录的二氧化碳气体的浓度数据导入电脑中；而所述的GEM5000便携式沼气分析仪则是在测定过程中分析仪上显示二氧化碳气体含量的数值。

与现有技术相比，本实用新型所述实验装置的优越效果在于：

(1)通过所述实验装置能实现不同实验设计中长期、连续、定时的测定指定时间内土壤的呼吸值；

(2)通过所述实验装置能满足数量较大的样本测定。室内模拟实验往往会根据实验目的，设计不同的实验组，为了保证实验的科学性，需要设计空白对照组与多个重复样；需要测定土壤呼吸值的数量就相应增加。所述土壤呼吸测定时，本实用新型所述实验装置能满足样本数量多且测定时间短、准确的要求。

(3)通过所述实验装置能满足土壤培养装置气密性要求和能实现换气、快速恢复气密性的要求，以及准确测定指定时段内土壤呼吸产生的二氧化碳气体量。

(4)通过所述实验装置减少了从开始测量到下一次密封完毕以及土壤培养的中间步骤，进一步提高了检测的准确性。

(5)所述的实验装置结构简单，操作方便，制造成本低，能在普通实验室操作。

附图说明

图1为本实用新型所述实验装置的广口瓶放置于温度控制系统中的结构示意图；

图2为从所述实验装置的广口瓶中抽取气体的示意图；

图3为向所述实验装置内的待测液体中注入气体的示意图；

图4为酸碱滴定示意图；

图5为所述实验装置的广口瓶透气时的示意图；

图6为水分重量观测及采用胶头滴管向所述广口瓶中滴入蒸馏水的示意图；

图7为所述实验装置采用的便携式气体分析仪进行气体测量的示意图。

附图标记说明如下：

11-广口瓶、12-带孔橡胶塞、13-玻璃管、14-乳胶管、15-止水夹、16-干燥剂包、17-温度控制系统、18-针管、19-烧杯、20-三角瓶、21-滴定台、22-滴定管、23-风扇、24-天平、25-胶头滴管、26-便携式气体分析仪、27-入气口、28-出气口。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本实用新型所述实验装置作进一步详细说明。

实施例1

本实用新型所述一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置，包括设置于温度控制系统17中、用于盛放土壤样本的广口瓶11，与所述广口瓶11匹配的带孔橡胶塞12，及设置于带孔橡胶塞12的孔内的玻璃管13，且玻璃管13的顶端和底端分别设置于带孔橡胶塞12的两侧，玻璃管13的顶端套设有乳胶管14，乳胶管14的顶端采用止水夹15封堵，使广口瓶11形成一个密封的空间，如图1所示。所述实验装置还包括针管18，用于盛放待测液体的烧杯19，用于酸碱滴定的滴定台21及设置于滴定台21上的滴定管22，以及用于向敞口的广口瓶11通气的风扇23，用于称量的天平24及用于向广口瓶11中滴入液体的胶头滴管25。在本实施例中，所述待测液体采用NaOH溶液。

其中，针管18的针头插入乳胶管14的侧壁抽取广口瓶11中的气体，并将抽取的气体注入盛放待测液体的烧杯19中，以及将用于盛放待测液体的三角瓶20放在滴定台21上通过滴定管22进行滴定；打开带孔橡胶塞12通过风扇23进行通气，将通气后的广口瓶11放置于天平24上，并采用胶头滴管25向广口瓶11中加入蒸馏水后盖紧带孔橡胶塞12，将所述广口瓶11放入温度控制系统17中继续培养。

在上述实施例中，所述广口瓶11中设有干燥剂包16；进一步地，所述干燥剂包16通过连接绳悬空设置于广口瓶11内。

本实用新型所述实验装置的操作步骤如下：

第一步：选用广口瓶11并逐一记录其重量、编号，在所述广口瓶11中装入定量的风干土，并记录广口瓶11与风干土的总重量；通过连接绳将干燥剂包16悬空设置于广口瓶11内，广口瓶11的瓶口设有与其匹配的带孔橡胶塞12，及设置于带孔橡胶塞12的孔内的玻璃管13，并使玻璃管13的顶端和底端分别设置于带孔橡胶塞12的两侧，所述玻璃管13的顶端套设有乳胶管14，乳胶管14的顶端采用止水夹15封堵，使广口瓶11形成一个密封的空间，并将所述广口瓶11放置于温度控制系统17中，如图1所示。

进一步地，选用250ml的广口瓶11作为盛土容器并逐一记录重量、编号，将50g风干土转入广口瓶11中，并记录总重量，所述广口瓶11与风干土的总重量作为干湿交替测量的基准重量值；所述称取重量的工具为天平24。

在本实施例中，取北京西山林场栓皮栎-槲栎林分表土0-10cm，并收集地表明显可见枯落物。通过环刀取土后立刻称重并记录重量。在装入广口瓶11前对风干土中的杂质，如对风干土中的植物、石头子剔除，以及对风干土研磨、筛选；在筛选时，筛网网眼的内径为0.2mm。所述温度控制系统17为恒温光照培养箱。所述乳胶管14的内径小于玻璃管13的外径，使得乳胶管14在套设于玻璃管13后完全密封，所述玻璃管13的长度为5-7cm。另外，测量自然含水量、饱和含水量、毛管孔隙度、总孔隙度。采用环刀法与称重法，称量风干土在105℃时烘干8h后、淹没环刀下盖高度2h后、淹没浸泡8h后、排水12h后环刀的总重量。

第二步：采用碱液吸收及酸碱滴定法对土壤呼吸排出的气体进行测量，其具体步骤包括：

(1)取气体：每24h从温度控制系统17的广口瓶11中抽取定量的气体；测定时，晃动广口瓶11使其内的气体混匀，并防止设置于广口瓶11中的干燥剂包16与风干土接触及干燥剂包16中的干燥剂洒落，将50ml针管18的针头穿过乳胶管14的一侧壁，从广口瓶11中抽取气体，如图2所示。

(2)碱液吸收及滴定：将针头插入过量的NaOH溶液中，将针管18内的气体注入NaOH溶液，且以NaOH容易充分吸收气体为宜，此时盛装NaOH溶液的容器为烧杯19，如图3所示；以及向NaOH溶液加入蒸馏水调整NaOH溶液至50ml后，将烧杯19中的液体转移到三角瓶20中，用蒸馏水三次润洗烧杯19，并将润洗烧杯19的蒸馏水加入三角瓶20中；将三角瓶20放置于滴定台21上，如图4所示，向NaOH溶液滴入3滴酚酞指示剂，所述滴定管22盛装浓度为0.01mol/L的标准盐酸溶液，且所述滴定管22为酸式滴定管。记录酸式滴定管中标准盐酸溶液的体积数值为滴定始点，对三角瓶20中的NaOH溶液进行滴定，当待测溶液的颜色由粉色变为无色时，记录此时的标准盐酸溶液的体积数值；再向待测液体中滴入4滴甲基橙指示剂，继续向待测液体中滴入标准盐酸溶液，当待测液体的颜色由橘黄色变为橙色时，记录此时的酸式滴定管中标准盐酸溶液的体积数值，并作为滴定终点。在上述滴定变色的过程中，滴定终点的橙色颜色不便于识别，设定变色过程中的一个颜色为标准色，测定不同的实验组都以此标准色为滴定终点。

本实用新型上述的酚酞指示剂、甲基橙指示剂的配制、标准盐酸溶液的配制、NaOH溶液配制参照GB/T601-2002与GB/T603-2002。滴定的标准盐酸溶液的浓度参照GB/T601-2002配制0.1mol/L浓度后，稀释至0.01mol/L。用于吸收二氧化碳气体的过量的NaOH溶液为0.02mol/L。

(3)透气：经过上述滴定后，打开带孔橡胶塞12，先取出干燥剂包16，用风扇23对着广口瓶11的瓶口通气2-10min，如图5所示。

(4)水分重量控制：将广口瓶11放置于天平24上，逐一记录重量，通过胶头滴管25向广口瓶11内滴入设定质量的蒸馏水控制广口瓶11内土壤的湿润程度，而在测量广口瓶11的重量及加入设定质量的蒸馏水时均选用上述第一步中的天平24测量，避免误差累积，提高了测量精度，如图6所示。

另外，通过更换干燥剂包16控制广口瓶11内土壤的干燥程度。在具体操作时，例如需要连续5天控制广口瓶11中的土壤的干燥程度，每隔24h更换一次干燥剂包16。本实用新型所采用的干燥剂包16采用变色硅胶制成。从广口瓶11取出的干燥剂包16在110℃烘干2h后能重新循环使用。

(5)密封：拔下乳胶管14，剪去带有针孔的一截乳胶管14，将乳胶管14剩余的部分再次套设于玻璃管13上，采用止水夹15封闭乳胶管14的顶端；然后将带孔橡胶塞12盖紧广口瓶11的瓶口，最后将广口瓶11放置于温度控制系统17中继续培养，并记录放入温度控制系统17的时间；直到24h后再抽取广口瓶11中的气体进行滴定测试。

(6)数据处理：根据标准盐酸溶液的浓度及所消耗的标准盐酸溶液的体积，通过计算得出50ml的针管18中的二氧化碳气体的含量，以及得出250ml的广口瓶11中土壤产生的二氧化碳气体的含量。

在上述步骤中，步骤(1)—(6)循环操作实现广口瓶11内土壤的干湿状态的交替变换，以及对广口瓶11内土壤的干燥状态、湿润状态下进行二氧化碳气体测定。需要说明的是，所述的广口瓶11内部环境的干湿状态对照情况，通过制作核对表进行记录，以及记录测定的二氧化碳气体的时间。

实施例2

如图7所示，本实用新型提供另一实施例，本实用新型所述实验装置，包括设置于温度控制系统17中、用于盛放土壤样本的广口瓶11，与所述广口瓶11匹配的带孔橡胶塞12，带孔橡胶塞12上设有两个孔、且每个孔内设有与其匹配的玻璃管13，玻璃管13的顶端和底端分别设置于带孔橡胶塞12的两侧，且两个玻璃管13的顶端均设有乳胶管14，乳胶管14的顶端采用止水夹15封堵使广口瓶11形成一个密封的空间；

所述实验装置还包括用于检测广口瓶11内气体浓度的便携式气体分析仪26，便携式气体分析仪26的两侧分别设有入气口27、出气口28，所述入气口27通过管道与一个玻璃管13顶端的乳胶管14连通，所述出气口28与另一个玻璃管13顶端的乳胶管14连通。

在本实施例中，所述便携式气体分析仪26采用LI6400便携式光合作用测定仪。

本实施例所述实验装置的操作步骤如下：

第一步：选用广口瓶11并记录其重量，在所述广口瓶11中装入定量的风干土，并记录广口瓶11与风干土的总重量；通过连接绳将干燥剂包16悬空设置于广口瓶11内，广口瓶11的瓶口设有与其匹配的带孔橡胶塞12，带孔橡胶塞12上设有两个孔、且每个孔设有与其匹配的玻璃管13，玻璃管13的顶端和底端分别设置于带孔橡胶塞12的两侧，且两个玻璃管13的顶端均设有乳胶管14，且乳胶管14的顶端采用止水夹15封堵，使广口瓶11形成一个密闭的空间；

第二步：采用便携式气体分析仪26对土壤呼吸排出的气体进行测量，其具体步骤包括：

(1)取气体与测定：每24h将广口瓶11从温度控制系统17中取出，晃动广口瓶11使其内的气体混匀，并防止设置于广口瓶11中的干燥剂包16与风干土接触及干燥剂包16中的干燥剂洒落，将玻璃管13顶端的一个乳胶管14与便携式气体分析仪26的入气口27，另一个乳胶管14与便携式气体分析仪26的出气口28连通，将乳胶管14上的止水夹15移至玻璃管13处，广口瓶11中的二氧化碳气体依次经过便携式气体分析仪26的入气口27、出气口28，所述便携式气体分析仪26记录二氧化碳气体的浓度；所述便携式气体分析仪26采集二氧化碳气体的多个浓度信息数据，有利于获得稳定的浓度信息。

(2)透气：打开带孔橡胶塞12，先取出干燥剂包16，用风扇23对着广口瓶11的瓶口通气2-10min；

(3)水分重量控制：将广口瓶11放置于天平24上，逐一记录其重量，通过胶头滴管25向广口瓶11内滴入蒸馏水控制广口瓶11内风干土的湿润程度，同样在测量广口瓶11的重量及加入设定质量的蒸馏水时均选用上述第一步中的天平24测量，避免误差累积，提高了测量精度。

另外，通过更换干燥剂包16控制广口瓶11内土壤的干燥程度，实现对广口瓶11内土壤的干燥。

(4)密封：将带孔橡胶塞12盖紧广口瓶11的瓶口，最后将广口瓶11放置于温度控制系统17中继续培养，并记录放入温度控制系统17的时间；直到24h后再抽取广口瓶11中的气体进行测试；

(5)数据处理：通过便携式气体分析仪26测量并得出二氧化碳气体的浓度。

在上述步骤中，步骤(1)—(5)操作实现广口瓶11内土壤的干湿状态的交替变换及二氧化碳气体浓度的测定。

进一步地，所述便携式气体分析仪26采集二氧化碳气体的多个浓度信息数据。所述便携式气体分析仪26为LI6400便携式光合作用测定仪或GEM5000便携式沼气分析仪。所述的LI6400便携式光合作用测定仪测定并记录二氧化碳气体的浓度数据导入电脑中；而所述的GEM5000便携式沼气分析仪在测定过程中能够显示二氧化碳气体含量的数值。

本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本实用新型的范围。

Claims (8)

1.一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置，其特征在于，包括设置于温度控制系统中、用于盛放土壤样本的广口瓶，与所述广口瓶匹配的带孔橡胶塞，及设置于带孔橡胶塞的孔内的玻璃管，且玻璃管的顶端和底端分别设置于带孔橡胶塞的两侧，玻璃管的顶端套设有乳胶管，乳胶管的顶端采用止水夹封堵使广口瓶形成一个密封的空间；

所述实验装置还包括针管，用于盛放待测液体的烧杯，用于酸碱滴定的滴定台及设置于滴定台上的滴定管，以及用于向敞口的广口瓶通气的风扇，用于称量的天平及用于向广口瓶中滴入液体的胶头滴管；

其中，针管的针头插入乳胶管的侧壁抽取广口瓶中的气体，并将抽取的气体注入盛放待测液体的烧杯中，以及将用于盛放待测液体的三角瓶放在滴定台上通过滴定管进行滴定；打开带孔橡胶塞通过风扇进行通气，将通气后的广口瓶放置于天平上，并采用胶头滴管向广口瓶中加入蒸馏水后盖紧带孔橡胶塞，将所述广口瓶放入温度控制系统中继续培养。

2.根据权利要求1所述的一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置，其特征在于，所述温度控制系统为恒温光照培养箱。

3.根据权利要求1所述的一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置，其特征在于，所述乳胶管的内径小于玻璃管的外径。

4.根据权利要求1所述的一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置，其特征在于，所述广口瓶中设有干燥剂包。

5.根据权利要求4所述的一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置，其特征在于，所述干燥剂包采用变色硅胶制成。

6.根据权利要求4所述的一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置，其特征在于，所述干燥剂包通过连接绳悬空设置于广口瓶内。

7.一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置，其特征在于，包括设置于温度控制系统中、用于盛放土壤样本的广口瓶，与所述广口瓶匹配的带孔橡胶塞，带孔橡胶塞上至少设有两个孔、且每个孔内设有与其匹配的玻璃管，玻璃管的顶端和底端分别设置于带孔橡胶塞的两侧，且两个玻璃管的顶端均设有乳胶管，乳胶管的顶端采用止水夹封堵，使广口瓶形成一个密封的空间；

所述实验装置还包括用于检测广口瓶内气体浓度的便携式气体分析仪，便携式气体分析仪的两侧分别设有入气口、出气口，所述入气口通过管道与一个玻璃管顶端的乳胶管连通，所述出气口与另一个玻璃管顶端的乳胶管连通。

8.根据权利要求7所述的一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验装置，其特征在于，所述便携式气体分析仪采用LI6400便携式光合作用测定仪或GEM5000便携式沼气分析仪。