一種快速測定土壤二氧化碳通量的裝置及方法
2023-09-17 09:56:35
一種快速測定土壤二氧化碳通量的裝置及方法
【專利摘要】一種快速測定土壤二氧化碳通量的裝置及方法，裝置包括玻璃瓶、帶有氣體採集接口的瓶蓋、導氣管、CO2分析儀，瓶蓋擰到玻璃瓶上，通過氣體採集接口和導氣管連接到CO2分析儀上，所述瓶蓋上設置鑽孔，鑽孔內插入螺紋螺絲，以墊圈密封螺紋螺絲與瓶蓋接觸面，螺紋螺絲上方露出瓶蓋部分有一個圓形突出部，突出部上設置有內凹槽。本發明氣體形成一個在密閉管路內的動態循環過程，避免了氣體不流動的情況，有利於提高測定結果的準確性。測定時間較短，最短時長可設定為1分鐘至3分鐘之內，測定完一個土壤樣品後，可以立刻測定下一個樣品，從而能夠實現大批量土壤樣品的快速測定。
【專利說明】一種快速測定土壤二氧化碳通量的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於生態與氣象環境調控領域，具體涉及一種快速測定土壤二氧化碳通量的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]土壤CO2通量是碳循環中I個重要過程，全球每年因土壤CO2排放向大氣中釋放的碳的估算值約為5(Tl20 Pg (I Pg=I X 1015g)，其量值僅次於全球陸地總初級生產力(GPP)的估算值。目前，人們對生態系統中「地上」過程的研究已相對較多，而對「地下」過程的研究尚不透徹，土壤呼吸對生態系統碳平衡具有重要影響，闡明土壤CO2通量的過程及其影響因子對理解陸地碳循環極為關鍵。
[0003]由於土壤CO2通量在碳循環中的重要作用，國內外科學家已就土壤CO2通量的觀測方法、過程與影響機制、定量評估方面開展了一些研究。以往關於土壤CO2通量的觀測方法和設備主要針對野外土壤CO2排放的觀測，其觀測儀器主要有靜態箱-氣相色譜、可攜式土壤呼吸儀，但這些研究方法存在一些問題:當觀測地點在野外，觀測的土壤CO2通量包含了根呼吸和土壤異養呼吸，不能重點針對土壤CO2排放的影響因素和機制開展研究；把土壤樣品採集回實驗室分析CO2通量時，若採氣口設計不合理會造成密閉容器中的壓力過大，進而影響氣體通量測定效果，實驗結果的可靠性也大大降低，不能達到預期的實驗目的。因此，需要採用新型方法來解決土壤CO2通量不能準確測定的問題，為開展農田土壤碳循環研究工作提供必需的實驗裝置。
[0004]發明目的
本發明的目的是提供一種快速測定土壤CO2通量的裝置及方法，實現不同土壤、不同外源營養源添加、不同溫度、不同溼度處理下土壤CO2通量的快速檢測。
[0005]為了達到上述目的，本發明所採用的技術手段是:
一種快速測定土壤二氧化碳通量的裝置，該裝置包括玻璃瓶1、帶有導氣口 3的瓶蓋2，導氣管4、CO2分析儀5，瓶蓋2擰到玻璃瓶I上，通過導氣口 3和導氣管4連接到CO2分析儀5上，所述瓶蓋2上設置鑽孔6，鑽孔內插入螺紋螺絲7，以墊圈8密封螺紋螺絲與瓶蓋接觸面，螺紋螺絲上方露出瓶蓋部分有一個圓形突出部9，突出部9上設置有內凹槽10，設置內凹槽的作用為增強該螺紋螺絲與外接橡膠管的氣密性。
[0006]所述鑽孔6為兩個,兩個鑽孔在同一直徑上對稱分布。
[0007]所述瓶蓋2材質為不鏽鋼。
[0008]所述螺紋螺絲7的材質為銅。
[0009]所述墊圈8為六角形鋼製墊圈或者圓形塑料墊圈。
[0010]一種利用上述裝置測定土壤二氧化碳通量的方法，其特徵在於:打開CO2分析儀進行預熱，並將帶有氣體採集接口的不鏽鋼瓶蓋通過集氣口和導氣管連接到CO2分析儀上，在玻璃瓶內平鋪一層土壤，再將不鏽鋼瓶蓋擰到玻璃瓶上，形成一個循環閉合的通路，開始測定。[0011]所述在玻璃瓶內平鋪一層土壤，土壤量為6(Tl50g，土壤含水量保持為25%。
[0012]有益效果:
本發明取得的有益效果:
(I)氣體形成一個在密閉管路內的動態循環過程(見附圖1)，避免了氣體不流動的情況，有利於提高測定結果的準確性。
[0013](2)導氣口為金屬材質，採用多皺褶設計(見附圖2、3、4、5)，使導氣管與導氣口能夠緊密結合；金屬導氣口與瓶蓋接觸面採用墊圈緩衝和密封，這些措施保證了氣密性，能提高氣體通量測定精度。
[0014](3)玻璃瓶為透明材質，也可刷上黑漆以使玻璃瓶內黑暗，這樣可模擬土壤在白天和黑夜下的條件，這能是測定結果接近真實情況。
[0015](4)測定時間較短，最短時長可設定為I分鐘至3分鐘之內，測定完一個土壤樣品後，可以立刻測定下一個樣品，從而能夠實現大批量土壤樣品的快速測定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1.測定方法流程簡圖
圖2.瓶蓋及導氣口裝置插孔俯視圖 圖3.瓶蓋及導氣口裝置側視圖 圖4.瓶蓋及導氣口裝置外側俯視圖 圖5.瓶蓋及導氣口裝置內側俯視圖
其中:1-玻璃瓶，2-瓶蓋，3-導氣口，4-導氣管，5- CO2分析儀，6-鑽孔，7-螺紋螺絲，8-墊圈，9-突出部，10-內凹槽。
【具體實施方式】
[0017]實施例1測定土壤CO2通量的裝置及方法
一種測定土壤CO2通量的裝置及方法，見圖1所示，該裝置包括帶瓶蓋2的玻璃瓶1、導氣口 3、導氣管4、CO2分析儀5，瓶蓋擰到玻璃瓶上，通過導氣口 3和導氣管4連接到CO2分析儀5上，玻璃瓶容積825 ml，外直徑8 cm。玻璃瓶配套的瓶蓋材質為不鏽鋼，瓶蓋外直徑為8 cm，沿瓶蓋直徑距離兩邊緣3 cm處設置兩個鑽孔6，每個鑽孔直徑3 _。每個鑽孔插入一個長度29 mm螺紋螺絲7，螺紋螺絲為銅材質，螺紋螺絲內孔徑2 mm。以六角形鋼製墊圈8密封該螺紋螺絲與瓶蓋內底面接觸面；螺紋螺絲上方露出部分有一個圓形突出部9，以圓形塑料墊圈8墊於突出部下方，以密封該螺紋螺絲與瓶蓋外側面接觸面。螺紋螺絲在瓶蓋上方露出部分頂端往下I cm處有3個內凹槽10，其作用為增強該螺紋螺絲與外接橡膠管的氣密性。
[0018]稱取60 g用2 _ 土壤篩過篩後的土壤，平鋪放入玻璃瓶中，用量筒加水，調節含水量至25%，風乾土和水共80克，在培養箱中20°C的條件下預培養10天。每天定時添加水，使含水量保持為25%。
[0019]可每天或每隔一天測定土壤CO2通量。測定前，預先打開CO2分析儀進行預熱，並將帶有氣體採集接口的不鏽鋼瓶蓋通過集氣口和導氣管連接到CO2分析儀上。從培養箱中取出玻璃瓶，再將不鏽鋼瓶蓋擰到玻璃瓶上，形成一個循環閉合的通路，開始測定。[0020]實施例2:不同外源氮添加量對土壤CO2通量的影響 實驗分三個階段:土壤添加及預培養、處理和分析測定。
[0021]土壤添加及預培養:稱取60 g用2 _ 土壤篩過篩後的土壤，平鋪放入玻璃瓶中，用量筒加水，調節含水量至25%，風乾土和水共80克，在培養箱中20°C的條件下預培養10天。每天定時添加水，使含水量保持為25%。
[0022]處理:實驗中所用外源氮為硝酸銨，設置17個硝酸銨梯度:0.0000 g(CK)、0.0001g、0.0003 g、0.0006 g、0.0010 g、0.0015 g、0.0021 g、0.0028 g、0.0036 g、0.0045 g、
0.0055 g、0.0066 g、0.0078 g、0.0091 g、0.0200 g、0.0500 g、0.100 g。每天定時添加水，
使含水量保持為25%。
[0023]分析測定:在將氮肥添加到土壤中的第1、2、3、5、7、11、14、17、20、26天後測定土
壤CO2的通量。採用實施例1的測定土壤CO2通量的裝置對土壤CO2通量進行測定，打開CO2分析儀進行預熱，並將帶有氣體採集接口的不鏽鋼瓶蓋通過集氣口和導氣管連接到CO2分析儀上。從培養箱中取出玻璃瓶，再將不鏽鋼瓶蓋擰到玻璃瓶上，形成一個循環閉合的通路，開始測定。並在26天的通量測定完成後，測定土壤水溶性有機碳、陰離子、電導率、pH,從而分析不同氮源添加條件下土壤CO2通量差異的原因。
[0024]結果與分析:
在添加不同氮肥條件下，一方面，土壤微生物的營養源會發生變化，微生物群落結構會相應改變；另一方面，少量氮肥的添加可促進土壤微生物的生長，而過量氮肥的添加反而會抑制土壤微生物的生長。因此，添加不同氮肥會導致土壤CO2通量發生改變，改變的程度取決於土壤原有氮營養的豐富程度。
[0025]實施例3:不同秸杆添加量對土壤CO2通量的影響
採用實施例1的測定土壤CO2通量的方法對土壤CO2通量進行測定，打開CO2分析儀進行預熱，並將帶有氣體採集接口的不鏽鋼瓶蓋通過集氣口和導氣管連接到CO2分析儀上。從培養箱中取出玻璃瓶，再將不鏽鋼瓶蓋擰到玻璃瓶上，形成一個循環閉合的通路，開始測定。
[0026]該實例包括土壤添加及預培養、處理、分析測定三個階段。其中預培養步驟與實施例一中的預培養步驟相同。
[0027]處理:預先將小麥秸杆風乾、研磨成粉，設置15個秸杆添加量水平，即:0.0000 g(CK)、0.001g、0.003g、0.050g、0.070g、0.090g、0.110g、0.130g、0.150g、0.170g、0.190g、
0.210g、0.230g、0.250g、0.270g，用萬分之一天平準確稱量，在10天的預培養結束後，添加
到80 g 土壤中。每天定時向玻璃瓶內的土壤上添加水，使土壤含水量保持為25%。
[0028]分析測定:在添加秸杆後的第1、2、3、5、7、11、14、17、20、26天測定土壤CO2的通量。其他理化性質分析步驟同實施例1。
[0029]結果與分析:
在添加不同秸杆的條件下，土壤中可供分解的碳氮營養源都增加，土壤微生物活動增強，土壤CO2通量也相應增大。其中，土壤總CO2通量包括兩部分，一部分是原有土壤的CO2排放，另一部分是新增加秸杆的分解所產生的CO2通量。秸杆添加量與土壤CO2通量的關係可用一元線性方程描述，土壤CO2通量隨秸杆添加量的增加而呈線性增加趨勢。
[0030]實施例4:不同土壤溫度對不同土壤CO2通量的影響 採用實施例1的測定土壤CO2通量的裝置對土壤CO2通量進行測定，打開CO2分析儀進行預熱，並將帶有氣體採集接口的不鏽鋼瓶蓋通過集氣口和導氣管連接到CO2分析儀上。從培養箱中取出玻璃瓶，再將不鏽鋼瓶蓋擰到玻璃瓶上，形成一個循環閉合的通路，開始測定。
[0031]該實例包括土壤添加及預培養、處理、分析測定三個階段。
[0032]土壤添加及預培養:選取水稻土、潮土、黑土、紅壤的代表土壤。稱取150 g用2 _土壤篩過篩後的土壤，平鋪在玻璃瓶底部，調節含水量至25%。每個土壤共設置5個玻璃瓶(5個重複)。在培養箱中20°C的條件下培養10天。每天定時添加水，使含水量保持為25%。
[0033]處理:將呈有土壤的玻璃瓶放入培養箱中，分別設定O°C、5°C、10°C、15°C、20°C、25°C、30°C共7個溫度梯度。每天定時添加水，使含水量保持為25%。
[0034]分析測定:
在控溫處理後的第1、2、3、5、7、11、14、17、20、26天測定土壤0)2的通量。每次測定時，
待土壤在各溫度下穩定一段時間後再測定土壤CO2通量。
[0035]結果與分析:
不同土壤類型的微生物區繫結構存在差別，其區繫結構與土壤的養分條件、質地、結構都有關係，一般而言，黑土養分條件最為豐富，其可供微生物分解的碳營養源也相對更多，因而黑土的CO2通量也最大。在長期淹水條件下，水稻土的有機碳分解過程相對緩慢，這有利於有機碳的積累，其碳營養源也較為豐富，因而水稻土的CO2通量也相對較高。大多數紅壤為酸性，養分條件也相對較差，其CO2通量也相對較低。
【權利要求】
1.一種快速測定土壤二氧化碳通量的裝置，其特徵在於:該裝置包括玻璃瓶(I)、帶有導氣口(3)的瓶蓋(2)、導氣管(4)、C02分析儀(5)，瓶蓋(2)擰到玻璃瓶(I)上，通過導氣口(3)和導氣管(4)連接到CO2分析儀(5)上，所述瓶蓋(2)上設置鑽孔(6)，鑽孔內插入螺紋螺絲(7)，以墊圈(8)密封螺紋螺絲與瓶蓋接觸面，螺紋螺絲上方露出瓶蓋部分有一個圓形突出部(9)，突出部(9)上設置有內凹槽(10)。
2.根據權利要求1所述的一種快速測定土壤二氧化碳通量的裝置，其特徵在於:所述鑽孔(6)為兩個，兩個鑽孔在同一直徑上對稱分布。
3.根據權利要求1或2所述的一種快速測定土壤二氧化碳通量的裝置，其特徵在於:所述瓶蓋(2)材質為不鏽鋼。
4.根據權利要求1或2所述的一種快速測定土壤二氧化碳通量的裝置，其特徵在於:所述螺紋螺絲(7)的材質為銅。
5.根據權利要求1所述的一種快速測定土壤二氧化碳通量的裝置，其特徵在於:所述墊圈(8)為六角形鋼製墊圈或者圓形塑料墊圈。
6.一種利用權利要求1-5中任意一項的裝置測定土壤二氧化碳通量的方法，其特徵在於:打開CO2分析儀進行預熱，並將帶有氣體採集接口的不鏽鋼瓶蓋通過集氣口和導氣管連接到CO2分析儀上，在玻璃瓶內平鋪一層土壤，再將不鏽鋼瓶蓋擰到玻璃瓶上，形成一個循環閉合的通路，開始測定。
7.根據權利要求6所述的測定土壤二氧化碳通量的方法，其特徵在於:所述在玻璃瓶內平鋪一層土壤，土壤量為6(Tl50g，土壤含水量保持為25%。
【文檔編號】G01N33/24GK103630667SQ201310580402
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月19日 優先權日:2013年11月19日
【發明者】陳書濤, 胡正華, 劉燕, 高慧, 王圓媛, 汪萌, 李宏娜 申請人:南京信息工程大學