基於稻田土壤溶液的稻田溫室氣體測量方法與流程
2023-05-28 20:37:57
本發明屬於農業生態環境監測技術領域，特別是一種操作簡單、測量準確的基於稻田土壤溶液的稻田溫室氣體測量方法。
背景技術：
全球氣候變化是當今國際社會普遍關注的問題，也是當前人類面臨的最為嚴峻的環境問題，氣候變暖則是它的一個重要體現。二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)是三種典型且最重要的溫室氣體。大氣中CO2、CH4、N2O等溫室氣體濃度增高是導致全球變暖的主要原因。農田是陸地生態系統的主要組成，也是溫室氣體的重要排放源。全球農業生產活動排放的溫室氣體佔人類活動排放量的10-12％，土壤中有機質的分解是大氣CO2濃度升高的重要原因之一，同時土壤也是CH4和N2O的重要排放源。據統計，全球每年稻田排放CH4的總量約佔總排放量的12％，通過土壤硝化和反硝化作用排放的N2O佔整個生物圈所釋放總量的70％-90％。因此減少農田的CO2、CH4、N2O的排放，對緩解全球變暖起著積極的作用。
要想減少農田的CO2、CH4、N2O的排放，首先我們應該找到合適的方法去預測農田中CO2、CH4、N2O的排放情況，然後再採取相應的減排措施，比如選取適宜的水稻品種、對稻田水分的嚴格管理、科學用肥，積極研製環保型肥料、秸稈還田等舉措。
目前，稻田中溫室氣體排放測定的方法有很多，最常用的是採用箱法(又可分為靜態箱-氣相色譜法和動態箱-氣相色譜法)來採集並測定溫室氣體的濃度。箱法的工作原理是用特製的採樣裝置在一定面積的土壤及其植物上方，並隔絕箱內外氣體的自由交換，測定箱內空氣中被測溫室氣體隨時間的變化，並據此計算得到該氣體的交換通量。以靜態箱法為例闡述，靜態箱法是在保持位於被測地塊上方的箱內空氣與外界沒有任何交換的情況下，通過在一段不太長的時間內(如十幾分鐘)箱內被測氣體的濃度變化來獲得該氣體的界面交換通量。因此使用靜態箱法最重要也是比較困難的一點就是在整個過程中保持絕對密閉性。儘管它具有原理簡單、儀器想對廉價、操作容易、靈敏度高等優點，但是其測定溫室氣體通量具有不確定性，同時此方法採樣時間太長易導致箱內痕量氣體濃度過飽和，如果時間太短，測得的痕量氣體排放通量的變異很大，不具有代表性，且人為擾動誤差較大，一定程度上限制了此方法的推廣應用。
另外一種常用的方法是微氣象法，它的基本原理是在近地層中，渦流擴散是氣體傳輸的基本過程，因此測量近地層的渦流狀況和被測氣體的濃度便可獲得該氣體的通量值。用微氣象法獲得氣體通量值的基本條件的微氣象參數測量必須在常通量層中進行。因此使用這種方法時要求測試地為大面積均勻地地表狀況。在某一高度上測量得到的氣體輸送通量被認為是測點附近地表的該氣體交換通量。而此方法控制條件要求較高、需要的設備成本較大，過程相對複雜，幹擾因素也很多，應用上也受到一定的限制。
土壤溶液是土壤中水分及其所含溶質的總稱。土壤溶液的組成有一定規律，它反映土壤類型的歷史與特性，也反映季節性動態及農用情況。它與固相部分緊密接觸，並與固相表面保持動態平衡狀態。其組成與活性隨外界(大氣、水、生物)環境的變化而有所變化。在一定程度上，它是連接土壤呼吸與植物根系呼吸的紐帶，對土壤中的物質轉化、氣體交換和植物的營養起著重要的作用。土壤溶液已成為土壤、植物營養、生態環境等學科的重要研究內容。
因此，現有技術存在的問題是：如何簡單、準確地測量稻田溫室氣體排放情況。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於稻田土壤溶液的稻田溫室氣體測量方法，操作簡單、測量結果準確。
實現本發明目的的技術解決方案為：
一種基於稻田土壤溶液的稻田溫室氣體測量方法，包括如下步驟：
(10)土壤溶液採集：利用土壤溶液採集器採集稻田不同土壤深度處的土壤溶液；
(20)土壤溶液靜置：將土壤溶液注入真空瓶中，充入純N2，靜置平衡24小時；
(30)溫室氣體測定：在25攝氏度下，採用氣相色譜儀測量靜置後的土壤溶液中溫室氣體的濃度。
所述(10)土壤溶液採集步驟中，土壤深度分別為5cm、15cm。
所述(10)土壤溶液採集步驟具體為：
在稻田不同土壤深度處預埋土壤溶液採集器，每個土壤溶液採集器與一注射器相連，抽吸注射器，即可得到稻田不同土壤深度處的土壤溶液。
所述(20)土壤溶液靜置步驟包括：
(21)真空瓶抽空：用真空泵將真空瓶抽真空，以橡皮塞密封；
(22)土壤溶液注入：用注射器針頭穿透真空瓶橡皮塞，將5mL土壤溶液注入所述真空瓶；
(23)搖勻靜置：將注入土壤溶液的真空瓶搖勻，充入純N2，靜置平衡24小時，待測。
所述(30)溫室氣體測定步驟包括：
(31)在25攝氏度下，採用氣相色譜儀分別測量靜置後的土壤溶液中CO2、CH4、N2O的濃度，單位為ppm，樣品氣體濃度＝標樣濃度×樣品峰面積/標樣峰面積；
(32)根據下式計算CO2、CH4、N2O的濃度(mg/L)，
式中，Vg為真空瓶內氣體的體積，mL；Vl為真空瓶內液體的體積，mL，B為本生係數，本生係數Bunsen Coefficient＝0.87，即單位體積的溶劑所吸收的，換算到標準狀態下，273.15K，0.1MPa)，的氣體體積；Cg為真空瓶內氣體的濃度，ppm)Ca為空白瓶內氣體的濃度，ppm；T為測定時的溫度，℃。
本發明與現有技術相比，其顯著優點為：
操作簡單、測量準確。
本發明利用土壤溶液採集器採集稻田耕層不同深度(5cm、15cm)的土壤溶液，並往真空瓶中打入5mL的土壤溶液，平衡24h之後測定真空瓶中溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的濃度，以之估測稻田中溫室氣體的排放情況。與已有的技術相比，其優點在於材料方便易得，成本低廉，操作過程簡單，測定的結果可靠有效，具有很強的代表性；同時也為節省人力物力、提高工作效率、科學研究稻田溫室氣體排放的時空變化規律，並為用於溫室氣體排放的研究提供了一個有效途徑。
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細描述。
附圖說明
圖1為本發明基於稻田土壤溶液的稻田溫室氣體測量方法的主流程圖。
圖2為圖1中土壤溶液採集步驟的工作原理圖。
圖3為圖1中土壤溶液靜置步驟的工作原理圖。
圖4為不同生育期稻田土壤溶液中溫室氣體排放通量測量結果示例。圖中，F5、F15分別代表臭氧濃度升高處理下5cm、15cm深度採集的土壤溶液，A5、A15分別代表正常大氣對照處理下5cm、15cm深度採集的土壤溶液。
具體實施方式
實例1
在移栽水稻之前，在稻田耕層土壤不同深度(5cm、15cm)埋設好土壤溶液採集器。移栽好水稻後，分別在其幼苗期、拔節期、孕穗期、成熟期這四個生育期原位採集土壤溶液，採集的時候醫用注射器、三通閥和土壤溶液採集器相連，利用負壓法分別抽取稻田耕層土壤不同深度(5cm、15cm)的土壤溶液。這樣就完成了土壤溶液的採集工作。
實例2
真空瓶事先用真空泵抽好真空，然後用以上對應的注射器量取大約5mL的土壤溶液，裝上注射器的針頭，刺穿真空瓶的橡皮塞，將5mL土壤溶液緩緩打入真空瓶中。輕輕搖勻真空瓶中的液體，充入純N2平衡真空瓶內氣體後，靜置24h，確保真空瓶中的溶液釋放出來的氣體趨於穩定平衡，以待測。
實例3
CO2、CH4、N2O的濃度用Agilent公司生產的7890A氣相色譜儀測定。根據公式：樣品氣體濃度＝標樣濃度×樣品峰面積/標樣峰面積，計算氣體濃度。具體測定方法如下：
CO2的濃度用Agilent公司生產的7890A氣相色譜儀測定，檢測器為熱導檢測器(TCD)。色譜柱為80/100目Chromosorb填充柱。進樣器、檢測器以及填充柱的溫度分別為100℃、60℃和60℃，載氣為高純氫，壓力分別為300KPa，100KPa，100KPa。載氣流速為80mL/min。用356ppm、653ppm和984ppm的CO2標準氣體校正儀器，由Agilent Chromatopac 7890A積分儀記錄數據，通過標準氣體和待測氣體的峰面積計算待測氣體的濃度。
CH4的濃度用Agilent公司生產的7890A氣相色譜儀測定，檢測器為氫焰離子檢測器(FID)。色譜柱為80/100目Porapak Q的填充柱，柱長2m。進樣器、檢測器以及填充柱的溫度分別為200℃、200℃和80℃，載氣為高純氮，載氣流速為30mL/min，氫氣和空氣流速分別為20mL/min和50mL/min。用10.5ppm的CH4標準氣體校正儀器，由Agilent Chromatopac 7890A積分儀記錄數據，通過標準氣體和待測氣體的峰面積計算待測氣體的濃度。
N2O的濃度用Agilent公司生產的7890A氣相色譜儀測定，檢測器為63Ni電子捕獲檢測器(ECD)。色譜柱為80/100目Porapak Q的填充柱。進樣器、檢測器以及填充柱的溫度分別為100℃、300℃和65℃，用高純氮作為反吹氣，壓力分別為400KPa，50KPa，50KPa；載氣為氬甲烷(95％氬氣+5％甲烷)，壓力分別為309KPa，295KPa，265KPa。載氣流速為40mL/min。用300ppb和1000ppb的N2O標準氣體校正儀器，由Agilent Chromatopac 7890A積分儀記錄數據，通過標準氣體和待測氣體的峰面積計算待測氣體的濃度。
實例4
土壤溶液中CO2、CH4和N2O溫室氣體濃度的計算方法如下：
CO2、CH4和N2O濃度用Agilent公司生產的7890A氣相色譜儀測定。根據公式：樣品氣體濃度＝標樣濃度×樣品峰面積/標樣峰面積，計算氣體濃度(ppm)。CO2、CH4、N2O的濃度(mg/L)根據公式(1)來計算。
式中，Vg為真空瓶內氣體的體積(mL)；Vl為真空瓶內液體的體積(mL)，B為本生係數(Bunsen Coefficient＝0.87)：單位體積的溶劑所吸收的，換算到標準狀態下(273.15K，0.1MPa)下的氣體體積；Cg為真空瓶內氣體的濃度(ppm)；Ca為空白瓶內氣體的濃度(ppm)；T為測定時的溫度(℃)；
最終得出來的CO2、CH4、N2O的氣體濃度數據，經整理畫圖分析後如圖3所示。CO2和N2O的氣體濃度隨著生育期的推進，整體來說呈現顯著降低的趨勢；CH4的氣體濃度呈現先上升後降低的變化，在成熟期達到最低值。臭氧濃度升高條件下，降低了CO2和CH4的氣體濃度，提高了N2O的氣體濃度；且5cm處溫室氣體的排放濃度整體都高於15cm。