一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置及方法
【专利摘要】一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置及方法，装置包括玻璃瓶、带有气体采集接口的瓶盖、导气管、CO2分析仪，瓶盖拧到玻璃瓶上，通过气体采集接口和导气管连接到CO2分析仪上，所述瓶盖上设置钻孔，钻孔内插入螺纹螺丝，以垫圈密封螺纹螺丝与瓶盖接触面，螺纹螺丝上方露出瓶盖部分有一个圆形突出部，突出部上设置有内凹槽。本发明气体形成一个在密闭管路内的动态循环过程，避免了气体不流动的情况，有利于提高测定结果的准确性。测定时间较短，最短时长可设定为1分钟至3分钟之内，测定完一个土壤样品后，可以立刻测定下一个样品，从而能够实现大批量土壤样品的快速测定。
【专利说明】一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生态与气象环境调控领域，具体涉及一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置及方法。
【背景技术】
[0002]土壤CO2通量是碳循环中I个重要过程，全球每年因土壤CO2排放向大气中释放的碳的估算值约为5(Tl20 Pg (I Pg=I X 1015g)，其量值仅次于全球陆地总初级生产力(GPP)的估算值。目前，人们对生态系统中“地上”过程的研究已相对较多，而对“地下”过程的研究尚不透彻，土壤呼吸对生态系统碳平衡具有重要影响，阐明土壤CO2通量的过程及其影响因子对理解陆地碳循环极为关键。
[0003]由于土壤CO2通量在碳循环中的重要作用，国内外科学家已就土壤CO2通量的观测方法、过程与影响机制、定量评估方面开展了一些研究。以往关于土壤CO2通量的观测方法和设备主要针对野外土壤CO2排放的观测，其观测仪器主要有静态箱-气相色谱、便携式土壤呼吸仪，但这些研究方法存在一些问题:当观测地点在野外，观测的土壤CO2通量包含了根呼吸和土壤异养呼吸，不能重点针对土壤CO2排放的影响因素和机制开展研究；把土壤样品采集回实验室分析CO2通量时，若采气口设计不合理会造成密闭容器中的压力过大，进而影响气体通量测定效果，实验结果的可靠性也大大降低，不能达到预期的实验目的。因此，需要采用新型方法来解决土壤CO2通量不能准确测定的问题，为开展农田土壤碳循环研究工作提供必需的实验装置。
[0004]发明目的
本发明的目的是提供一种快速测定土壤CO2通量的装置及方法，实现不同土壤、不同外源营养源添加、不同温度、不同湿度处理下土壤CO2通量的快速检测。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术手段是:
一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置，该装置包括玻璃瓶1、带有导气口 3的瓶盖2，导气管4、CO2分析仪5，瓶盖2拧到玻璃瓶I上，通过导气口 3和导气管4连接到CO2分析仪5上，所述瓶盖2上设置钻孔6，钻孔内插入螺纹螺丝7，以垫圈8密封螺纹螺丝与瓶盖接触面，螺纹螺丝上方露出瓶盖部分有一个圆形突出部9，突出部9上设置有内凹槽10，设置内凹槽的作用为增强该螺纹螺丝与外接橡胶管的气密性。
[0006]所述钻孔6为两个,两个钻孔在同一直径上对称分布。
[0007]所述瓶盖2材质为不锈钢。
[0008]所述螺纹螺丝7的材质为铜。
[0009]所述垫圈8为六角形钢制垫圈或者圆形塑料垫圈。
[0010]一种利用上述装置测定土壤二氧化碳通量的方法，其特征在于:打开CO2分析仪进行预热，并将带有气体采集接口的不锈钢瓶盖通过集气口和导气管连接到CO2分析仪上，在玻璃瓶内平铺一层土壤，再将不锈钢瓶盖拧到玻璃瓶上，形成一个循环闭合的通路，开始测定。[0011]所述在玻璃瓶内平铺一层土壤，土壤量为6(Tl50g，土壤含水量保持为25%。
[0012]有益效果:
本发明取得的有益效果:
(I)气体形成一个在密闭管路内的动态循环过程(见附图1)，避免了气体不流动的情况，有利于提高测定结果的准确性。
[0013](2)导气口为金属材质，采用多皱褶设计(见附图2、3、4、5)，使导气管与导气口能够紧密结合；金属导气口与瓶盖接触面采用垫圈缓冲和密封，这些措施保证了气密性，能提高气体通量测定精度。
[0014](3)玻璃瓶为透明材质，也可刷上黑漆以使玻璃瓶内黑暗，这样可模拟土壤在白天和黑夜下的条件，这能是测定结果接近真实情况。
[0015](4)测定时间较短，最短时长可设定为I分钟至3分钟之内，测定完一个土壤样品后，可以立刻测定下一个样品，从而能够实现大批量土壤样品的快速测定。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1.测定方法流程简图
图2.瓶盖及导气口装置插孔俯视图 图3.瓶盖及导气口装置侧视图 图4.瓶盖及导气口装置外侧俯视图 图5.瓶盖及导气口装置内侧俯视图
其中:1-玻璃瓶，2-瓶盖，3-导气口，4-导气管，5- CO2分析仪，6-钻孔，7-螺纹螺丝，8-垫圈，9-突出部，10-内凹槽。
【具体实施方式】
[0017]实施例1测定土壤CO2通量的装置及方法
一种测定土壤CO2通量的装置及方法，见图1所示，该装置包括带瓶盖2的玻璃瓶1、导气口 3、导气管4、CO2分析仪5，瓶盖拧到玻璃瓶上，通过导气口 3和导气管4连接到CO2分析仪5上，玻璃瓶容积825 ml，外直径8 cm。玻璃瓶配套的瓶盖材质为不锈钢，瓶盖外直径为8 cm，沿瓶盖直径距离两边缘3 cm处设置两个钻孔6，每个钻孔直径3 _。每个钻孔插入一个长度29 mm螺纹螺丝7，螺纹螺丝为铜材质，螺纹螺丝内孔径2 mm。以六角形钢制垫圈8密封该螺纹螺丝与瓶盖内底面接触面；螺纹螺丝上方露出部分有一个圆形突出部9，以圆形塑料垫圈8垫于突出部下方，以密封该螺纹螺丝与瓶盖外侧面接触面。螺纹螺丝在瓶盖上方露出部分顶端往下I cm处有3个内凹槽10，其作用为增强该螺纹螺丝与外接橡胶管的气密性。
[0018]称取60 g用2 _ 土壤筛过筛后的土壤，平铺放入玻璃瓶中，用量筒加水，调节含水量至25%，风干土和水共80克，在培养箱中20°C的条件下预培养10天。每天定时添加水，使含水量保持为25%。
[0019]可每天或每隔一天测定土壤CO2通量。测定前，预先打开CO2分析仪进行预热，并将带有气体采集接口的不锈钢瓶盖通过集气口和导气管连接到CO2分析仪上。从培养箱中取出玻璃瓶，再将不锈钢瓶盖拧到玻璃瓶上，形成一个循环闭合的通路，开始测定。[0020]实施例2:不同外源氮添加量对土壤CO2通量的影响 实验分三个阶段:土壤添加及预培养、处理和分析测定。
[0021]土壤添加及预培养:称取60 g用2 _ 土壤筛过筛后的土壤，平铺放入玻璃瓶中，用量筒加水，调节含水量至25%，风干土和水共80克，在培养箱中20°C的条件下预培养10天。每天定时添加水，使含水量保持为25%。
[0022]处理:实验中所用外源氮为硝酸铵，设置17个硝酸铵梯度: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。每天定时添加水，
使含水量保持为25%。
[0023]分析测定:在将氮肥添加到土壤中的第1、2、3、5、7、11、14、17、20、26天后测定土
壤CO2的通量。采用实施例1的测定土壤CO2通量的装置对土壤CO2通量进行测定，打开CO2分析仪进行预热，并将带有气体采集接口的不锈钢瓶盖通过集气口和导气管连接到CO2分析仪上。从培养箱中取出玻璃瓶，再将不锈钢瓶盖拧到玻璃瓶上，形成一个循环闭合的通路，开始测定。并在26天的通量测定完成后，测定土壤水溶性有机碳、阴离子、电导率、pH,从而分析不同氮源添加条件下土壤CO2通量差异的原因。
[0024]结果与分析:
在添加不同氮肥条件下，一方面，土壤微生物的营养源会发生变化，微生物群落结构会相应改变；另一方面，少量氮肥的添加可促进土壤微生物的生长，而过量氮肥的添加反而会抑制土壤微生物的生长。因此，添加不同氮肥会导致土壤CO2通量发生改变，改变的程度取决于土壤原有氮营养的丰富程度。
[0025]实施例3:不同秸杆添加量对土壤CO2通量的影响
采用实施例1的测定土壤CO2通量的方法对土壤CO2通量进行测定，打开CO2分析仪进行预热，并将带有气体采集接口的不锈钢瓶盖通过集气口和导气管连接到CO2分析仪上。从培养箱中取出玻璃瓶，再将不锈钢瓶盖拧到玻璃瓶上，形成一个循环闭合的通路，开始测定。
[0026]该实例包括土壤添加及预培养、处理、分析测定三个阶段。其中预培养步骤与实施例一中的预培养步骤相同。
[0027]处理:预先将小麦秸杆风干、研磨成粉，设置15个秸杆添加量水平，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，用万分之一天平准确称量，在10天的预培养结束后，添加
到80 g 土壤中。每天定时向玻璃瓶内的土壤上添加水，使土壤含水量保持为25%。
[0028]分析测定:在添加秸杆后的第1、2、3、5、7、11、14、17、20、26天测定土壤CO2的通量。其他理化性质分析步骤同实施例1。
[0029]结果与分析:
在添加不同秸杆的条件下，土壤中可供分解的碳氮营养源都增加，土壤微生物活动增强，土壤CO2通量也相应增大。其中，土壤总CO2通量包括两部分，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产生的CO2通量。秸杆添加量与土壤CO2通量的关系可用一元线性方程描述，土壤CO2通量随秸杆添加量的增加而呈线性增加趋势。
[0030]实施例4:不同土壤温度对不同土壤CO2通量的影响 采用实施例1的测定土壤CO2通量的装置对土壤CO2通量进行测定，打开CO2分析仪进行预热，并将带有气体采集接口的不锈钢瓶盖通过集气口和导气管连接到CO2分析仪上。从培养箱中取出玻璃瓶，再将不锈钢瓶盖拧到玻璃瓶上，形成一个循环闭合的通路，开始测定。
[0031]该实例包括土壤添加及预培养、处理、分析测定三个阶段。
[0032]土壤添加及预培养:选取水稻土、潮土、黑土、红壤的代表土壤。称取150 g用2 _土壤筛过筛后的土壤，平铺在玻璃瓶底部，调节含水量至25%。每个土壤共设置5个玻璃瓶(5个重复)。在培养箱中20°C的条件下培养10天。每天定时添加水，使含水量保持为25%。
[0033]处理:将呈有土壤的玻璃瓶放入培养箱中，分别设定O°C、5°C、10°C、15°C、20°C、25°C、30°C共7个温度梯度。每天定时添加水，使含水量保持为25%。
[0034]分析测定:
在控温处理后的第1、2、3、5、7、11、14、17、20、26天测定土壤0)2的通量。每次测定时，
待土壤在各温度下稳定一段时间后再测定土壤CO2通量。
[0035]结果与分析:
不同土壤类型的微生物区系结构存在差别，其区系结构与土壤的养分条件、质地、结构都有关系，一般而言，黑土养分条件最为丰富，其可供微生物分解的碳营养源也相对更多，因而黑土的CO2通量也最大。在长期淹水条件下，水稻土的有机碳分解过程相对缓慢，这有利于有机碳的积累，其碳营养源也较为丰富，因而水稻土的CO2通量也相对较高。大多数红壤为酸性，养分条件也相对较差，其CO2通量也相对较低。
【权利要求】
1.一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置，其特征在于:该装置包括玻璃瓶(I)、带有导气口(3)的瓶盖(2)、导气管(4)、C02分析仪(5)，瓶盖(2)拧到玻璃瓶(I)上，通过导气口(3)和导气管(4)连接到CO2分析仪(5)上，所述瓶盖(2)上设置钻孔(6)，钻孔内插入螺纹螺丝(7)，以垫圈(8)密封螺纹螺丝与瓶盖接触面，螺纹螺丝上方露出瓶盖部分有一个圆形突出部(9)，突出部(9)上设置有内凹槽(10)。
2.根据权利要求1所述的一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置，其特征在于:所述钻孔(6)为两个，两个钻孔在同一直径上对称分布。
3.根据权利要求1或2所述的一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置，其特征在于:所述瓶盖(2)材质为不锈钢。
4.根据权利要求1或2所述的一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置，其特征在于:所述螺纹螺丝(7)的材质为铜。
5.根据权利要求1所述的一种快速测定土壤二氧化碳通量的装置，其特征在于:所述垫圈(8)为六角形钢制垫圈或者圆形塑料垫圈。
6.一种利用权利要求1-5中任意一项的装置测定土壤二氧化碳通量的方法，其特征在于:打开CO2分析仪进行预热，并将带有气体采集接口的不锈钢瓶盖通过集气口和导气管连接到CO2分析仪上，在玻璃瓶内平铺一层土壤，再将不锈钢瓶盖拧到玻璃瓶上，形成一个循环闭合的通路，开始测定。
7.根据权利要求6所述的测定土壤二氧化碳通量的方法，其特征在于:所述在玻璃瓶内平铺一层土壤，土壤量为6(Tl50g，土壤含水量保持为25%。
【文档编号】G01N33/24GK103630667SQ201310580402
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2013年11月19日
【发明者】陈书涛, 胡正华, 刘燕, 高慧, 王圆媛, 汪萌, 李宏娜 申请人:南京信息工程大学