一种向原位土壤喂食13CO2的系统与方法与流程

本发明涉及土壤环境研究与检测领域，具体地说，涉及一种向原位土壤喂食¹³CO₂的系统和方法。

背景技术：

大气CO₂的去向问题一直备受争议。近年来越来越多的研究表明大气CO₂能够进入土壤中，经过土壤的物理化学作用和微生物作用，吸收固定，目前该过程多采用稳定同位素的方法进行确定，然而现有研究多采用室内人工模拟的方法进行¹³CO₂的喂食试验，原位土壤的喂食试验因为装置及方法的限制，鲜有研究。

因此，为了更深入、更准确的研究CO₂去向的过程，亟需研发一种向原位土壤喂食¹³CO₂的系统和方法。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种向原位土壤喂食¹³CO₂的系统与方法，以期通过该方法进行研究大气CO₂去向问题。

为了实现本发明目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种向原位土壤喂食¹³CO₂的喂食系统，所述喂食系统包括：用于提供气流的动力装置、用于去除CO₂的过滤装置、喂食装置和CO₂检测装置；上述装置之间通过密封管道依次相连；所述喂食装置的主体为底部开口的容器，容器的侧壁分别设有与容器连通的注气管与排气管。

作为优选，所述装置之间通过可拆卸的橡胶管依次相连。

进一步地，所述注气管与排气管设有用于控制气流进出的阀门。

进一步地，所述过滤装置中装有固体Ca(OH)₂，用于在启动动力装置后，去除进入喂食装置的空气中的CO₂。

进一步地，所述喂食装置在近底部开口处设有可活动的挡板，用于封闭喂食容器中的气体，喂食容器外设有用于控制挡板活动的旋钮。所述挡板与所述旋钮通过连杆相连，所述挡板在所述旋钮旋转下可将所述筒体与外界空气连通或隔绝。所述挡板边缘采用硅胶涂抹，以增强密封性。

所述喂食装置的作用为密封含有一定浓度的¹³CO₂的气体，实现对原位土壤的喂食。因此，其可为刚性装置也可为柔性装置，可透明也可不透明。

为了便于操作，优选所述喂食装置为具有固定形状的容器，可选为筒状、箱状、盒状容器等。

在本发明的一个具体实施方式中，本发明提供了一个较佳的喂食装置，其主体为底部开口的有机玻璃筒，内径为22.5cm，外径为23cm，高为2.5m，距筒体下端20cm处设有与玻璃筒横截面相当的圆形挡板，挡板边缘处涂有硅胶；所述注气管设置在距玻璃筒底部30cm处，所述排气管设置在距玻璃筒顶部10cm处。

应当理解，在此基础上等比例扩大或缩小的喂食装置也属于本发明的保护范围。

进一步地，所述动力装置为市售空气泵(例如购自上海优腾动力科技有限公司的全无油空气压缩机)，为整个系统提供气体流动的动力；所述空气泵与所述过滤装置相连。

所述过滤装置包括干燥管、连接干燥管的橡胶导管；所述干燥管之间分别通过橡胶导管相连，所述干燥管内为固体Ca(OH)₂。外界空气通过盛有固体Ca(OH)₂的所述干燥管，过滤其中的CO₂气体；所述干燥管数量可根据实际运行情况增减。

所述CO₂检测装置为市售CO₂分析仪(二氧化碳检测仪，北京亚欧德鹏科技有限公司)，用于精确测定流经所述喂食装置内气体中CO₂浓度。

第二方面，本发明提供了利用前述喂食系统向原位土壤喂食¹³CO₂的方法，包括如下步骤：

1)将土壤环竖直打入地下，然后将土壤环与喂食装置的底部开口相接并密封；用防水胶带反复缠绕接头，以防止筒体与土壤环接口处漏气；

2)将动力装置、过滤装置、喂食装置和CO₂检测装置相连；

3)打开注气管和排气管上的阀门，开启动力装置(空气泵)，使空气经过滤装置后，进入喂食装置；

4)利用CO₂检测装置检测从喂食装置排气管流出的气体，当CO₂浓度持续为零时关闭注气管和排气管的阀门，撤去动力装置、过滤装置和CO₂检测装置；

5)将注射器接到注气管，打开注气管的阀门，向喂食装置注入¹³CO₂气体，完成¹³CO₂的喂食。

作为优选，为了使过滤装置能够更完全的过滤空气中的CO₂，在所述步骤3)中，控制空气以5～15L·min^-1的流速从动力装置流出。

作为优选，注入的¹³CO₂气体的浓度>99.99％。

作为优选，使注入¹³CO₂气体后，喂食装置中¹³CO₂气体的浓度与大气中CO₂气体的浓度相等或相近。

当喂食装置设有挡板时，所述步骤2)将动力装置、过滤装置、喂食装置和CO₂检测装置相连后，旋转筒体上的旋钮，将挡板置于水平位置，使挡板以上空间处于完全密闭状态。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种向原位土壤喂食¹³CO₂的系统与方法，以期通过该方法进行研究大气CO₂去向问题。利用本发明所述系统可以在最大限度减少外界干扰的情况下进行原位土壤¹³CO₂的喂食，是对现有方法的改进与创新，为研究大气CO₂的去向问题，提供了一种可行、精确、简便的操作方法。

附图说明

图1是本发明所述向原位土壤喂食¹³CO₂的系统的结构示意图；

图2是本发明所述喂食装置的结构示意图；

其中，1、动力装置；2、过滤装置；3、喂食装置；4、CO₂检测装置；5、空气泵；6、盛有Ca(OH)₂的干燥管；7、有机玻璃筒；8、注气管；9、排气管；10、控制挡板开关的旋钮；11、挡板；12、CO₂分析仪；13、排气管开关阀门；14、注气管开关阀门；15、土壤环。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

结合图1所示，一种用于向土壤喂食¹³CO₂的系统，包括动力装置1、过滤装置2、喂食装置3和CO₂检测装置4；其中，

所述动力装置为市售空气泵5；

所述过滤装置包括干燥管6、连接干燥管的橡胶导管；所述干燥管6之间分别通过橡胶导管相连。所述干燥管6内为固体Ca(OH)₂；

所述喂食装置包括有机玻璃筒7、注气管8、排气管9、排气管开关阀门13、注气管开关阀门14、圆形挡板11、控制挡板开关的旋钮10；

所述CO₂检测装置为市售CO₂分析仪12。

所述的空气泵5为整个系统提供气体流动的动力；所述空气泵5与所述过滤装置2相连。

在本发明所述的过滤装置2中，外界空气通过盛有固体Ca(OH)₂的所述干燥管6，过滤其中的CO₂气体；所述干燥管6数量可根据实际运行情况增减。

在本发明所述的喂食装置3中，所述筒体7为有机玻璃筒，所述筒体7上端封口，下端敞开，所述筒体7侧壁上下分别设置注气孔和出气孔，注气孔与所述注气管8相连，出气孔与所述排气管9相连，所述注气管8和所述排气管9均设置所述开关阀门13、14。

所述有机玻璃筒，其规格为内径22.5cm，外径23cm，高2.5m，所述圆形挡板安放位置为距筒体下端20cm处，所述注气管设置在距底部30cm处，所述排气管设置在距顶部10cm处。

所述圆形挡板11与所述旋钮10通过连杆相连，所述圆形挡板11在所述旋钮10旋转下可将所述筒体与外界空气连通或隔绝。

所述圆形挡板11边缘采用硅胶涂抹，以增强密封性。

所述CO₂检测装置4为市售CO₂分析仪12，用于精确测定流经所述喂食装置内气体中CO₂浓度。

实施例2喂食方法

利用实施例1所述系统向土壤喂食¹³CO₂系统喂食土壤¹³CO₂的方法，包括如下步骤：

1)将土壤环15竖直打入地下，然后将土壤环15与喂食装置3相接(图2)，用防水胶带反复缠绕接头，以防止筒体与土壤环接口处漏气；

2)将动力装置1、过滤装置2、喂食装置3和CO₂检测装置4相连；旋转筒体上的旋钮10，使圆形挡板11呈水平状，从而使玻璃筒挡板以上空间处于完全密封状态；

3)打开注气管14和排气管13的开关阀门13、14；开动空气泵5，控制空气以10Lmin^-1的流速从空气泵5中流出，经Ca(OH)₂干燥管6的空气经注气管8进入有机玻璃筒7内，又经排气管9进入CO₂检测装置4；

4)观察CO₂分析仪12的读数变化，当CO₂浓度持续为零时关闭空气泵5，并同时关闭玻璃筒上的注气管开关阀门14和排气管开关阀门13，撤去动力装置1、过滤装置2和CO₂检测装置4，即完成空气中CO₂的去除；

5)用注射器通过玻璃筒下端的注气管14向其内部注入33mL¹³CO₂气体(浓度>99.99％)；缓慢反复旋转挡板11使筒内的气体搅拌均匀，此时玻璃筒内¹³CO₂的浓度与大气CO₂浓度相同，为378μmol mol^-1，完成¹³CO₂气体喂食操作。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。