原位监测土壤冻融装置及基于该装置测定土壤碳损失的方法

文档序号:9808953阅读:535来源:国知局
原位监测土壤冻融装置及基于该装置测定土壤碳损失的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种监测土壤冻融的装置及测定土壤碳损失的方法。
【背景技术】
[0002]土壤冻融交替是由于季节或昼夜热量变化在表土及以下一定深度形成反复冻结-解冻的土壤过程。这种现象在中、高玮度或高海拔地区的土壤非常普遍。冻融交替作用改变了土壤水热状况,直接影响土壤元素的生物地球化学循环过程。冻融格局不同对土壤生化过程的影响差异可能很大,而目前对冻融交替及其格局对土壤剖面(特别是表土和深层土壤生化过程差异)以及整个生态系统养分循环的影响程度和生化重要性仍不十分清楚。
[0003]在我国连续多年冻土区,冻结从地面自上而下和最大融化层深处自下而上双向开始,在10月下旬至11月下旬期间(有时从12月至次年2月中旬),季节融化层可全部冻透;融化从地表开始自上而下单向进行,至9月下旬达到最大融深;而季节冻土区冻结和融化的方向与此相反。目前,针对土壤冻融交替研究中存在的问题,原位研究不够、冻融交替格局设置不合理、实验土壤温度变化过快等问题。
[0004]随着气温升高,冻土活动层深度增加,土壤呼吸作用增强,大大的促进了土壤有机碳的损失,并可能改变生态系统的碳汇功能。碳释放主要通过以下3种形式:CH4、C02和水溶性有机碳(DOC) XH4和CO2是最重要的温室气体,DOC是溶于水的有机碳成分,它们是土壤冻融过程主要的碳损失形式。因此,通过计算三者的含量变化或排放通量,可计算出整个冬春季冻融过程土壤碳损失的总量。

【发明内容】

[0005]本发明的目的是为了解决现有野外方法仅监测整个土壤生态系统碳排放通量,无法监测特定土层对碳排放的贡献,以及室内冻融模拟实验无法真实反映土壤冻融过程的问题,从更精确估算冻融过程土壤有机碳变化角度,提供一种原位监测土壤冻融的装置及基于该装置测定土壤碳损失的方法。
[0006]本发明原位监测土壤冻融装置包括冻融柱、温度监测仪和导气管,其中冻融柱由胶套、顶盖、底盖和多个圆管体组成,胶套的纵切面为“H”形,多个圆管体的中轴线重叠布置形成长管体,在长管体的两端分别加盖顶盖和底盖,各圆管体之间通过胶套的水平胶板相隔交替分隔成土柱室和气体缓冲室,在位于土柱室上方的胶套水平胶板上开有多个气孔,导气管的一端与气体缓冲室相通,导气管的另一端延伸至地表以上,多个温度探头通过导线与温度监测仪相连接,每个温度探头分布在与土柱室相同的土层中。
[0007]本发明基于原位监测土壤冻融装置测定土壤碳损失的方法按以下步骤实现:
[0008]—、在土壤冻结前挖土壤剖面,切取不同土层的原位土柱作为土层单元,测定各土层单元的DOC含量;
[0009]二、将原位土柱放入冻融柱的土柱室中,多个温度探头通过导线与温度监测仪相连接,温度探头分布设置在不同的土层中,原位监测土壤冻融装置埋入土层中,经历一个完整的冻融周期,通过导气管收集气样,测定COdPCH4的浓度并计算各土层中两种气体CO2和CH4的排放通量;
[0010]三、在土壤完全融化后取出原位监测土壤冻融装置,采集并测定土柱室中各土层单元的DOC含量;
[0011]四、结合整个冻融期各土层DOC变化及WdPCH4的排放通量,通过以下公式计算土壤在冻融过程的碳损失Cl.,完成土壤碳损失的测定,
[0012]C1ss= A DOC+ACH4+A CO2;
[0013]其中,ΔDOC为冻融前后土壤可溶性有机碳的差值;
[0014]Δ CO2为整个冻融期二氧化碳排放总体通量;
[0015]Δ CH4为整个冻融期甲烷排放总体通量。
[0016]本发明基于原位监测土壤冻融装置测定土壤碳损失的方法能够同时监测多个土层的温室气体排放以及可溶性有机碳的变化情况。在冻融过程,一方面,土壤孔隙水的冻结状态不同,导致可溶性有机碳的含量随着冻结融化过程而动态变化,另一方面,不同土层中功能微生物群落结构和丰度有差异,在响应冻融过程,代谢周转土壤有机碳的速率也不同,因此,各土层间CO2和CH4排放通量也略有差异。相比于常规方法,在估算土壤碳损失方面,以往计算方法仅单一从土壤表层(O?20cm)有机碳含量变化或整个土柱(一定深度的土柱)温室气体排放通量的角度,推算冻融过程的土壤碳损失,而本发明综合经历冻融过程的不同土层CO2、CH4排放通量和DOC含量三者的变化角度,计算土壤碳损失测定程度,精度提高了30%?50%。本发明适用于研究冻融期不同类型冻土碳损失情况。
【附图说明】
[0017]图1是本发明原位监测土壤冻融装置的结构示意图;
[0018]图2是冻融柱的俯视图;
[0019]图3为实施例一步骤四得到的土层冻融曲线图。
【具体实施方式】
[0020]【具体实施方式】一:本实施方式原位监测土壤冻融装置包括冻融柱、温度监测仪9和导气管6,其中冻融柱由胶套3、顶盖7、底盖5和多个圆管体8组成,胶套3的纵切面为“H”形,多个圆管体8的中轴线重叠布置形成长管体,在长管体的两端分别加盖顶盖7和底盖5,各圆管体8之间通过胶套3的水平胶板相隔交替形成土柱室I和气体缓冲室2,在位于土柱室I上方的胶套3水平胶板上开有多个气孔3-1,导气管6的一端与气体缓冲室2相通,导气管6的另一端延伸至地表以上,多个温度探头10通过导线与温度监测仪9相连接,每个温度探头10分布在与土柱室I相同的土层中。
[0021 ]本实施方式所述的导气管呈“L”形,垂直部分除埋在地面以下部分外,分别高出地面300?400mm左右;垂直部分的最上端口塞有橡胶塞。
[0022]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是土柱室I的高度为10?15cm0
[0023]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是所述圆管体8和导气管6的材质为硬质塑料。
[0024]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是所述导气管6的一端与气体缓冲室相通,导气管6的另一端塞有橡胶塞11。
[0025]本实施方式还可在橡胶塞中间还插有针头,用于抽气。
[0026]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是导气管6的一端与气体缓冲室2相通,导气管6的另一端高出地面的距离为300?400mm。
[0027]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是每个温度探头10放置于以冻融柱为中心半径为0.5?2m的区域内。
[0028]【具体实施方式】七:本实施方式基于原位监测土壤冻融装置测定土壤碳损失的方法按以下步骤实现:
[0029]一、在土壤冻结前挖土壤剖面,切取不同土层的原位土柱作为土层单元,测定各土层单元的DOC含量;
[0030]二、将原位土柱放入冻融柱的土柱室中,多个温度探头通过导线与温度监测仪相连接,温度探头分布设置在不同的土层中,原位监测土壤冻融装置埋入土层中,经历一个完整的冻融周期,通过导气管收集气样,测定COdPCH4的浓度并计算各土层中两种气体CO2和CH4的排放通量;
[0031]三、在土壤完全融化后取出原位监测土壤冻融装置,采集并测定土柱室中各土层单元的DOC含量;
[0032]四、结合整个冻融期各土层DOC变化及WdPCH4的排放通量,通过以下公式计算土壤在冻融过程的碳损失Cl.,完成土壤碳损失的测定,
[0033]C1ss= A DOC+ACH4+A CO2;
[0034]其中,ΔDOC为冻融前后土壤可溶性有机碳的差值;
[0035]Δ CO2为整个冻融期二氧化碳排放总体通量;
[0036]Δ CH4为整个冻融期甲烷排放总体通量。
[0037]本实施方式所述的温度监测仪为多点土壤温度记录仪,其温度范围能满足冻融监测需要,可自动记录温度信息。
[0038]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】七不同的是通过TOC仪测定各土层单元的DOC含量。其它步骤及参数与【具体实施方式】七相同。
[0039]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】七或八不同的是步骤二采用气相色谱法测定COdPCH4的浓度。其它步骤及参数与【具体实施方式】七或八相同。
[0040]【具体实施方式】十:本实施方式与【具体实施方式】七至九之一不同的是步骤四通过温度绘制土层冻融曲线图,并结合整个冻融期各土层DOC变化及COdPCH4的排放通量,通过公式计算土壤在冻融过程的碳损失C1 ■,完成土壤碳损失的测定,其中土层冻融曲线图分别以冻融期时间段为横坐标,以进入冻结状态(以土壤温度低于零度为标准)的土层深度为纵坐标,再以冻融期时间段为横坐标,以进入融化状态(以土壤温度低于零度为标准)的土层深度为纵坐标,绘制得到冻融曲线图。其它步骤及参数与【具体实施方式】七至九之一相同。
[0041]本实施方式因为非冻融期,湿地土壤通过微生物代谢活动也产生CO2和CH4,冻融曲线界定了此测定
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