一种便携式土壤呼吸速率测量装置及方法与流程

本发明属于土壤测量技术领域，具体涉及一种便携式土壤呼吸速率测量装置及方法。

背景技术

近年来，人类活动导致的碳循环紊乱导致大气中的co2含量日趋升高，全球气候变暖问题受到广泛关注。土壤是陆地生态中最大的碳库，土壤中碳贮量的增加将有助于缓和人类活动导致的大气co2含量升高，而土壤co2的释放将会加剧co2含量升高的趋势。气候变化背景下，土壤呼吸的温度敏感性，特别是土壤中稳定碳库的温度敏感性以及长期温度升高条件下土壤呼吸的温度敏感性，底物有效性，微生物群落结构及矿化作用等方面的研究工作是目前土壤学、生态学、环境学等领域研究的热点。

而在现有的测定土壤呼吸速率的方法存在着诸多不足，目前，在国内的测定土壤呼吸的实验当中，大多数依旧采用最原始的方法，即在野外只进行单纯的采样，实验室再进一步处理检测，分析得出数据。此方法沿袭至今，出现了诸多的不足，例如，耗费时间，耗费体力，耗费财力。在如今的研究当中，测量数据的准确性越来越受关注，而传统的测定方法已经不能满足现有的要求，例如，常规方法在野外进行采样后的样品保存这一阶段，对数据的分析影响很大，从而可能影响数据的准精度，导致数据准确性得不到保证。随着科学技术的发展，科学家们逐渐认识到野外原位获取样品或收集数据的重要性，因此，小型便携式科研装备产业逐渐得到重视和发展，这种需求日趋明显。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的缺点，旨在提供一种便携式土壤呼吸速率测量装置及方法，该装置具有体积小、重量轻、精度高的特点。

为了解决上述提出的技术问题，本发明具体通过以下技术方案实现：

一种便携式土壤呼吸速率测量装置，包括空气泵、碱石灰柱、空气过滤器、恒温器、缓冲瓶和土壤培养管，所述的空气泵、碱石灰柱、空气过滤器、缓冲瓶和土壤培养管通过导管依次连接，所述的缓冲瓶和土壤培养管放置在恒温器中，所述的土壤培养管顶部通过导管与缓冲瓶连通，所述的土壤培养管底部通过导管连接碱液吸收瓶，所述的空气过滤器与缓冲瓶连通的导管上设置有调节总阀，所述的恒温器一侧连接有温度控制器。

所述的缓冲瓶的瓶口设置有致密胶塞，所述的连通缓冲瓶与调节总阀之间导管为金属材质。

所述的土壤培养管为两端开口的圆柱形培养管，在土壤培养管的两端分别设置有致密胶塞，所述的土壤培养管顶部的导管上设置有调节阀。

所述的碱石灰柱中填充有碱石灰，所述的碱石灰为氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾的混合物。

所述的碱液吸收瓶内设置有碱液，在碱液吸收瓶的底部放置有玻璃珠。

本发明的另一目的在提供一种土壤呼吸速率的测量方法，具体包括以下步骤：

1)将待测土壤填充入土壤培养管中，填充至土壤培养管体积的1/2～3/4，培养后将土壤培养管用致密胶塞密封；

2)调节恒温器到测量需要温度，将填充培养后的土壤培养管置于恒温器内，连接好测定土壤呼吸速率的装置，稳定1～2个小时；并设立并联的空白土壤培养管；

3)开通空气泵使空气通过碱石灰柱、空气过滤器通过流量调节总阀控制大小，并通过金属导管使空气温度与恒温器中的温度保持一致，通过缓冲瓶平稳进入土壤培养管；

4)土壤培养管连通空气1～4个小时后，排空土壤培养管内空气，将土壤培养管与co2检测装置连通测定。

本发明的有益效果为：

1)体积小、重量轻、成本低、操作简单；相对常规的测定仪器，体积和重量都很小，而大型仪器成本高，维护繁杂；

2)测定数据精度高、受干扰性小；便于保证数据的准确性，第一时间对样品进行测定，采用抗干扰措施可提高数据的精度；

3)测定范围多方位选择；常规的实验土壤样品量往往较小(<50g)从而导致测定误差大、代表性差等问题，而本发明的样品量可根据实际要求相应调整。

附图说明

图1是本发明便携式土壤呼吸速率测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1测量装置的结构示意图；

图3是本发明实施例6测量装置的结构示意图；

图中：1、空气泵，2、碱石灰柱，3、空气过滤器、4、调节总阀，5、恒温器，6、缓冲瓶，7、土壤培养管，8、碱液吸收瓶，9、温度控制器，10、co2检测器，11、流量计。

具体实施方式

下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种便携式土壤呼吸速率测量装置，如图1所示，由依次通过管道连接干区内的空气泵1、碱石灰柱2、空气过滤器3以及湿区内的流量调节总阀44、恒温培养系统和碱液吸收瓶8组成；恒温培养系统包括温度控制器9、缓冲瓶6、恒温器5和置于恒温器5内的土壤培养管7；土壤培养管7为两端开口的圆柱形培养管，在土壤培养管7的两端分别设置有致密胶塞，内部光滑，密闭不透水；缓冲瓶6连接在流量调节总阀44与土壤培养管7之间；缓冲瓶6通过分流管与多个土壤培养管7的上端连通；分流管上设置有流量调节阀；每个土壤培养管7的上端分别与碱液吸收瓶8底部的玻璃珠接触。土壤培养管7通过的无co2空气由碱石灰柱2过滤空气产生，碱石灰柱2中填充有碱石灰，碱石灰的主要成分是氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾的混合物。缓冲瓶6塞有带导管的致密胶塞，置于恒温器5中，通过致密胶塞，缓冲瓶6和外界只有热交换。

为了使气流温度与恒温器5水浴箱中的水温保持一致，流量调节总阀44与缓冲瓶6之间连接的导管置于恒温培养箱液面以下，流量调节总阀44为针式微量调节阀，公称通径为dn3～dn25。

优选的，连接各个装置的所述连接管道为硅胶管。空气过滤器3内设置有滤膜，所述滤膜孔径范围为0.02～0.2mm。

实施例1

如图2所示，动态连续大样本测定土壤呼吸速率的装置包括空气泵1、碱石灰柱2、空气过滤器3、调节总阀4、恒温器5、缓冲瓶6、土壤培养管7、co2检测器10和流量计11。

其中空气泵1、碱石灰柱2、空气过滤器3和流量调节总阀44通过管道依次连接，缓冲瓶6的瓶口设置有致密胶塞且通过金属材质导管与流量调节总阀44连接，土壤培养管7为4根竖直设置的两端开口的圆柱形培养管，土壤培养管7上端塞有致密胶塞且通过分流导管与缓冲瓶6连接，分流导管上设置有流量调节分阀，土壤培养管7下端塞有致密胶塞且分别与co2检测器10连接，所述co2检测器10与流量计11连接，缓冲瓶6、金属材质导管和土壤培养管7均置于恒温器5内，恒温器5包括恒温水浴箱和用于调节恒温水浴箱温度的温度控制器9。

利用上述装置测定土壤呼吸速率的方法，包括以下步骤：

1)将土壤填充入土壤培养管7中，填充至土壤培养管7体积的1/2～3/4，使土重为100g，培养后将土壤培养管7塞上致密胶塞；

2)调节恒温器5到20℃，将步骤(1)得到的填充培养后的土壤培养管7和空白的土壤培养管7置于恒温器5内(3个填充土壤培养管7和1个空白土壤培养管7)，连接好测定土壤呼吸速率的装置，稳定1个小时，使土壤培养管7及土壤的温度达到20℃；

(3)开通空气泵1使空气通过碱石灰柱2，将空气中的co2去除，将无co2空气导入空气过滤器3去除气体中的微小颗粒物质，导出的洁净无co2空气通过流量调节总阀44控制总流量大小，并通过金属材质导管使洁净无co2空气温度与恒温器5中的温度保持一致，通过缓冲瓶6使洁净无co2空气平稳进入分流管，调节分流管上的流量调节分阀，使进入每个土壤培养管7的洁净无co2空气流速为80ml/min且流速大小一致；

(4)每个土壤培养管7连通洁净无co2空气3个小时，排空土壤培养管7内原有空气，然后依通气的先后顺序依次将土壤培养管7与co2检测器10和流量计11连接，稳定5min后，记录co2检测器10和流量计11的读数。

实施例2

除土壤培养管7中的土重为200g外，其他与实施例1相同。

实施例3

除土壤培养管7中的土重为300g外，其他与实施例1相同。

实施例4

除土壤培养管7中的土重为400g外，其他与实施例1相同。

实施例5

除土壤培养管7中的土重为500g外，其他与实施例1相同。

对比例1静态碱液吸收法

将装有3ml1mol/lnaoh的10ml小瓶内置于底部装有20g土壤的250ml三角瓶中，用无co2空气将三角瓶内空气置换，用胶塞密闭来捕获co2，一定时间更换小瓶，吸收后的碱液用盐酸滴定以计算碱液中吸收的co2量。

比较例2气体直接测定法

5g样品置于12ml小瓶中，抽真空三次，用无co2空气冲洗，平衡到大气压，立刻置于25℃水浴中，8次重复，选择其中4个重复小瓶反复注射器抽取1ml顶空气体于气相色谱仪测定co2浓度。根据每隔一定时间(通常是每分钟)抽取和补充密闭容器中一定体积的气体，建立co2浓度与时间变化的线性关系来计算土壤呼吸速率大小。

实施例1-5和比较例1-2测定的20℃下土壤呼吸速率，数据如下：

从实施例1-5和比较例1-2的方法比较和测定数据可以看出，测定土壤呼吸速率时，现有的静态碱液吸收法和气体直接测定法无法动态连续测定，并且实验土壤样品量较小，测定误差大，而本发明方法实现了动态连续测定和大样本检测，提高了检测数据的准确性和代表性。结果如表1。

表1土壤呼吸速率的测定结果

实施例6

如图3所示，动态连续大样本测定土壤呼吸同位素组成的装置包括空气泵1、碱石灰柱2、空气过滤器3、流量调节总阀44、恒温器5、缓冲瓶6、土壤培养管7和装有碱液的碱液吸收瓶8；空气泵1、碱石灰柱2、空气过滤器3和流量调节总阀44通过管道依次连接，缓冲瓶6的瓶口塞有致密胶塞且通过金属导管与流量调节总阀44连接，土壤培养管7为4根竖直设置的两端开口的圆柱形培养管，土壤培养管7上端塞有致密胶塞且通过分流管与缓冲瓶6连接，分流管上设置有流量调节分阀，土壤培养管7下端塞有致密胶塞且分别与碱液吸收瓶8一一对应连接，缓冲瓶6、金属导管和土壤培养管7均置于恒温器5内，恒温器5包括恒温水浴箱和用于调节恒温水浴箱温度的温度控制器9。

利用上述装置测定土壤呼吸同位素组成的方法，包括以下步骤：

1)将土壤填充入土壤培养管7中，填充至土壤培养管7体积的1/2～3/4，使土重为100g，培养后将土壤培养管7塞上致密胶塞；

(2)调节恒温器5到30℃，将步骤(1)得到的填充培养后的土壤培养管7和空白的土壤培养管7置于恒温器5内(3个填充土壤培养管7和1个空白土壤培养管7)，连接好测定土壤呼吸同位素组成的装置，稳定2个小时，使土壤培养管7及土壤的温度达到30℃；

(3)开通空气泵1使空气通过碱石灰柱2，将空气中的co2去除，将无co2空气导入空气过滤器3去除气体中的微小颗粒物质，导出的洁净无co2空气通过流量调节总阀44控制总流量大小，并通过金属导管使洁净无co2空气温度与恒温器5中的温度保持一致，通过缓冲瓶6使洁净无co2空气平稳进入分流管，调节分流管上的流量调节分阀，使进入每个土壤培养管7的洁净无co2空气流速为50ml/min且流速大小一致；

(4)每个土壤培养管7连通洁净无co2空气4个小时，排空土壤培养管7内原有空气，然后将土壤培养管7与碱液吸收瓶8一一对应连接，碱液吸收瓶8内的碱液固定土壤呼吸的co2；用滴定法或toc分析仪直接测定碱液，计算co2含量；向碱液中加入氯化锶，沉淀碱液中的碳酸根，生成碳酸锶沉淀，烘干后，得到的固体粉末用同位素比例质谱仪测定其同位素组成。

实施例7

除土壤培养管7中的土重为200g外，其他与实施例6相同。

实施例8

除土壤培养管7中的土重为300g外，其他与实施例6相同。

实施例9

除土壤培养管7中的土重为400g外，其他与实施例6相同。

实施例10

除土壤培养管7中的土重为500g外，其他与实施例6相同。

比较例3静态碱液吸收法

将装有3ml1mol/lnaoh的10ml小瓶内置于底部装有20g土壤的250ml三角瓶中，用无co2空气将三角瓶内空气置换，用胶塞密闭来捕获co2，一定时间更换小瓶，吸收后的碱液用氯化锶沉淀，固定碳酸根，烘干后获得碳酸锶粉末，用同位素比例质谱仪测定co2的δ13c。

比较例4

5g样品置于12ml小瓶中，抽真空三次，用无co2空气冲洗，平衡到大气压，立刻置于25℃水浴中，8次重复，选择其中4个重复小瓶反复注射器抽取1ml顶空气体于气相色谱仪测定co2浓度。当累积co2浓度达到1000ppm时，抽取另外4个重复小瓶的顶空气，利用同位素比例质谱仪测定co2的δ13c值。

实施例6-10和比较例3-4测定的30℃下土壤呼吸同位素组成，数据如表2。

表230℃下土壤呼吸同位素组成结果

从实施例6-10和比较例3-4的方法比较和测定数据可以看出，测定土壤呼吸同位素组成时，现有的静态碱液吸收法和气体直接测定法无法动态连续测定，并且实验土壤样品量较小，测定误差大；而本设计方法实现了动态连续测定和大样本检测，提高了检测数据的准确性和代表性。