一种测定土壤呼吸及碳同位素的装置和方法
【专利摘要】本发明提供一种测定土壤呼吸及碳同位素的装置，包括空气吸入管路、二氧化碳过滤器、土壤气室和碳同位素分析仪；所述二氧化碳过滤器的进气孔连接所述空气吸入管路，二氧化碳过滤器的出气孔连接土壤气室，所述土壤气室通过气路管线连接所述碳同位素分析仪。本发明还提出应用所述装置进行土壤呼吸及碳同位素测定的方法。本发明提出的装置，设置在样地上，直接获取土壤呼吸数据，不需要采样带回实验室，对植物无损，快捷方便；采用的装置在白天、夜晚、雨天均可测量，可以获得一个季度、一年内树木的完整的呼吸信息。
【专利说明】
一种测定土壤呼吸及碳同位素的装置和方法
技术领域
[0001] 本发明属于分析测试领域，具体涉及一种利用同位素分析测定土壤呼吸的装置和 方法。
【背景技术】
[0002] 土壤呼吸作为生态系统碳循环的重要组成过程，是将土壤中的有机碳转化成无机 碳并将其归还给大气的主要途径，是陆地生态系统中的关键一环，在全球碳循环中十分重 要。全球对于土壤呼吸的研究起步于二十世纪，在二十世纪初，关于土壤呼吸的研究主要在 实验室内进行，其目标为测评土壤肥力以及土壤微生物的活性。从二十世纪中期开始，有关 土壤呼吸的研究变得活跃起来，这一时期由于研究手段的不断优化，研究的精度和尺度也 得到了大幅提升。直到二十世纪九十年代，随着全球气候变化成为世界研究的热点，全球碳 循环中的土壤呼吸作为其重要的组成部分，也越来越受到关注，特别是现代测量技术手段 的进步，使得土壤呼吸的研究进一步定量化，时间分辨率进一步提高。但是由于土壤中构成 较为复杂，包括自养与异养生物，因此对土壤呼吸组分进行区分是土壤呼吸研究中不可或 缺的重要组成部分。现有技术中，对土壤呼吸及其产生的碳同位素的分析主要方法有以下 二种：
[0003] 1、碱液吸收法:碱液吸收法是在静态箱中，用碱液或者固体碱对土壤一定时间内 产生的二氧化碳进行吸收，后经过称重或者滴定法对吸收的二氧化碳进行求解，计算得出 该段时间内土壤呼吸的二氧化碳量，并用同位素质谱仪对收集的二氧化碳进行质谱分析， 得到其S13C值。其优点在于简单易行，不需要复杂设备，成本较低，但是结果真值受影响因 素较多，如碱液浓度，操作失误等，且不适合连续观测；
[0004] 2、静态箱红外分析法:静态箱红外分析法是将静态箱中的气体定时抽出，用二氧 化碳红外分析仪进行测定，根据二氧化碳浓度随时间变化来确定土壤呼吸速率，同时用同 位素质谱仪对抽出气体进行质谱分析，得到其W3C值。较之碱液吸收法，红外分析法测量更 为准确，并且可以长期观测，但本方法所需克服的问题在于如何确定静态箱的大小，若静态 箱太大，则二氧化碳气体扩散不稳定，所得二氧化碳浓度值误差较大，若静态箱太小，在抽 取空气后，会造成气室内气压改变，同样影响实验准确性，同时其仪器成本高，且仍无法克 服高时间分辨率下测定土壤呼吸的问题
[0005] 3、动态箱红外分析法:本方法是目前测定土壤呼吸值应用最为广泛的一种方法， 以LI-COR公司8100 土壤呼吸测量系统为代表，其原理为通过交换式气流箱收集一段时间内 土壤呼吸产生的气体，检测其浓度随时间变化，从而计算得出土壤呼吸通量。其优点为操作 简便，可实现自动化观测，但是受到空气流通速率与气室内外气压差影响，且仪器成本较 高。同时，由于装置本身不能对土壤呼吸气体进行收集，故在测定土壤呼吸值后，需对土壤 进行取样，测定土壤中的 13C同位素值。应用此种方法的前提是假设，植物根系组织和土壤有 机质中的S13C值可以分别代表根呼吸和土壤微生物呼吸产生的S 13C值。即呼吸作用对13C不 产生分馏作用。此外，该方法并非同时测定同一土壤、同一条件下呼吸值及其同位素比率， 不可避免将产生误差。
[0006] 上述方法中，均不能同时保证土壤呼吸值及其S13C值的测量准确度，在测量中不能 兼顾，并且难以进行协同观测。
【发明内容】
[0007] 针对本领域针对现有技术中土壤呼吸测定方法存在的上述不足，本发明要解决的 技术问题是提供一种高时间精度要求下自动化测定土壤呼吸及其S 13C值的装置及方法。
[0008] 为实现本发明上述目的的技术方案为：
[0009] 一种测定土壤呼吸及碳同位素的装置，包括空气吸入管路、二氧化碳过滤器、土壤 气室和碳同位素分析仪；
[0010] 所述二氧化碳过滤器的进气孔连接所述空气吸入管路，二氧化碳过滤器的出气孔 连接土壤气室，所述土壤气室通过气路管线连接所述碳同位素分析仪。
[0011] 其中，所述二氧化碳过滤器内填充有钠石灰;所述空气吸入管路为Tef Ion材料制 成。
[0012] 钠石灰又称碱石灰，是常用的干燥剂，此处填充于二氧化碳过滤器内，将空气中的 二氧化碳吸收，保证进入土壤气室的气体不含有空气中带入的二氧化碳。
[0013] 其中，所述土壤气室为没有容器底的圆柱形或立方体形状容器，气室顶部开有二 个气孔，二个气孔在气室顶部以最大距离分布;二个气孔分别用于进气和出气，用于出气的 气孔通过气路管线连接所述碳同位素分析仪。对于圆形气室顶部，两个气孔分布在一条直 径的两端;对于方形气室顶部，两个气孔分布于对角线两端。
[0014] 土壤气室用透明材料制作，可以对被测土壤进行实时观察，以防误差影响结果。 [0015] 优选地，所述土壤气室为圆柱形容器，直径15~25cm，高20~30cm，连接于所述碳 同位素分析仪的气路管线穿过气孔插入土壤气室的底部。
[0016] 其中，所述气路管线上设置有水汽干燥器和滤尘塞，所述水汽干燥器内填充有无 水氯化钙。
[0017] 其中，所述碳同位素分析仪设置有多路器，所述气路管线通过多路器连接所述碳 同位素分析仪;所述碳同位素分析仪通过多路器还连接有2个标准气瓶。
[0018] 由于土壤呼吸的空间差异较大，故为研究某个样地的土壤呼吸值，需要在目标样 地中安置多个土壤气室，以重复试验以求平均，使其更具有代表性。同一片林分内，土壤呼 吸值差别也是巨大的，因此，布设气室的方法为随机布设，因为差异较大，无规律可循。故多 次测量取平均。
[0019] 所述多路器可以最多连接8个气路管线，可以一次设置1~6个土壤气室，进行1~6 个位置采样。土壤气室根据实验需要，可自行设置安装位置，对于方形样地，可安置于距离 实验样地对角线的位置，按对角线长度方向均匀布设6个土壤气室。
[0020] 其中，所述碳同位素分析仪采用光腔衰荡光谱技术测量气体样品。例如LGR公司产 CCIA-36d-EP型同位素分析仪。
[0021] 使用光谱技术测定样品内碳同位素比率的方法相较于同位素质谱分析技术，光谱 法大大提高了测量的时间精度，以及极大的降低了测定成本，使高时间精度下的连续观测 成为了可能。
[0022] 一种测定土壤呼吸及碳同位素的方法，采用本发明所述的装置，包括步骤：
[0023] 1)土壤气室布设在样地上，共设置1~6个土壤气室，土壤气室的侧壁插入土中10 ~20cm;
[0024] 2)测定开始前，检查二氧化碳过滤器中，钠石灰试剂有无变色反应(钠石灰变色说 明已吸收足量二氧化碳，为保证实验精确，需更换新的钠石灰试剂）；检查水汽过滤系统中， 无水氯化钙试剂有无变色反应，若变色，则需及时更换；
[0025] 3)开启碳同位素分析仪，用标准气体校准，
[0026] 4)碳同位素分析仪的内置气栗抽入土壤气室内的气体进行测定。
[0027] 所述标准气体的选择可以为：标准气体为⑶2体积浓度398.6ppm、13C同位素比率 (S13C值)为13 · 27%。，和CO2体积浓度396 · 6ppm、13C同位素比率W13C值)为29 · 66%。两种；
[0028] 其中，利用多路器，分别测定不同土壤气室内的气体，每个气室测定时间为5分钟， 其中前2分钟用于稳定气路，对后3分钟的测定进行记录，完成一轮测定后用标准气体进行 一次校准。
[0029] 本发明的有益效果在于:本发明提出的装置，设置在样地上，直接获取土壤呼吸数 据，不需要采样带回实验室，对植物无损，快捷方便;采用的装置在白天、夜晚、雨天均可测 量，可以获得一个季度、一年内树木的完整的呼吸信息。
[0030] 本发明提出的方法，基于光腔衰荡光谱(CRDS)技术，提高了测量精度和速度，其最 高测定频率可达IHz;可以一次设置多个土壤气室进行测量，大大提高了工作效率。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明装置的设置示意图。
[0032] 图2为本发明装置的土壤气室示意图。
[0033] 图3为本发明装置的二氧化碳过滤器示意图。
[0034]图中，1为空气吸入管路，2为二氧化碳过滤器，3为气孔，4为土壤气室，5为水汽干 燥器，6为滤尘塞，7为多路器，8为连接标准气体气瓶的管线，9为同位素分析仪。
【具体实施方式】
[0035]以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0036]实施例中，所用同位素分析仪为LGR公司产CCIA-36d-EP型同位素分析仪。
[0037]实施例中，如无特殊说明，所使用的方法均为本领域常规的方法。
[0038] 实施例1:
[0039]如图1，、一种测定土壤呼吸及碳同位素的装置，包括空气吸入管路1、二氧化碳过 滤器2、土壤气室4和碳同位素分析仪9;
[0040] 二氧化碳过滤器有两个气孔3,一端的气孔为进气孔，连接空气吸入管路1，另一端 的气孔为出气孔，连接于土壤气室4，所述土壤气室通过气路管线连接碳同位素分析仪9。二 氧化碳过滤器2内填充有钠石灰;所述空气吸入管路为Teflon材料制成，不吸附气体同时极 耐腐蚀(图2和图3)。
[0041 ] 土壤气室4为没有容器底的圆柱形容器，气室顶部开有二个气孔3，二个气孔在气 室顶部分布在一条直径的两端;二个气孔分别用于进气和出气，用于出气的气孔通过气路 管线连接碳同位素分析仪9。
[0042] 土壤气室直径25cm，高20cm，有机玻璃制作，连接于所述碳同位素分析仪的气路管 线穿过气孔插入土壤气室的底部。气路管线上设置有水汽干燥器5和滤尘塞6,水汽干燥器5 内填充有无水氯化钙。碳同位素分析仪设置有多路器7,所述气路管线通过多路器连接所述 碳同位素分析仪;碳同位素分析仪通过多路器和连接标准气体气瓶的管线8连接有2个标准 气瓶。
[0043]采用本实施例的装置，测定土壤呼吸及碳同位素的方法，包括步骤：
[0044] 1)本研究实验样地位于北京林业大学实验林场，选取20m X 20m侧柏纯林标准样 地，林分密度为1500株每亩，平均胸径14.6cm，平均树高8.6m，土壤气室安置于实验样地对 角线的位置，按对角线长度均匀布设6个土壤气室，土壤气室侧壁插入土中15cm;
[0045] 2)测定开始前，检查二氧化碳过滤器中，钠石灰试剂有无变色反应;检查水汽过滤 系统中，无水氯化钙试剂有无变色反应，若变色，则需及时更换；
[0046] 3)开启碳同位素分析仪，用标准气体校准，所述标准气体为CO2体积浓度 398.6??111、 13(：同位素比率013(：值)为13.27%。，和〇)2体积浓度396.6??111、 13(：同位素比率013〇 值)为29.66%。两种；
[0047] 4)碳同位素分析仪的内置气栗抽入土壤气室内的气体进行测定。
[0048]利用8通道多路器，分别测定6个土壤气室内的气体，每个气室测定时间为5分钟， 其中前2分钟用于稳定气路，对后3分钟的测定进行记录，完成一轮测定后用标准气体进行 一次校准。校准时依次通过两种标气进行仪器标定。
[0049] 5) 土壤呼吸速率的计算
[0050] 本研究中土壤气室体积V = JiR2 · h = Ji · 12.52 · 5 = 2454.4cm3，LGR内置栗进气速 率为800ml/min，每个气室进样时间为5分钟，因此，每次测定的进样体积大于土壤气室体 积，土壤呼吸二氧化碳不会在气室内残留，满足连续观测条件。
[0051]所得数据如表1所示。
[0052]表1: 土壤呼吸数据
[0054]以上的实施例仅仅是对发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行 限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案 作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
【主权项】
1. 一种测定土壤呼吸及碳同位素的装置，其特征在于，包括空气吸入管路、二氧化碳过 滤器、土壤气室和碳同位素分析仪； 所述二氧化碳过滤器的进气孔连接所述空气吸入管路，二氧化碳过滤器的出气孔连接 土壤气室，所述土壤气室通过气路管线连接所述碳同位素分析仪。2. 根据权利要求1所述测定土壤呼吸及碳同位素的装置，其特征在于，所述二氧化碳过 滤器内填充有钠石灰;所述空气吸入管路为Teflon材料制成。3. 根据权利要求1所述测定土壤呼吸及碳同位素的装置，其特征在于，所述土壤气室为 没有容器底的圆柱形或立方体形状容器，气室顶部开有二个气孔，二个气孔在气室顶部以 最大距离分布;二个气孔分别用于进气和出气，用于出气的气孔通过气路管线连接所述碳 同位素分析仪。4. 根据权利要求3所述测定土壤呼吸及碳同位素的装置，其特征在于，所述土壤气室为 圆柱形容器，直径15~25cm，高20~30cm，连接于所述碳同位素分析仪的气路管线穿过气孔 插入土壤气室的底部。5. 根据权利要求1~4任一所述测定土壤呼吸及碳同位素的装置，其特征在于，所述气 路管线上设置有水汽干燥器和滤尘塞，所述水汽干燥器内填充有无水氯化钙。6. 根据权利要求1~4任一所述测定土壤呼吸及碳同位素的装置，其特征在于，所述碳 同位素分析仪设置有多路器，所述气路管线通过多路器连接所述碳同位素分析仪;所述碳 同位素分析仪通过多路器还连接有2个标准气瓶。7. 根据权利要求1~4任一所述测定土壤呼吸及碳同位素的装置，其特征在于，所述碳 同位素分析仪采用光腔衰荡光谱技术测量气体样品。8. -种测定土壤呼吸及碳同位素的方法，采用权利要求1~7任一所述的装置，其特征 在于，包括步骤： 1) 土壤气室布设在样地上，共设置1~6个土壤气室，土壤气室的侧壁插入土中10~ 20cm； 2) 测定开始前，检查二氧化碳过滤器中，钠石灰试剂有无变色反应;检查水汽过滤系统 中，无水氯化钙试剂有无变色反应，若变色，则需及时更换； 3) 开启碳同位素分析仪，用标准气体校准， 4) 碳同位素分析仪的内置气栗抽入土壤气室内的气体进行测定。9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述标准气体为C02体积浓度398.6ppm、13C同 位素比率为13.27%。，和C0 2体积浓度396.6ppm、13C同位素比率为29.66%。两种。10. 如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，利用多路器，分别测定不同土壤气室内 的气体，每个气室测定时间为5分钟，其中前2分钟用于稳定气路，对后3分钟的测定进行记 录，完成一轮测定后用标准气体进行一次校准。
【文档编号】G01N21/31GK105842180SQ201610306308
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】余新晓, 李瀚之, 贾国栋, 孙佳美, 路伟伟, 刘自强, 徐晓梧
【申请人】北京林业大学