水旱轮作稻田土壤气体原位采集系统及采集方法

摘要

本发明涉及水旱轮作稻田土壤气体原位采集系统及采集方法，属于气体采集技术领域，专用于水旱轮作条件下稻田土壤剖面中土壤气体的原位采集。包括：选用内径40mm的PVC管子，每个气体腔底部管壁交换界面均匀分布共8个小孔；各气体腔之间用PVC板隔断，隔板上打孔让采集气体的尼龙管穿过，尼龙细管从上部穿出，用硅胶管连接到三通阀上。采集方法包括气密性的检测、安装、预平衡，该系统保持密闭状态，观测时，用针筒直接采集所需容积的气体。本发明可用于采集淹水状态下或排水状态下的土壤气体，可在同一位点上采集不同剖面深度的原位气体，操作方便，材料易得，可广泛应用于稻田和湿地土壤气体采集，克服了现有技术中的各种缺陷。

说明书

一.技术领域

本发明涉及水旱轮作稻田土壤气体原位采集系统及采集方法，属于气体采集技术领域，专用于水旱轮作条件下稻田土壤或者湿地剖面中土壤气体的原位采集。

二.背景技术

在全球变暖背景下，土壤与大气之间的气体交换成为国内外研究热点。而土壤与大气之间的气体交换是整个土壤剖面中具有空间特异性的各种生物活动的表面整合结果，并不能真实、原位反映土壤气体的形成时间和产生位点。原位测定土壤剖面中土壤气体的含量也是准确计算土壤气体排放通量和研究土壤气体形成机理的关键技术环节。研究旱地土壤气体可直接采集土壤气体来分析。少数涉及淹水状态或湿地的土壤—大气气体交换研究，主要通过两大类途径实现，一是抽取土壤溶液，利用气体扩散平衡原理在室内处理与上部空间气体平衡后分析其含量，二是在土壤中埋设具有一定通透性的气体扩散膜，根据膜内气体与膜外溶液间的扩散平衡采集膜腔室内气体进行分析。这些方法都不可避免的存在采样系统误差、平衡时间计算误差以及由此引起的观测频率限制等等，还会引起扩散膜的堵塞现象等。类似研究方法分别参见文献丁维新，蔡祖聪，李小平.2003.沼泽湿地剖面水原位采集方法研究，土壤和Jacinthe P.A.，and P.M.Groffman.2001.Silicone rubber sampler to measure dissolved gases insaturated soils and waters.Soil Biol.Biochem.33：907-912.

三.发明内容

技术问题

本发明的目的是提供一种水旱轮作稻田土壤气体的原位采集系统及采集方法，提出土壤气体与土壤溶液间的无障碍快速平衡，可广泛用于稻田土壤和湿地气体采集或研究。

技术方案

水旱轮作稻田土壤气体原位采集系统，其特征在于：

材料：市售PVC管子、PVC板、尼龙管、三通阀、硅胶管；

制作：

1)选用内径40mm的PVC管子截成50mm为基本单元，每个气体腔高38mm，气体腔底部管壁均匀分布共8个直径为12mm的小孔作为与土壤交换界面；气体腔底部交换界面外用两层尼龙布包裹阻隔土壤颗粒和植物根系；

2)各气体腔之间用PVC板隔断，隔板之间用中空的PVC管连接，隔板上打孔孔径4mm，让采集气体的尼龙管穿过，尼龙管管口留在各气腔顶部；

3)从上到下每节隔板上打孔的数目由采样层次数决定，递减规律至底层隔板上只有一个孔；所有尼龙细管一起从上部穿出，伸出表面30cm，用硅胶管连接到三通阀上确保气密性；

4)系统下端连接一个5cm长的锥形PVC钻头底座利于安装。

上述水旱轮作稻田土壤气体原位采集系统中步骤1)所述包裹在交换界面外的尼龙布在各采集层次之间是隔断的，不同层次的土壤气体采集尼龙管外面分别环贴不同颜色的胶带，以便识别。

上述采集系统用于水旱轮作稻田土壤气体的采集方法，包括：

1)采集系统气密性的检测：使采集系统处于上下颠倒的位置上，加水检测其气密性；

2)土壤气体原位采集系统的安装：在旱作季节开始前先用钻头直径50mm的土钻钻取深度为50cm的孔，再将采集系统直接安装，利用前端锥形部分继续向下5cm；在淹水季节安装则需预先将采集系统注水冰冻后安装，以防止泥浆浸入系统内部；

3)土壤气体原位采集系统的预平衡：安装后保持三通阀开关一直处于关闭位置，并用当地空气50ml分别注入各个采集管子，在田间平衡二周后开始采样观测；

4)土壤气体原位采集系统的采样测定：该采集系统保持密闭状态，在每次需要观测时，用与采集系统三通阀配套的针筒直接采集所需容积的气体，供实验室分析测定用。

上述的采集方法中在淹水状态下进行步骤3)土壤气体原位采集系统的采样测定时要预先注入与取样容积相等的N₂作为填充气，以确保气腔内气体容积稳定。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

①本发明土壤气体原位采集方法可直接采集淹水状态下与土壤溶液平衡的稻田土壤气体或者排水状态下的土壤气体，避免了采用扩散膜引起的扩散平衡时间误差和扩散膜的生物、物理性堵塞。

②与抽取土壤溶液方法相比，本发明直接采集土壤气体测定，克服了采集溶液引起的样品处理、保存、测定等系统误差。

③本发明可在同一土壤位点上研究不同层次的浓度剖面分布，剖面深度及各层次之间的疏密程度可自由选择、任意组合。

④本发明装置所采集的样品和土壤溶液或气体本身成分之间的交换通过尼龙网格，可自由交换，所以可分析土壤中存在的所有气体成分，不存在扩散膜对某些成分的扩散障碍。

⑤本发明装置埋设在研究地点，不需维护，可长期、原位检测气体成分的动态变化。

四、具体实施方式

①土壤气体原位采集方法原理：原位采集淹水状态下与土壤溶液平衡的稻田土壤气体或者排水状态下的土壤气体，测定其组成成分的浓度剖面分布。

②土壤气体原位采集装置原理：根据研究目的需要，可研究同一位点上包括土壤耕层和地下饱和层的不同层次土壤剖面中各种气体的分布特征。露出土壤—水体表面的不同层次的土壤气体采集管子分别用不同颜色的胶带明显表征，方便以后长期观测时识别。

实施例：

稻田土壤与全球变化关系的研究中在南京江宁试验基地研究稻田土壤N₂O.CO₂.CH₄剖面分布特征。共24个小区，制作采集系统27套，采集27个土壤剖面的气体样品。

①土壤气体原位采集系统的制作：材料为市售PVC管子内径4cm、PVC板厚度8mm、尼龙管内径4mm、三通阀(医用一次性使用三通阀)、硅胶管(硅胶医用导管4*6)等加工制作。选用内径40mm的PVC管子截成50mm为基本单元，采集系统总长度55cm，每个气体腔容积48ml，高38mm，气体腔底部外壁交换界面共均匀分布8个直径为12mm的小孔，孔外用两层尼龙布(80-100目)包裹以阻隔土壤颗粒和植物根系，用铜丝上下固定。各气体腔之间用PVC板隔断，隔板之间的距离从上到下依次为26mm，101mm，143mm，从而使得气体腔气体采集位置分别约为土壤表面下7cm，15cm，30cm，和50cm处。从上到下每节隔板上打孔孔径4mm，穿过的尼龙管的数目分别为4，3，2，1个，最后4跟细管一起从上部穿出，尼龙管伸出表面30cm，用硅胶管连接到三通阀上确保气密性。系统下端连接一个5cm长的锥形PVC钻头底座利于安装。7cm，15cm，30cm，和50cm处不同层次的土壤气体采集管子外面分别环贴蓝色、绿色、黄色、红色胶带，方便以后观测时识别。

②土壤气体原位采集系统气密性的检测：使采集系统处于上下颠倒的位置上，加水检测其气密性。全部通过合格检测。

③土壤气体原位采集系统的安装：在旱作季节开始前先用钻头直径50mm的土钻钻取深度为50cm的孔，再将采集系统直接安装，利用前端锥形部分继续向下5cm使得采集系统和土壤密切接触。

④土壤气体原位采集系统的预平衡：安装后保持三通阀开关一直处于关闭位置，并用当地空气50ml分别注入各个采集管子，确保每个气腔内为气体充满。考虑安装扰动因素使其在田间平衡二周后开始采样观测。

⑤土壤气体原位采集系统的采样测定：该采集系统一直处于密闭状态下，两周后开始观测，用与采集系统三通阀配套的本身也带有三通阀的针筒(一次性使用无菌注射器20ml)采集气体，先移去5ml尼龙管内气体，再直接采集所需容积的气体20ml，再将25ml N2注入气腔，保持气腔内气体体积不变。所采集的样品带回实验室24小时内分析测定。

⑥测定结果：

采回的气体样品在安捷伦气相色谱Agilent 7890A上测定。该气相色谱同时配有电子捕获检测器ECD、火焰离子化检测器FID和甲烷转化炉，可同时测定样品中N₂O.CO₂.CH₄的浓度。采用外标法测定，每次进样10ml，仪器内部FID和ECD系统样品定量管分别为1.0ml和2.0ml，气相色谱柱温40℃，检测器温度300℃，转化炉温度375℃，每个样品测定时间5.5分钟。下表列出27套采集系统两次采样测定后的平均值，第一次和第二次采样间间隔时间为一周。

表 南京地区稻田土壤旱作季节CH₄.CO₂.N₂O的浓度剖面分布(n＝27)2008年11月