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

摘要

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，它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。该土壤冻融装置主要包括温度监测仪、土柱室、气体缓冲室、胶套和导气管。测定土壤碳损失的方法：将不同土层的原位土柱装入冻融装置的土柱室中，埋人相应土层，在冻融期，监测气体CO

说明书

技术领域

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

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、高纬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。

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。

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、CO₂和 水溶性有机碳(DOC)。CH₄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

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。

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。

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：

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；

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CO₂和CH₄的浓度并计算各土层中两种气体CO₂和CH₄的排放通量；

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；

四、结合整个冻融期各土层DOC变化及CO₂和CH₄的排放通量，通过以下公式计算 土壤在冻融过程的碳损失C_loss，完成土壤碳损失的测定，

C_loss＝ΔDOC+ΔCH₄+ΔCO₂；

其中，ΔDOC为冻融前后土壤可溶性有机碳的差值；

ΔCO₂为整个冻融期二氧化碳排放总体通量；

ΔCH₄为整个冻融期甲烷排放总体通量。

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(0～20cm)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

图1是本发明原位监测土壤冻融装置的结构示意图；

图2是冻融柱的俯视图；

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

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1和气体缓冲室2，在位 于土柱室1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1相同的土层中。

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。

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1的高度为10～15 cm。

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。

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。

本实施方式还可在橡胶塞中间还插有针头，用于抽气。

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。

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。

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：

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；

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CO₂和CH₄的浓度并计算各土层中两种气体CO₂和CH₄的排放通量；

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；

四、结合整个冻融期各土层DOC变化及CO₂和CH₄的排放通量，通过以下公式计算 土壤在冻融过程的碳损失C_loss，完成土壤碳损失的测定，

C_loss＝ΔDOC+ΔCH₄+ΔCO₂；

其中，ΔDOC为冻融前后土壤可溶性有机碳的差值；

ΔCO₂为整个冻融期二氧化碳排放总体通量；

ΔCH₄为整个冻融期甲烷排放总体通量。

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。

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。

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CO₂和CH₄的浓度。其它步骤及参数与具体实施方式七或八相同。

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CO₂和CH₄的排放通量，通过 公式计算土壤在冻融过程的碳损失C_loss，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。

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 曲线界定了此测定方法的时间节点，能更准确计算碳损失C_loss。那么，结合冻融曲线，通 过冻融期间每周CO₂和CH₄的排放通量，计算总排放通量ΔCO₂和ΔCH₄；并通过冻融前 后不同土层DOC浓度变化，计算ΔDOC，三者的加和(ΔCO₂+ΔCH₄+ΔDOC)即为碳损 失C_loss。

实施例一：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 施：

一、在我国东北三江平原季节性冻土区，于每年10月中下旬土壤冻结前挖土壤剖面， 分别切取0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm不同土层的原位土柱作为土层单 元，通过TOC仪测定各土层单元的DOC含量；

二、将原位土柱放入冻融柱的土柱室中，使用两个原位监测土壤冻融装置，使冻融柱 中的土柱室处在不同土层，6个温度探头通过导线与多通道温度监测仪相连接，以10cm 为间隔深度，将探头分别插在土壤表层及不同深度的相应土层，各在白天十点和夜间十点， 每隔12h记录温度一次，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，其中在冻结期，每周抽取气体一次；在融化期，每周抽取气体两次， 之间间隔3天；于上午9：00-11：00点时间段内，分别于0时刻点，每隔20min，分别 通过导气管抽取各土层气体，0～10cm(通过导气管A)、10～20cm(导气管C)、20～ 30cm(导气管B)和30～40cm(导气管D)，共抽取4个时间点，采用气相色谱法测 定CO₂和CH₄的浓度并计算相应时间段内各土层中两种气体CO₂和CH₄的排放通量；

三、在土壤完全融化后取出原位监测土壤冻融装置，采集并通过TOC仪测定土柱室 中各土层单元的DOC含量；

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CO₂和 CH₄的排放通量，通过公式计算土壤在冻融过程的碳损失C_loss，完成土壤碳损失的测定，

C_loss＝ΔDOC+ΔCH₄+ΔCO₂；

其中，ΔDOC为冻融前后土壤可溶性有机碳的差值；

ΔCO₂为整个冻融期二氧化碳排放总体通量；

ΔCH₄为整个冻融期甲烷排放总体通量。

本实施例原位监测土壤冻融装置土柱室和气体缓冲室的尺寸相同，柱体高100mm， 内径90mm，外径100mm，土柱室内填有10cm厚土层，胶套为橡胶材质，在位于土柱 室上方的胶套水平胶板上开有15个气孔，孔直径5mm，用以使土柱室和气体缓冲室气 体连通。传统碳损失计算方法(可参考文献BuNB,QuJF,LiG.2015.Reclamationofcoastal saltmarshespromotedcarbonlossfrompreviously-sequesteredsoilcarbonpool.Ecological Engineering,81:335-339)，计算土壤碳损失C_loss，多不考虑不同土层SOC的含量差异， 而仅仅计算土壤表层0～20cm的SOC含量变化。同时，有的研究也计算土壤呼吸CO₂的排放通量，但是对于湿地土壤来说，在冻融期通过厌氧作用产生的CH₄排放通量，反 而比CO₂的排放通量大很多，因此不能忽略CH₄排放。对于实验所用季节性冻土而言， 通过传统方法计算冻融过程土壤碳损失量，冻融前其为57.23gkg^-1，冻融后为53.26gkg^-1， 一个冻融周期的土壤碳损失量是3.97gkg^-1，约为6.94％。采用本实施例基于原位监测土 壤冻融装置测定土壤碳损失的方法，冻融前，4层土柱室(0～10cm、10～20cm、20～ 30cm和30～40cm)DOC含量分别为38.01mgkg^-1、34.02mgkg^-1、29.55mgkg^-1和 26.31mgkg^-1，冻融后DOC分别为47.67mgkg^-1、40.41mgkg^-1、33.43mgkg^-1和29.87mg kg^-1。其中土柱室的内径为90mm，高100mm，4层土壤湿重分别为522g、748g、825g 和920g，同时，4层土柱室的CO₂排放通量分别为262.34gm^-2/冻融季、245.45gm^-2/ 冻融季、178.11gm^-2/冻融季和150.13gm^-2/冻融季，而4层土柱室的CH₄排放通量为 1630.06gm^-2/冻融季、2530.67gm^-2/冻融季、2304.44gm^-2/冻融季和1930.676gm^-2/冻融 季。按照C_loss＝ΔDOC+ΔCH₄+ΔCO₂的公式，整个土壤冻融活动层0～40cm的碳损失量C_loss为5.46gkg^-1，精度提高了37.5个百分点。