一种测定室内培养土壤温室气体排放的方法

摘要

本发明涉及一种测定室内培养土壤温室气体排放的方法，本发明方法利用换气培养采气一体化装置进行，所述的换气培养采气一体化装置包括换气装置以及与换气装置连接的培养采气装置；测定方法包括土壤开放式培养、换气、密闭培养、气体采集，该方法消除了前期土壤产生的气体对密闭培养气体排放的影响，实现常压下密闭培养，同时克服采样造成负压对目标气体产生的吸收问题，并且一次可以完成多个培养瓶的培养与气体采集，初始培养浓度一致，工作效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测定室内培养土壤温室气体排放的方法，属于温室气体监测研究技术领域。

背景技术

大气中温室气体浓度的增加是全球气候变暖的主要促动因素，二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)是大气中3种最重要的温室气体，他们对全球变暖的贡献率占了近80％，且其大气浓度分别以0.5％、0.8％和0.3％的年均速率增长。在所有温室气体排放源中，土壤是最重要的排放源，据估计，大气中每年有5％-20％的CO₂、15％-30％的CH₄和80％-90％的N₂O来源于土壤。因此，国内外学者对不同生态系统土壤的3种主要温室气体排放开展了相关观测与研究。

目前主要利用箱法和微气象法在野外进行原位观测，研究温室气体排放的日变化、季节和年际变化规律，并估算全年排放量。由于野外环境的复杂性、不可预知性和实验条件的局限性，还需要通过结合条件可控的室内土壤培养实验，对环境控制因子或特定情景模式下温室气体的排放开展研究。室内土壤培养实验是定量和深入了解气体排放机理和影响因素的最有力手段，亦是对野外观测试验的有效补充。目前研究中多采用室内土壤间歇式密闭培养取气法，该方法是将一定量的土壤样品按照试验要求调节后装入培养瓶中，置于一定环境下进行敞口培养，定期通过重量法补充蒸发损失的水分，经过短时间密闭培养，采集密闭前和密闭后培养瓶内气体，利用气相色谱法测定气体含量，样品采集后再进行开放式培养直至下次采集气体样品。为便于批量室内培养，实验中多采用体积较小的玻璃瓶作为培养瓶，如250ml的三角瓶或100ml无菌血清瓶，如果按照上述方法进行操作，可能会出现干扰培养土壤气体排放的问题，从而影响实验结果的准确性。影响原因主要有以下几点：1)由于培养瓶口较小，土壤培养释放的气体不宜散出，造成气体浓度增加而影响培养期间气体的排放。2)密闭培养过程中，土壤释放的气体会导致培养装置内气体压力高于大气压，无法保持土壤-底层大气交界面的自然浓度梯度，得出的结果难以描述土壤的实际气体释放。3)用玻璃瓶进行培养，若采样量过大，会造成培养瓶内负压而出现土壤样品吸收气体的现象。4)密闭前和密闭后均采集气样进行分析，工作量大，分析成本较高。5)实验中多用细针头插入硅胶塞内取气，容易造成针头堵塞及长期使用硅胶塞漏气。

目前还没有一种培养更真实有效、更贴近于实际的测定室内培养土壤温室气体排放的方法相关文献的公开。因此，有必要建立一种科学的、适于室内培养土壤温室气体排放的测定方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种测定室内培养土壤温室气体排放的方法，该方法消除了前期土壤产生的气体对密闭培养气体排放的影响，实现常压下密闭培养，同时克服采样造成负压对目标气体产生的吸收问题，并且一次可以完成多个培养瓶的培养与气体采集，保证初始培养浓度一致，提高温室气体测定工作效率。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种测定室内培养土壤温室气体排放的方法，该方法利用换气培养采气一体化装置进行，所述的换气培养采气一体化装置包括换气装置以及与换气装置连接的培养采气装置；

所述的培养采气装置，包括上端开口的培养瓶，上端开口处设置有密封塞，密封塞上设置进气孔和采气孔，进气孔内固定有进气管，进气管一端插入培养瓶内，另一端连接有进气二通阀，进气二通阀的上端口连接平衡管，采气孔内固定采气管，采气管一端插入培养瓶内，另一端连接有采气二通阀，采气二通阀的上端口连接采气针管；

所述的换气装置包括换气总管，换气总管的一个端口通过皮管与抽气泵连接，另一端封闭，换气总管固定在支架上，在换气总管上间隔设置有与换气总管连接的支管，支管上设置有气体开闭装置，支管的底端连接有连接管，连接管与培养采气装置的采气二通阀连接；

测定方法包括土壤开放式培养、换气、密闭培养、气体采集，步骤如下：

(1)土壤开放式培养

将处理好的土样放入培养采气装置的培养瓶中，盖上密封塞并密封，将进气二通阀及采气二通阀打开与外界通气，保持瓶内外自由通气，进行好气培养，培养过程中补充因蒸发损失的水分，达到与培养前的总重量一致；

(2)换气

连接培养采气装置的采气二通阀与连接管，保持进气二通阀打开状态，调节采气二通阀和换气装置支管上的气体开闭装置，使培养瓶与换气装置相通；打开抽气泵开关对培养瓶抽气，使培养瓶内气体与外界相当；然后关闭抽气泵，同时关闭采气二通阀、进气二通阀，使培养瓶处于密闭状态，采集外界气体，外界气体浓度为培养前的初始浓度；

(3)密闭培养

断开采气二通阀与连接管，排空平衡管，将平衡管与进气二通阀连接，打开进气二通阀，使平衡管与培养瓶相通，保持培养瓶内气压；根据试验要求，将整个装置放在相应条件下密闭培养1-24h；

(4)气体采集

密闭培养结束时，将采气针管与采气二通阀连接，打开采气二通阀，反复推拉采气针管，以充分混匀培养瓶内气体，立即采集气体。

本发明优选的，气体采集完毕后，重复步骤(2)，排除培养瓶内土壤培养产生的气体后，再按照步骤(1)继续开放式培养，重复步骤(2)-(4)，实现不同时间段的取样。

本发明优选的，所述步骤(1)中处理好的土壤，可以是经过含水量、氮浓度、pH值、培养温度等不同处理的土壤；土壤质量根据所用培养装置确定。

本发明优选的，步骤(1)，培养前称取并记录土样与培养瓶的总重量，培养过程中用重量法每2-4d补充因蒸发损失的水分，采用带细长针头的注射器通过二通阀向培养瓶内补充蒸馏水，达到与培养前记录的总重量一致。

根据本发明优选的，所述的培养采气装置：

所述的密封塞为硅胶塞，硅胶塞直径与瓶口直径一致为宜。

所述的进气管底端与培养土壤表层之间的距离为培养瓶高度的1/8-1/5。减少进入气体对土壤的扰动。

所述的采气管底端与密封塞底端的距离为密封塞底端与培养土壤表层距离高度的1/5-1/4。

所述的培养瓶为三角瓶、广口瓶或细口瓶等平底容器，材质可选择塑料或玻璃。

所述的进气管和采气管为聚四氟乙烯管，直径为2-2.5mm，以与二通阀的细口端密闭连接为宜，内孔径优选0.8-1.2mm。

所述的二通阀带有阀门开关，用于控制不同端口的闭合状态。

所述的平衡管优选活塞抽拉轻松顺畅的塑料注射器，以方便所述装置在密闭培养状态下，对培养土壤产生的气体进行分压，以保持培养瓶内气压，容量优选10ml-20ml。

本发明优选的，为防止抽气过程中造成负压，影响气体的排放，混匀气体时采气针管的推拉程度与采集的气体体积，均不能超过平衡管内气体体积。

培养采气装置在二通阀与培养瓶平行的端口关闭后，应处于密闭状态。

根据本发明优选的，所述的换气装置：

所述的换气总管为回型管，回型管包括两根平行直管和两根平行竖管，两根平行竖管位于两根平行直管之间并连通形成回路，支管等距间隔设置在两根平行直管上，两根平行直管上的支管交叉相间设置，以便于放置培养采气装置，一次完成多个培养瓶的换气。

所述的支管数量为10-20个，相邻支管间隔10cm-20cm。

所述的气体开闭装置优选为活塞。

本发明的回型管、支管和活塞的材质为玻璃；皮管和连接管的材质为中空的硬质塑料，防止抽气时塑料管变形。

两根平行直管分别向两端延伸至竖管外形成连接端，回型管通过连接端固定在支架上。

本发明较为优选的一个方案，回型管通过烧瓶夹和十字夹固定在支架，烧瓶夹上设置有调节螺丝，用于夹住回型管，烧瓶夹通过定位螺丝固定在十字夹上，十字夹通过调距螺丝固定在支架。

根据本发明优选的，换气时间为30s-3min。换气根据培养瓶体积、瓶内气体累积浓度和抽气速率综合考虑进行调节，以满足排除培养瓶内前期培养产生的气体，使培养瓶内气体与外界相当为宜。

根据本发明优选的，密闭培养时间为2-10h，以满足培养瓶内气体累积浓度和仪器的检测限度。

本发明所用原料及设备均为现有技术。

本发明的优点如下：

1、本发明提供的装置结构简单、易于制造，材料易得、价格低廉，拆装方便、易于清洗，操作方便，模拟效果好，适用于室内模拟土壤的培养和气体采集。

2、利用本发明的技术方案，用采气针管通过二通阀直接采气，很大程度上避免了用细长针头插入硅胶管采气时造成针孔堵塞及由于插入针头导致硅胶塞漏气的问题。

3、利用本发明的技术方案，换气步骤可以克服培养瓶内前期土壤释放气体浓度的增加影响密闭培养期间目标气体排放的问题，一次可以完成多个培养瓶的换气，采集培养瓶附近空气作为初始培养气体，初始气体浓度一致，工作量减半。

4、利用本发明的技术方案，可以实现密闭培养过程中对土壤释放气体的分压，保持常压下培养，并能够避免采样时造成负压对目标气体产生吸收的问题，从而获得较为接近实际状况下的土壤气体排放。

综上所述，本发明的土壤培养与气体采集装置，具有制造简单、成本低廉、便于清洗、操作方便快速等特点，使用过程能够保持常压密闭培养，并避免产生负压影响目标气体排放，还能提高工作效率的优点，保证室内模拟实验的质量。

附图说明

图1是本发明方法使用的换气培养采气一体化装置的换气装置的结构示意图；

其中：1、回型管；2、支管；3、活塞；4、烧瓶夹；5、调节螺丝；6、十字夹；7、螺丝；8、调距螺丝；9、支架；10、皮管；11、抽气泵；12、连接管。

图2是图1本发明方法使用的换气培养采气一体化装置的培养采气装置的结构示意图；

其中：13、培养瓶；14、密封塞；15、进气孔；16、采气孔；17、进气管；18、采气管；19、二通阀；20、平衡管；21、采气针管；22、培养样品。

图3是本发明方法使用的换气培养采气一体化装置的结构示意图。

图4为本发明方法测定的不同pH值下土壤N₂O排放速率柱状图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1、

一种测定室内培养土壤温室气体排放的方法，该方法利用换气培养采气一体化装置进行，所述的换气培养采气一体化装置包括换气装置以及与换气装置连接的培养采气装置；

所述的培养采气装置，结构如图2所示，包括上端开口的培养瓶13，上端开口处设置有密封塞，密封塞为硅胶塞14，硅胶塞直径与瓶口直径一致为宜，密封塞上设置进气孔15和采气孔16，进气孔15内固定有进气管17，进气管17一端插入培养瓶13内，进气管底端与培养土壤表层之间的距离为培养瓶高度的1/8-1/5。减少进入气体对土壤的扰动。另一端连接有进气二通阀19，进气二通阀19的上端口连接平衡管20，采气孔16内固定采气管18，采气管18一端插入培养瓶13内，采气管底端与密封塞底端的距离为密封塞底端与培养土壤表层距离高度的1/5-1/4。另一端连接有采气二通阀19；采气二通阀19的上端口连接采气针管21。培养瓶为广口瓶，进气管和采气管为聚四氟乙烯管，直径为2-2.5mm，以与二通阀的细口端密闭连接为宜，内孔径优选0.8-1.2mm。二通阀带有阀门开关，用于控制不同端口的闭合状态。平衡管优选活塞抽拉轻松顺畅的塑料注射器，以方便所述装置在密闭培养状态下，对培养土壤产生的气体进行分压，以保持培养瓶内气压，容量优选10ml-20ml。换气装置，结构如图1所示，包括换气总管，换气总管的一个端口通过皮管10与抽气泵11连接，换气总管的另一端封闭，换气总管固定在支架9上，在换气总管上间隔设置有与换气总管连接的支管2，支管2上设置有气体开闭装置，支管2的底端连接有连接管12，连接管12与培养采气装置的采气二通阀连接；

所述的换气总管为回型管1，回型管1包括两根平行直管和两根平行竖管，两根平行竖管位于两根平行直管之间并连通形成回路，支管2等距间隔设置在两根平行直管上，两根平行直管上的支管交叉相间设置。以便于放置培养采气装置，一次完成多个培养瓶的培养与气体采集。

所述的支管2数量为10-20个，相邻支管间隔10cm-20cm。气体开闭装置优选为活塞3。

回型管、支管和活塞的材质为玻璃；皮管和连接管的材质为中空的硬质塑料，以防止抽气时塑料管变形。

两根平行直管分别向两端延伸至竖管外形成连接端，回型管通过连接端固定在支架上。

回型管通过烧瓶夹4和十字夹6固定在支架，烧瓶夹4上设置有调节螺丝5，用于夹住回型管，烧瓶夹4通过定位螺丝7固定在十字夹上，十字夹通过调距螺丝8固定在支架。

测定方法包括土壤开放式培养、换气、密闭培养、气体采集，步骤如下：

(1)土壤开放式培养

将处理好的50g土样放入培养采气装置的培养瓶中，盖上密封塞并密封，称取并记录土样与培养瓶的总重量，连接换气装置与培养采气装置，将进气二通阀及采气二通阀打开与外界通气，保持瓶内外自由通气，放在25℃的条件下进行好气培养。培养过程中用重量法定期2d补充因蒸发损失的水分，即用带细长针头的注射器通过二通阀向瓶内补充蒸馏水，达到与培养前记录的总重量一致。

(2)换气

连接培养采气装置的采气二通阀与连接管，保持进气二通阀打开状态，调节采气二通阀、换气装置支管上的气体开闭装置，使培养瓶与换气装置相通；打开抽气泵开关对培养瓶抽气1.5min，使培养瓶内气体与外界相当；然后关闭抽气泵，同时关闭采气二通阀、进气二通阀，使培养瓶处于密闭状态，采集培养瓶附近空气，空气中温室气体浓度为培养前的初始浓度；

(3)密闭培养

断开采气二通阀与连接管，排空平衡管，将平衡管与进气二通阀连接，打开进气二通阀，使平衡管与培养瓶相通，保持培养瓶内气压；根据试验要求，将整个装置放在25℃的条件下密闭培养2h；

(4)气体采集

密闭培养结束时，二通阀将采气针管与采气二通阀连接，打开采气二通阀，反复推拉采气针管3-5次，以充分混匀培养瓶内气体，立即采集气体。

气体采集完毕后，重复步骤(2)，排除培养瓶内土壤培养产生的气体后，再按照步骤(1)继续开放式培养，重复步骤(2)-(4)，实现不同时间段的取样。

实施例2、

一种测定室内培养土壤温室气体排放的方法，如实施例1所述，不同之处在于：培养瓶为150ml三角瓶，处理好的土样为15g，进气管长11cm，平衡管和采气针管的容量分别为10ml和20ml。换气时间为30s，25℃恒温密闭培养4h后采气。

实施例3、

一种测定室内培养土壤温室气体排放的方法，如实施例1所述，不同之处在于：回型管的平行直管上配有10个等距离间隔的支管，两根直管上的支管交叉相间，便于放置培养采气装置，最多可以同时完成20个培养瓶的换气工作。

实施例4、

一种测定室内培养土壤温室气体排放的方法，如实施例1所述，不同之处在于：采集新鲜土壤，pH值为7.5，称取50g(以烘干土计)过1mm筛的土样，分别调pH值至5和9.5，每个处理3次重复，开放式培养3d后，取气样，用气相色谱仪测定N₂O的含量。该方法测定的不同pH值下土壤N₂O排放速率如图4所示，在土壤的自然pH值下(7.5)，土壤释放N₂O的能力最强，达到270.7ng>-1d^-1，显著高于偏酸(pH5)或偏碱(pH9.5)条件下N₂O的释放。

实施例5、

一种测定室内培养土壤温室气体排放的方法，如实施例3所述，不同之处在于：采集新鲜土壤，称取50g(以烘干土计)过1mm筛的土样，分别加入含氮量(0.1mg>-1干土)相等的各种氮肥：尿素、长效尿素和硫酸铵，同时设一对照(不添加任何物质)，每个处理3次重复，分别于施肥后第1、2、3、5和10d取气样，用气相色谱仪测定N₂O的含量。

表1不同碳源下的土壤N₂O排放速率(ng>-1d^-1)

从表1可以看出，不同形态的氮源对N₂O释放的影响不同。尿素处理下N₂O的排放速率最大，其次是硫酸铵，而长效尿素对N₂O的释放影响最弱。各处理下N₂O的释放速率随培养时间的延长，呈增加趋势，基本在第2d达最高，随后逐渐降低，第5d后各处理基本与对照一致。从本试验结果看，施肥后前3d是N₂O排放高峰期，施用长效尿素可以有效减少N₂O的释放。