用于土壤有机碳矿化能力测定的培养装置及测定方法

摘要

本发明公开了一种用于土壤有机碳矿化能力测定的培养装置以及测定方法，包括培养箱和氮气供给装置，在培养箱内设置有土样培养管和三角瓶，在培养前向土样培养管中通入氮气，将土样培养管中本身含有的CO

说明书

技术领域

本发明属于土壤样品培养技术领域，尤其涉及一种用于土壤有机碳矿化能力测定的培养装置以及利用该装置进行土壤有机碳矿化能力测定的方法。

背景技术

土壤有机碳矿化是土壤有机碳动态变化的一个关键过程，它是指土壤通过动、植物和微生物进行代谢，同时释放出CO₂的过程。这个过程直接关系到土壤养分的释放和供给，也关系到温室气体的形成和排放。控制有机碳矿化影响因子(如底物、温度、湿度等)对土壤进行培养，测定在对应条件下，不同类型、深度土壤有机碳矿化速率，对于建立气候变化、大气污染模型和全球碳素平衡具有重大意义。

传统的土壤有机碳矿化培养方法，如吴建国等人在《植物生态学报》发表的《六盘山林区几种土地利用方式对土壤有机碳矿化影响的比较》(2004，28(4)530-538)把不同土地利用方式、不同深度的风干土装在1000ml的广口瓶中，并在广口瓶内放置盛有0.1mol/L NaOH溶液的烧杯,用以吸收培养过程中释放的CO₂气体,将广口瓶密封后，放入人工气候箱中，控制温度30℃，在分别放置1、2、4、8、18、28、38、48、68、88、130、150和180d后，取出碱液加入BaCl₂(1mol/L)溶液3ml，用HCl滴定法测定释放的CO₂。首先，该方法不能排除广口瓶中本身含有的CO₂对实验造成的影响，其次，在实验过程中需多次打开广口瓶取出并更换NaOH溶液，无法连续收集土壤培养过程中所释放的CO₂，实验操作繁琐，且每次打开广口瓶均会对实验造成一定的误差。另外，其他的大多数的土壤有机碳矿化培养方法均忽略了培养容器中本身含有的CO₂对实验结果造成的影响。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于土壤有机碳矿化能力测定的培养装置以及利用该装置进行土壤有机碳矿化能力测定的方法，能够连续、精确、有效地对土壤有机碳矿化能力进行测定。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的用于土壤有机碳矿化能力测定的培养装置，包括：培养箱和氮气供给装置；在培养箱内设置有隔离板，隔离板将培养箱隔离成土样培养区域和气体收集区域，土样培养区域用于放置土样培养管，气体收集区域用于放置三角瓶；所述土样培养管内填装有土壤样品，用于对土样样品进行培养以产生CO₂气体，所述土样培养管内还设置有温度探头；所述三角瓶通过导气管与所述土样培养管之间进行连通，其内装有NaOH溶液，用于收集土样所释放的CO₂气体；在所述培养箱内还设置有加热装置和制冷装置，在所述培养箱外设置有控制面板；所述氮气供给装置设置在所述培养箱的外部，通过导气管与所述土样培养管连通。

相应的，本发明还公开了一种利用培养装置进行土壤有机矿化能力测定的方法，包括以下步骤：

土样采集：将采集的土壤样品置于土样培养管中，并将土样培养管的顶端开口、第一导气管接口以及第二导气管接口进行密封，然后将采集好的土壤样品放入培养箱中；

CO₂气体收集前的氮气注入：利用导气管连通土样培养管的第一导气管接口和氮气供给装置，利用氮气供给装置通入的氮气置换土样培养管中的空气；

温度控制：启动加热装置和制冷装置，对土壤样品进行矿化培养；

CO₂气体收集：利用导气管连通土样培养管的第二导气管接口和三角瓶，三角瓶的NaOH溶液吸收土壤有机碳矿化过程中所释放的CO₂；

矿化率测定：用HCl滴定法来测定NaOH溶液吸收的CO₂，最后把CO₂累计释放量转化为矿化速率。

有益效果：本发明中用于土壤有机碳矿化能力测定的培养装置设有单独的气体收集区域，用于收集CO₂的三角瓶可随时更替，进而可以实现连续收集同一个土样培养过程中所释放出的CO₂；设有氮气供给装置，在培养前向土样培养管中通入氮气，将土样培养管中本身含有的CO₂排尽，在培养结束后再向土样培养管中通入氮气，将矿化过程中产生的CO₂气体全部推入气体收集单元中，从而进一步减小了实验误差；培养箱采用塑料材质，价格低廉；培养箱内部设有隔热保温层，且设置了温度控制管，可有效的控制土样培养所需要的温度条件。本发明中的土壤有机矿化能力测定方法，利用上述培养装置，在培养前向土样培养管中通入氮气，将土样培养管中本身含有的CO₂排尽；进一步地，在培养结束后再向土样培养管中通入氮气，将矿化过程中产生的CO₂气体全部推入三角瓶中，从而进一步减小了实验误差；另外，使用真空硅胶代替橡胶圈对装置各接口进行均匀涂抹密封，有效的保证了系统的气密性。

附图说明

图1是本发明中用于土壤有机碳矿化能力测定的培养装置的结构示意图；

图2是土样培养管的结构示意图；

图1中，1是培养箱，2是隔离板，3是土样培养管，4是三角瓶，5是加热管，6是电风扇，7是气流控制阀门，8是流量计，9是氮气供给装置，10是控制面板；11是温度探头；图2中，31是土样培养管的顶端开口，32是土样培养管的第一导气管接口，33是土样培养管的第二导气管接口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，用于土壤有机碳矿化能力测定的培养装置包括：培养箱1和氮气供给装置9；在培养箱1内设置有隔离板2，隔离板2将培养箱1隔离成两个区域，一个区域称为土样培养区域，用于放置土样培养管3，另一个区域称为气体收集区域，用于放置三角瓶4，土样培养管3与三角瓶4对应设置，即一个土样培养管3对应一个三角瓶4；土样培养管3内填装有土壤样品，用于对土样样品进行培养以产生CO₂气体，土样培养管3内还设置有温度探头11；三角瓶4通过导气管与土样培养管3之间进行连通，其内装有过量的NaOH溶液，用于收集土样所释放的CO₂气体；在培养箱1内还设置有加热装置5和制冷装置6，在培养箱1外部设置有控制面板10，控制面板10和加热装置5和制冷装置6之间分别电连接，便于对加热装置5和制冷装置6进行控制；氮气供给装置9设置在培养箱1的外部，通过导气管与土样培养管3连通，为土样培养管3通入氮气。

培养箱1采用密闭结构，长为50cm，宽为40m，高为50cm，培养箱1的箱体内设置有隔热保温层，例如箱体可以采用双层结构，箱体外部主体材料为塑料，内层采用常见的隔热保温材料，如聚乙烯泡沫板(EPS)，内外两层之间的缝隙供电扇、加热管等线路的连接。培养箱1里设有培养架，将土样培养区域分割成若干个土样培养单元，可同时放置多个土样培养管，土样培养管3的高度为15cm，直径为10cm，若放置多个土样培养管3时，可以选择在一个土样培养管3中设置温度探头11来进行温度采集，降低成本。

如图1和2中所示，土样培养管3为有机玻璃材质，采用上端开口的管状结构，其一侧壁下端设置有第一导气管接口32，与该侧壁相对的另一侧壁上端设置有第二导气管接口33，第一导气管接口32通过导气管与氮气供给装置9连通，在该导气管上还设置有气流控制阀7和流量计8；第二导气管接口33通过导气管与三角瓶4连通。

上述氮气供给装置9可以采用钢瓶，加热装置5可以采用加热管，制冷装置6可以采用电风扇。加热装置5可以采用金属加热管，且在培养箱1箱体的上下部位各设一个，使培养箱1中的土样培养管3能够受热均匀；制冷装置6可以采用两台小型电风扇，置于箱底的左右两端。

采用图1中的培养装置进行土壤有机矿化能力测定时，包括以下步骤：

土样采集：用土样采集器在待测定土地区域随机采取代表性土壤样品(采样数量视实验具体要求而定)，将土壤样品置于土样培养管3中，并将土样培养管的顶端开口31、第一导气管接口32以及第二导气管接口33进行密封，然后将采集好的样品放入培养箱1中；

氮气注入：利用导气管连通土样培养管3的第一导气管接口3.2和氮气供给装置9，并用真空硅胶对导气管接口均匀涂抹起到密封作用，然后打开气流控制阀门7，再打开氮气供给装置9的开关，匀速通入氮气气体，通过流量计8进行流量控制，通入氮气的气体体积大于或等于土壤培养管中加入土样后剩余的体积，以此将各培养管中的空气排尽，去除原有CO₂气体的干扰；利用导气管连通土样培养管3的第二导气管接口和三角瓶4，并用真空硅胶对导气管接口均匀涂抹起到密封作用；

温度控制：启动本装置的加热装置5和制冷装置6，并观察土样培养管中温度探头11的读数，调节控制面板10，直到温度控制管的温度达到培养所需的温度，在此情况下，对土壤样品进行矿化培养；

CO₂气体收集：利用三角瓶4的NaOH溶液吸收土壤有机碳矿化过程中所释放的CO₂；

矿化率测定：用HCl滴定法来测定NaOH溶液吸收的CO₂，最后把CO₂累计释放量转化为矿化速率。

为了进一步提高实验误差，在CO₂气体收集步骤结束后，还可以对土样培养管中再次通入氮气，通入氮气的体积以等于或略小于土样培养管体积为宜,以便于将矿化过程中产生的CO₂气体全部推入三角瓶中。

利用本发明中的培养装置进行土壤有机矿化能力测定时，只需要根据实验需要将三角瓶进行替换即可，相比于背景技术中介绍的测定装置需要多次打开广口瓶来替换NaOH溶液造成CO₂气体流失，能够连续收集土壤培养过程中所释放的CO₂。另外，通过控制面板对培养箱进行温度控制，便于操作，相对于恒温培养箱，又降低了测试成本。