一種測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的裝置，包括空氣吸入管路、二氧化碳過濾器、土壤氣室和碳同位素分析儀；所述二氧化碳過濾器的進(jìn)氣孔連接所述空氣吸入管路，二氧化碳過濾器的出氣孔連接土壤氣室，所述土壤氣室通過氣路管線連接所述碳同位素分析儀。本發(fā)明還提出應(yīng)用所述裝置進(jìn)行土壤呼吸及碳同位素測(cè)定的方法。本發(fā)明提出的裝置，設(shè)置在樣地上，直接獲取土壤呼吸數(shù)據(jù)，不需要采樣帶回實(shí)驗(yàn)室，對(duì)植物無(wú)損，快捷方便；采用的裝置在白天、夜晚、雨天均可測(cè)量，可以獲得一個(gè)季度、一年內(nèi)樹木的完整的呼吸信息。
【專利說明】
一種測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于分析測(cè)試領(lǐng)域，具體涉及一種利用同位素分析測(cè)定土壤呼吸的裝置和 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 土壤呼吸作為生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成過程，是將土壤中的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī) 碳并將其歸還給大氣的主要途徑，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵一環(huán)，在全球碳循環(huán)中十分重 要。全球?qū)τ谕寥篮粑难芯科鸩接诙兰o(jì)，在二十世紀(jì)初，關(guān)于土壤呼吸的研究主要在 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，其目標(biāo)為測(cè)評(píng)土壤肥力以及土壤微生物的活性。從二十世紀(jì)中期開始，有關(guān) 土壤呼吸的研究變得活躍起來(lái)，這一時(shí)期由于研究手段的不斷優(yōu)化，研究的精度和尺度也 得到了大幅提升。直到二十世紀(jì)九十年代，隨著全球氣候變化成為世界研究的熱點(diǎn)，全球碳 循環(huán)中的土壤呼吸作為其重要的組成部分，也越來(lái)越受到關(guān)注，特別是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)手段 的進(jìn)步，使得土壤呼吸的研究進(jìn)一步定量化，時(shí)間分辨率進(jìn)一步提高。但是由于土壤中構(gòu)成 較為復(fù)雜，包括自養(yǎng)與異養(yǎng)生物，因此對(duì)土壤呼吸組分進(jìn)行區(qū)分是土壤呼吸研究中不可或 缺的重要組成部分?，F(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)土壤呼吸及其產(chǎn)生的碳同位素的分析主要方法有以下 二種：
[0003] 1、堿液吸收法:堿液吸收法是在靜態(tài)箱中，用堿液或者固體堿對(duì)土壤一定時(shí)間內(nèi) 產(chǎn)生的二氧化碳進(jìn)行吸收，后經(jīng)過稱重或者滴定法對(duì)吸收的二氧化碳進(jìn)行求解，計(jì)算得出 該段時(shí)間內(nèi)土壤呼吸的二氧化碳量，并用同位素質(zhì)譜儀對(duì)收集的二氧化碳進(jìn)行質(zhì)譜分析， 得到其S13C值。其優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單易行，不需要復(fù)雜設(shè)備，成本較低，但是結(jié)果真值受影響因 素較多，如堿液濃度，操作失誤等，且不適合連續(xù)觀測(cè)；
[0004] 2、靜態(tài)箱紅外分析法:靜態(tài)箱紅外分析法是將靜態(tài)箱中的氣體定時(shí)抽出，用二氧 化碳紅外分析儀進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)二氧化碳濃度隨時(shí)間變化來(lái)確定土壤呼吸速率，同時(shí)用同 位素質(zhì)譜儀對(duì)抽出氣體進(jìn)行質(zhì)譜分析，得到其W3C值。較之堿液吸收法，紅外分析法測(cè)量更 為準(zhǔn)確，并且可以長(zhǎng)期觀測(cè)，但本方法所需克服的問題在于如何確定靜態(tài)箱的大小，若靜態(tài) 箱太大，則二氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散不穩(wěn)定，所得二氧化碳濃度值誤差較大，若靜態(tài)箱太小，在抽 取空氣后，會(huì)造成氣室內(nèi)氣壓改變，同樣影響實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，同時(shí)其儀器成本高，且仍無(wú)法克 服高時(shí)間分辨率下測(cè)定土壤呼吸的問題
[0005] 3、動(dòng)態(tài)箱紅外分析法:本方法是目前測(cè)定土壤呼吸值應(yīng)用最為廣泛的一種方法， 以LI-COR公司8100 土壤呼吸測(cè)量系統(tǒng)為代表，其原理為通過交換式氣流箱收集一段時(shí)間內(nèi) 土壤呼吸產(chǎn)生的氣體，檢測(cè)其濃度隨時(shí)間變化，從而計(jì)算得出土壤呼吸通量。其優(yōu)點(diǎn)為操作 簡(jiǎn)便，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)，但是受到空氣流通速率與氣室內(nèi)外氣壓差影響，且儀器成本較 高。同時(shí)，由于裝置本身不能對(duì)土壤呼吸氣體進(jìn)行收集，故在測(cè)定土壤呼吸值后，需對(duì)土壤 進(jìn)行取樣，測(cè)定土壤中的 13C同位素值。應(yīng)用此種方法的前提是假設(shè)，植物根系組織和土壤有 機(jī)質(zhì)中的S13C值可以分別代表根呼吸和土壤微生物呼吸產(chǎn)生的S 13C值。即呼吸作用對(duì)13C不 產(chǎn)生分餾作用。此外，該方法并非同時(shí)測(cè)定同一土壤、同一條件下呼吸值及其同位素比率， 不可避免將產(chǎn)生誤差。
[0006] 上述方法中，均不能同時(shí)保證土壤呼吸值及其S13C值的測(cè)量準(zhǔn)確度，在測(cè)量中不能 兼顧，并且難以進(jìn)行協(xié)同觀測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)本領(lǐng)域針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中土壤呼吸測(cè)定方法存在的上述不足，本發(fā)明要解決的 技術(shù)問題是提供一種高時(shí)間精度要求下自動(dòng)化測(cè)定土壤呼吸及其S 13C值的裝置及方法。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的的技術(shù)方案為：
[0009] 一種測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的裝置，包括空氣吸入管路、二氧化碳過濾器、土壤 氣室和碳同位素分析儀；
[0010] 所述二氧化碳過濾器的進(jìn)氣孔連接所述空氣吸入管路，二氧化碳過濾器的出氣孔 連接土壤氣室，所述土壤氣室通過氣路管線連接所述碳同位素分析儀。
[0011] 其中，所述二氧化碳過濾器內(nèi)填充有鈉石灰;所述空氣吸入管路為Tef Ion材料制 成。
[0012] 鈉石灰又稱堿石灰，是常用的干燥劑，此處填充于二氧化碳過濾器內(nèi)，將空氣中的 二氧化碳吸收，保證進(jìn)入土壤氣室的氣體不含有空氣中帶入的二氧化碳。
[0013] 其中，所述土壤氣室為沒有容器底的圓柱形或立方體形狀容器，氣室頂部開有二 個(gè)氣孔，二個(gè)氣孔在氣室頂部以最大距離分布;二個(gè)氣孔分別用于進(jìn)氣和出氣，用于出氣的 氣孔通過氣路管線連接所述碳同位素分析儀。對(duì)于圓形氣室頂部，兩個(gè)氣孔分布在一條直 徑的兩端;對(duì)于方形氣室頂部，兩個(gè)氣孔分布于對(duì)角線兩端。
[0014] 土壤氣室用透明材料制作，可以對(duì)被測(cè)土壤進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，以防誤差影響結(jié)果。 [0015] 優(yōu)選地，所述土壤氣室為圓柱形容器，直徑15~25cm，高20~30cm，連接于所述碳 同位素分析儀的氣路管線穿過氣孔插入土壤氣室的底部。
[0016] 其中，所述氣路管線上設(shè)置有水汽干燥器和濾塵塞，所述水汽干燥器內(nèi)填充有無(wú) 水氯化鈣。
[0017] 其中，所述碳同位素分析儀設(shè)置有多路器，所述氣路管線通過多路器連接所述碳 同位素分析儀;所述碳同位素分析儀通過多路器還連接有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣瓶。
[0018] 由于土壤呼吸的空間差異較大，故為研究某個(gè)樣地的土壤呼吸值，需要在目標(biāo)樣 地中安置多個(gè)土壤氣室，以重復(fù)試驗(yàn)以求平均，使其更具有代表性。同一片林分內(nèi)，土壤呼 吸值差別也是巨大的，因此，布設(shè)氣室的方法為隨機(jī)布設(shè)，因?yàn)椴町愝^大，無(wú)規(guī)律可循。故多 次測(cè)量取平均。
[0019] 所述多路器可以最多連接8個(gè)氣路管線，可以一次設(shè)置1~6個(gè)土壤氣室，進(jìn)行1~6 個(gè)位置采樣。土壤氣室根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，可自行設(shè)置安裝位置，對(duì)于方形樣地，可安置于距離 實(shí)驗(yàn)樣地對(duì)角線的位置，按對(duì)角線長(zhǎng)度方向均勻布設(shè)6個(gè)土壤氣室。
[0020] 其中，所述碳同位素分析儀采用光腔衰蕩光譜技術(shù)測(cè)量氣體樣品。例如LGR公司產(chǎn) CCIA-36d-EP型同位素分析儀。
[0021] 使用光譜技術(shù)測(cè)定樣品內(nèi)碳同位素比率的方法相較于同位素質(zhì)譜分析技術(shù)，光譜 法大大提高了測(cè)量的時(shí)間精度，以及極大的降低了測(cè)定成本，使高時(shí)間精度下的連續(xù)觀測(cè) 成為了可能。
[0022] 一種測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的方法，采用本發(fā)明所述的裝置，包括步驟：
[0023] 1)土壤氣室布設(shè)在樣地上，共設(shè)置1~6個(gè)土壤氣室，土壤氣室的側(cè)壁插入土中10 ~20cm;
[0024] 2)測(cè)定開始前，檢查二氧化碳過濾器中，鈉石灰試劑有無(wú)變色反應(yīng)(鈉石灰變色說 明已吸收足量二氧化碳，為保證實(shí)驗(yàn)精確，需更換新的鈉石灰試劑）；檢查水汽過濾系統(tǒng)中， 無(wú)水氯化鈣試劑有無(wú)變色反應(yīng)，若變色，則需及時(shí)更換；
[0025] 3)開啟碳同位素分析儀，用標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)，
[0026] 4)碳同位素分析儀的內(nèi)置氣栗抽入土壤氣室內(nèi)的氣體進(jìn)行測(cè)定。
[0027] 所述標(biāo)準(zhǔn)氣體的選擇可以為：標(biāo)準(zhǔn)氣體為⑶2體積濃度398.6ppm、13C同位素比率 (S13C值)為13 · 27%。，和CO2體積濃度396 · 6ppm、13C同位素比率W13C值)為29 · 66%。兩種；
[0028] 其中，利用多路器，分別測(cè)定不同土壤氣室內(nèi)的氣體，每個(gè)氣室測(cè)定時(shí)間為5分鐘， 其中前2分鐘用于穩(wěn)定氣路，對(duì)后3分鐘的測(cè)定進(jìn)行記錄，完成一輪測(cè)定后用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行 一次校準(zhǔn)。
[0029] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提出的裝置，設(shè)置在樣地上，直接獲取土壤呼吸數(shù) 據(jù)，不需要采樣帶回實(shí)驗(yàn)室，對(duì)植物無(wú)損，快捷方便;采用的裝置在白天、夜晚、雨天均可測(cè) 量，可以獲得一個(gè)季度、一年內(nèi)樹木的完整的呼吸信息。
[0030] 本發(fā)明提出的方法，基于光腔衰蕩光譜(CRDS)技術(shù)，提高了測(cè)量精度和速度，其最 高測(cè)定頻率可達(dá)IHz;可以一次設(shè)置多個(gè)土壤氣室進(jìn)行測(cè)量，大大提高了工作效率。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明裝置的設(shè)置示意圖。
[0032] 圖2為本發(fā)明裝置的土壤氣室示意圖。
[0033] 圖3為本發(fā)明裝置的二氧化碳過濾器示意圖。
[0034]圖中，1為空氣吸入管路，2為二氧化碳過濾器，3為氣孔，4為土壤氣室，5為水汽干 燥器，6為濾塵塞，7為多路器，8為連接標(biāo)準(zhǔn)氣體氣瓶的管線，9為同位素分析儀。
【具體實(shí)施方式】
[0035]以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0036]實(shí)施例中，所用同位素分析儀為L(zhǎng)GR公司產(chǎn)CCIA-36d-EP型同位素分析儀。
[0037]實(shí)施例中，如無(wú)特殊說明，所使用的方法均為本領(lǐng)域常規(guī)的方法。
[0038] 實(shí)施例1:
[0039]如圖1，、一種測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的裝置，包括空氣吸入管路1、二氧化碳過 濾器2、土壤氣室4和碳同位素分析儀9;
[0040] 二氧化碳過濾器有兩個(gè)氣孔3,一端的氣孔為進(jìn)氣孔，連接空氣吸入管路1，另一端 的氣孔為出氣孔，連接于土壤氣室4，所述土壤氣室通過氣路管線連接碳同位素分析儀9。二 氧化碳過濾器2內(nèi)填充有鈉石灰;所述空氣吸入管路為Teflon材料制成，不吸附氣體同時(shí)極 耐腐蝕(圖2和圖3)。
[0041 ] 土壤氣室4為沒有容器底的圓柱形容器，氣室頂部開有二個(gè)氣孔3，二個(gè)氣孔在氣 室頂部分布在一條直徑的兩端;二個(gè)氣孔分別用于進(jìn)氣和出氣，用于出氣的氣孔通過氣路 管線連接碳同位素分析儀9。
[0042] 土壤氣室直徑25cm，高20cm，有機(jī)玻璃制作，連接于所述碳同位素分析儀的氣路管 線穿過氣孔插入土壤氣室的底部。氣路管線上設(shè)置有水汽干燥器5和濾塵塞6,水汽干燥器5 內(nèi)填充有無(wú)水氯化鈣。碳同位素分析儀設(shè)置有多路器7,所述氣路管線通過多路器連接所述 碳同位素分析儀;碳同位素分析儀通過多路器和連接標(biāo)準(zhǔn)氣體氣瓶的管線8連接有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 氣瓶。
[0043]采用本實(shí)施例的裝置，測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的方法，包括步驟：
[0044] 1)本研究實(shí)驗(yàn)樣地位于北京林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，選取20m X 20m側(cè)柏純林標(biāo)準(zhǔn)樣 地，林分密度為1500株每畝，平均胸徑14.6cm，平均樹高8.6m，土壤氣室安置于實(shí)驗(yàn)樣地對(duì) 角線的位置，按對(duì)角線長(zhǎng)度均勻布設(shè)6個(gè)土壤氣室，土壤氣室側(cè)壁插入土中15cm;
[0045] 2)測(cè)定開始前，檢查二氧化碳過濾器中，鈉石灰試劑有無(wú)變色反應(yīng);檢查水汽過濾 系統(tǒng)中，無(wú)水氯化鈣試劑有無(wú)變色反應(yīng)，若變色，則需及時(shí)更換；
[0046] 3)開啟碳同位素分析儀，用標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)，所述標(biāo)準(zhǔn)氣體為CO2體積濃度 398.6??111、 13(：同位素比率013(：值)為13.27%。，和〇)2體積濃度396.6??111、 13(：同位素比率013〇 值)為29.66%。兩種；
[0047] 4)碳同位素分析儀的內(nèi)置氣栗抽入土壤氣室內(nèi)的氣體進(jìn)行測(cè)定。
[0048]利用8通道多路器，分別測(cè)定6個(gè)土壤氣室內(nèi)的氣體，每個(gè)氣室測(cè)定時(shí)間為5分鐘， 其中前2分鐘用于穩(wěn)定氣路，對(duì)后3分鐘的測(cè)定進(jìn)行記錄，完成一輪測(cè)定后用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行 一次校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)依次通過兩種標(biāo)氣進(jìn)行儀器標(biāo)定。
[0049] 5) 土壤呼吸速率的計(jì)算
[0050] 本研究中土壤氣室體積V = JiR2 · h = Ji · 12.52 · 5 = 2454.4cm3，LGR內(nèi)置栗進(jìn)氣速 率為800ml/min，每個(gè)氣室進(jìn)樣時(shí)間為5分鐘，因此，每次測(cè)定的進(jìn)樣體積大于土壤氣室體 積，土壤呼吸二氧化碳不會(huì)在氣室內(nèi)殘留，滿足連續(xù)觀測(cè)條件。
[0051]所得數(shù)據(jù)如表1所示。
[0052]表1: 土壤呼吸數(shù)據(jù)
[0054]以上的實(shí)施例僅僅是對(duì)發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行 限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案 作出的各種變型和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的裝置，其特征在于，包括空氣吸入管路、二氧化碳過 濾器、土壤氣室和碳同位素分析儀； 所述二氧化碳過濾器的進(jìn)氣孔連接所述空氣吸入管路，二氧化碳過濾器的出氣孔連接 土壤氣室，所述土壤氣室通過氣路管線連接所述碳同位素分析儀。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的裝置，其特征在于，所述二氧化碳過 濾器內(nèi)填充有鈉石灰;所述空氣吸入管路為Teflon材料制成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的裝置，其特征在于，所述土壤氣室為 沒有容器底的圓柱形或立方體形狀容器，氣室頂部開有二個(gè)氣孔，二個(gè)氣孔在氣室頂部以 最大距離分布;二個(gè)氣孔分別用于進(jìn)氣和出氣，用于出氣的氣孔通過氣路管線連接所述碳 同位素分析儀。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的裝置，其特征在于，所述土壤氣室為 圓柱形容器，直徑15~25cm，高20~30cm，連接于所述碳同位素分析儀的氣路管線穿過氣孔 插入土壤氣室的底部。5. 根據(jù)權(quán)利要求1~4任一所述測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的裝置，其特征在于，所述氣 路管線上設(shè)置有水汽干燥器和濾塵塞，所述水汽干燥器內(nèi)填充有無(wú)水氯化鈣。6. 根據(jù)權(quán)利要求1~4任一所述測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的裝置，其特征在于，所述碳 同位素分析儀設(shè)置有多路器，所述氣路管線通過多路器連接所述碳同位素分析儀;所述碳 同位素分析儀通過多路器還連接有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣瓶。7. 根據(jù)權(quán)利要求1~4任一所述測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的裝置，其特征在于，所述碳 同位素分析儀采用光腔衰蕩光譜技術(shù)測(cè)量氣體樣品。8. -種測(cè)定土壤呼吸及碳同位素的方法，采用權(quán)利要求1~7任一所述的裝置，其特征 在于，包括步驟： 1) 土壤氣室布設(shè)在樣地上，共設(shè)置1~6個(gè)土壤氣室，土壤氣室的側(cè)壁插入土中10~ 20cm； 2) 測(cè)定開始前，檢查二氧化碳過濾器中，鈉石灰試劑有無(wú)變色反應(yīng);檢查水汽過濾系統(tǒng) 中，無(wú)水氯化鈣試劑有無(wú)變色反應(yīng)，若變色，則需及時(shí)更換； 3) 開啟碳同位素分析儀，用標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)， 4) 碳同位素分析儀的內(nèi)置氣栗抽入土壤氣室內(nèi)的氣體進(jìn)行測(cè)定。9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)氣體為C02體積濃度398.6ppm、13C同 位素比率為13.27%。，和C0 2體積濃度396.6ppm、13C同位素比率為29.66%。兩種。10. 如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，利用多路器，分別測(cè)定不同土壤氣室內(nèi) 的氣體，每個(gè)氣室測(cè)定時(shí)間為5分鐘，其中前2分鐘用于穩(wěn)定氣路，對(duì)后3分鐘的測(cè)定進(jìn)行記 錄，完成一輪測(cè)定后用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行一次校準(zhǔn)。
【文檔編號(hào)】G01N21/31GK105842180SQ201610306308
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】余新曉, 李瀚之, 賈國(guó)棟, 孫佳美, 路偉偉, 劉自強(qiáng), 徐曉梧
【申請(qǐng)人】北京林業(yè)大學(xué)