CN102680662B - 一种同步测定土壤底物和气体排放的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种同步测定土壤底物和气体排放的装置，主要包括：惰性气体和O₂气源，各自通过一质量流量计连接至气体混合罐的进气口；气体混合罐具有多个出气口，每个出气口均各连接至一个培养罐的进气口，每个出气口和培养罐之间串接有质量流量计和恒温管，各培养罐的出气口可直接放空或者采样进行气体检测分析；培养罐内盛放土壤样品；各质量流量计上安装有电压模拟量输出模块和电压模拟量输入模块，所述电压模拟量输出模块和电压模拟量输入模块连接至计算机；各培养罐和各恒温管置于恒温装置中。本发明还公开了利用上述装置同步测定土壤底物和气体排放的方法。本发明可阐明被研究对象在特定环境条件下硝化反硝化过程中相关气体排放和关键底物浓度随时间的变化规律。

Description

一种同步测定土壤底物和气体排放的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种同步测定土壤底物和气体排放的装置。

本发明还涉及利用上述装置进行同步测定土壤底物和气体排放的方法。

背景技术

自然界中，各类生态系统的土壤，与大气不断进行交换。该交换过程是与全球变化紧密相关的生物地球化学循环的重要环节。由于全球气候变化，温室效应得到越来越多的关注；近年来频繁被关注的城市大气污染，也迫使研究者对氮氧化物(NO和NO₂等)进行进一步观测和研究。土壤中硝化作用和反硝化作用是最主要的温室气体(CO₂、CH₄和N₂O)以及化学活性气体NO的重要生物地表源，对其气体排放速率的定量及排放影响因子的深入了解，成为近30年来生物地球化学循环的研究热点。

对于土壤硝化反硝化过程气体排放的观测，目前国际上分为：

1)野外长期定位观测，主要使用箱法测定土壤的气体排放通量；野外长期定位实验能够反映温室气体排放的年际变化，估算全年排放总量。

2)室内模拟，控制环境因子在密闭空间中对土柱进行培养，测定顶部空间的气体浓度。室内模拟实验由于可控的温度、氧气含量、底物含量等优势，所以已成为定量研究气体排放通量和深入了解气体排放影响因子的最有力手段。室内模拟实验又分为静态法和动态法。静态法，即将土柱放置于一个封闭容器中，隔一段时间用注射器抽取气体使用相应仪器测定。动态法，即将土柱放在培养罐中，用混合气体吹扫顶部空间(混合气体是He和O₂，也可以用N₂替代He，氧气含量可以调节)，保持顶部空间的气体流动，通过间歇测定混合气体携带出来的气体浓度计算土壤温室气体排放通量。该方法保持了土壤-底层大气交界面的自然浓度梯度，土壤产生的温室气体通过梯度扩散进入顶部空间，比静态法更能反映土壤大气交换的自然状态和土壤界面化学状态，得到越来越广泛的应用。

土壤中通过硝化和反硝化过程产生CO₂、CH₄、N₂O和NO的速率，受到土壤中微生物可利用的碳氮底物浓度的控制。其中碳底物主要是可溶性有机碳(DOC)，氮底物主要包括硝态氮(NO₃ ^-)和铵态氮(NH₄ ⁺)。DOC一方面通过为反硝化微生物提供电子和能量而促进反硝化作用，另一方面通过促进微生物生长和活动，加快土壤O₂的消耗，加速土壤厌氧环境的形成，间接促进土壤反硝化作用。NO₃ ^-含量不仅影响土壤反硝化速率，而且还影响土壤反硝化产物的组成，NH₄ ⁺含量是硝化作用的底物和矿化的产物。观测土壤在各种底物状态和环境因子下，气体排放速率和各种气体相对比例，对深入了解各种环境因子对土壤硝化和反硝化产生的相关气体排放规律及估算有重要意义，也是全球变化研究领域的最基础工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同步测定土壤底物和气体排放的装置。

本发明的又一目的在于利用上述装置进行同步测定土壤底物和气体排放的方法。

为实现上述目的，本发明提供的同步测定土壤底物和气体排放的装置，主要包括：

惰性气体和O₂气源，各自通过一质量流量计连接至气体混合罐的进气口；

气体混合罐具有多个出气口，每个出气口均各连接至一个培养罐的进气口，每个出气口和培养罐之间串接有质量流量计和恒温管，各培养罐的出气口直接放空或采样进行气体检测分析；

培养罐内盛放土壤样品；

各质量流量计上安装有电压模拟量输出模块和电压模拟量输入模块，所述电压模拟量输出模块和电压模拟量输入模块连接至计算机；

各培养罐和各恒温管置于恒温装置中。

所述同步测定土壤底物和气体排放的装置，其中，气体混合罐上安装有气体压力表和恒压阀。

所述同步测定土壤底物和气体排放的装置，其中，恒温管为弯曲成螺旋状的不锈钢管。

所述同步测定土壤底物和气体排放的装置，其中，培养罐的盖子与罐体之间为螺旋连接，盖子与罐体之间设有密封圈。

本发明提供的利用上述装置同步测定土壤底物和气体排放的方法，主要步骤包括有：

A)测定土壤底物中的NO₃ ^-、NH₄ ⁺和DOC，作为土壤底物初始浓度；

B)调整惰性气体和O₂的比例和进气总流量，惰性气体和O₂的进气总流量大于出气总流量；

C)计算机同时设置和监控每一路惰性气体和O₂的气体的流量值；

D)间隔时间内采集各培养罐的样气，分别测定NO、N₂O、CO₂及CH₄；

E)改变培养条件或培养一段时间后，取出若干个培养罐中的土壤测定NO₃ ^-、NH₄ ⁺和DOC；

F)重量步骤C、D和E，建立培养过程中气体排放速率和底物浓度变化的对应曲线。

所述的方法，其中，步骤C是通过计算机界面输入气体的流量值，并通过该界面同时显示各质量流量计的流量。

所述的方法，其中，步骤D中的改变培养条件是指改变培养温度以及改变惰性气体和O₂的比例。

所述的方法，其中，步骤D中的培养一段时间是指相同条件下培养一至两天时间。

本发明的有益效果是：

1)本发明利用质量流量计精确配制气体成分，在混合气罐中混匀并形成稳定可控的压力，通过计算机对所有的12个质量流量计集成控制流量并实时监测，保证进入每一个培养罐的气体流速一致，并且恒温水浴培养提供了温度控制和密封作用，使每一个培养罐独立不受干扰并且环境条件完全一致。

2)本发明在相同条件下，采用多路气体混合和流量控制测定培养罐内的土壤样品的气体排放(NO、N₂O、CO₂及CH₄)，并且在关键时间点(改变培养条件或培养一段时间后)任意取出其中3个培养罐内的土壤样品测定底物浓度，从而实现气体排放和底物变化的同时监测。

附图说明

图1是本发明同步测定土壤底物和气体排放的装置示意图。

图2是本发明的培养罐的结构示意图。

图3是本发明中用计算机同时设置和监控每一路惰性气体和O₂的气体流量值界面。

图4是本发明中流量控制软件流程示意图。

具体实施方式

本发明的装置为研究一定环境条件下，气体排放比例和通量与底物消耗之间的联系，为解释单一环境因子(如温度、湿度、底物浓度、含氧量等)对土壤硝化与反硝化作用相关的气体排放的影响提供了有力的实验工具。本发明的装置可以通过通道扩展增加底物观测点，用于微生物培养、污水处理的污泥培养等多种模拟实验。

本发明将足够多的土柱处于温度、氧气含量、土壤湿度和初始底物可调控并且一致的状态，能够实现长期连续模拟实验期间，观测到N₂O、NO、CH₄和CO₂排放随时间的变化，同时在不同关键阶段随机取出完全相同条件的土柱用于测定底物(NO₃ ^-、NH₄ ⁺和DOC)，综合地分析气体排放与环境因子以及底物变化的规律。

请参阅图1，本发明的装置，包括气体混合部分、流量控制部分和恒温模拟部分。其中：

气体混合部分包括高纯度的惰性气体(He、N₂等)和O₂的气源，惰性气体和O₂通过质量流量计FC(量程分别为He：200mL min^-1，O₂：40mLmin^-1，准确度±1.5％)进入气体混合罐10中，惰性气体和O₂通过质量流量计FC调控流速比例，配制出惰性气体和O₂含量的气体(该比例可按需要改变)，在气体混合罐10中混匀。

气体混合罐10是由一个内径40mm的不锈钢管(长660mm，壁厚2.5mm)加工而成，包括1个进气口和多个混合气体出气口，出气口的具体数量不限，应该至少满足下游的培养罐数量。本实施例和附图以12个培养罐为例，因此气体混合罐10的出气口也设为12个。

为了保证惰性气体和O₂的混合气体从12个出气口按照流量设定值稳定流出，质量流量计FC的进气口和出气口的压力差需要保持在0.05-0.4MPa之间。因此既要保证气体混合罐10内部有一定压力，即进气口总流速需要稍稍大于出气口总流速；同时，又不能让压力过大而影响惰性气体和O₂顺畅进入气体混合罐10。因此在气体混合罐10上安装了一个压力表11和恒压装置12。恒压装置12为一段密闭的管状容器，内有活塞可随压力增大而向上移动，当气体混合罐10中压力累积一定压力，恒压阀12的活塞会被往上推，弹簧则会给活塞一个反向作用力。当压力将活塞推到一定位置(罐内压力约为0.2MPa)时，经过管壁一个细小的排气孔，过多的压力将会从排气孔释放，活塞被弹簧重新被推回排气孔以下的位置，使整个腔体恢复封闭状态。该过程反复进行，保证了混合气罐内部保持正压，并且压力在较小的范围内波动，有效保证所有的质量流量计的正常运行。同时为避免因温度引起的惰性气体和O₂混合气体的压力变化，气体混合罐10可以安置在保温罩13内。保温罩13由密集缠绕在混气罐10上的发热电阻带、保温材料、罩壳和温度控制显示表组成(公知技术，图中未示)。发热电阻带的温度可以通温度控制显示表设置，保温材料和罩壳使温度保持在设置范围内。如此可以使混合气体先达到一个预设温度再通过质量流量计进入培养罐，能提高温度的控制能力和质量流量计的准确性。

流量控制部分包括气体混合罐10的12个出气口一一对应连接安装的12个质量流量计FC，以及在12个质量流量计FC上分别连接的电压模拟量输出模块20和电压模拟量输入模块21(如图4所示)，电压模拟量输出模块20和电压模拟量输入模块21连接至计算机。本实施例中使用模拟量输出模块为公知产品(比如型号ADAM-4021，研华Advantech)，模拟量输入模块为公知产品(比如型号ADAM-4017，研华Advantech)。

一般市场销售的质量流量计是通过流量计显示控制器来操作的，一个质量流量计对应一个流量计显示控制器，通过流量计显示控制器给予供电，并通过其上的旋钮进行流量值设定输入，通过自带的数码显示管来显示实际的流量。在本发明的装置中，如果12个质量流量计对应12个流量计显示控制器，将需要很大空间，以及大量电源接口；同时进行12路的流量值的设定时，需通过手工旋钮调节不仅费时费力，误差大并且无法实时监控。因此，本发明所有的质量流量计统一供电，由计算机设置和监控质量流量计流量。由计算机的界面内(如图3和图4所示)输入流量设定值，经过计算机转换为数字信号设定值通过RS232接口转485转换器，由485总线传输数字信号量至电压模拟量输入模块20，将数字信号量转换为相应的直流电压信号输入到质量流量计内，质量流量计输出实际流量对应的直流电压信号返回值信号通过电压模拟量输出模块21转化为数字量再通过485总线返回到计算机的图形界面相应位置，由此完成对质量流量计FC的操作与监控。计算机的界面可同时设定和显示12路质量流量计的流量，使同步、迅速、精确地控制12个培养罐的气体条件成为可能，极大提高了工作效率和实验可靠性，并节省了大量的空间和经费。

恒温模拟部分由分别连接在12路质量流量计下游的12个密封的、由不锈钢制成的培养罐16组成(图1中以顺序号1、2…、12标示出12个培养罐)。质量流量计的出气口与培养罐16的进气口之间均各串接一个恒温管14，培养罐16和恒温管14一起置于一恒温装置15中，使气体混合罐10的气体在进入培养罐16之前，气体的温度与恒温装置15的温度一致。恒温装置15不仅为土壤模拟的温度提供精确控制，并且起到密封作用，避免内部气体受到大气中氧气等成分干扰测定。本发明的恒温装置15可以采用水浴进行恒温。本发明采用2米长英制1/8不锈钢管弯曲成螺旋状置于水浴中作为恒温管，以扩大管道14与水浴的接触面积，增加其恒温效果。

培养罐16的结构如图2所示，顶部为一罐盖121，与罐体122为螺纹连接，罐盖121和罐体122之间设有一密封圈123以加强培养罐12内的密封性。罐体122的上端各开有一进气口124和出气口125。每个培养罐16的进气口124各连接一恒温管14，每个培养罐12的出气口125分别直接放空，或使用相关仪器采样分析(公知技术，图中未示)。

培养罐12内的土壤样品是由取样的环刀126取出土壤样品后直接放置在培养罐12内，拧紧盖子。将培养罐12平放在恒温水浴中，调节恒温水浴，即可控制土壤温度。

实际操作时，先测定土壤的底物(NO₃ ^-，NH₄ ⁺和DOC)，作为初始底物浓度。如果需要测定不同NO₃ ^-、DOC梯度的排放状况，可以在土柱中添加已知浓度NO₃ ^-和DOC混合溶液。按设计调整好隋性气体(本实施例以He为例)和O₂总流量以及氧气比例，使He和O₂总流量稍大于各出气口的总流量。通过计算机控制界面设置各路气体的流量值(一般5ml min^-1)。由于12路质量流量计使用He标定，如含有O₂需要按照流量计说明书提供的校正系数换算设定流量，使实际流量与实验设计保持一致。实际操作过程中，间隔一定时间用注射器以进气流量的速率采集样气，分别用GC6820(6820Agilent Technologies Inc.，Wilmington，DE)测定N₂O(电子捕获检测器，ECD)，CO₂及CH₄(火焰离子化检测器，FID)；样气与N₂混合装入气袋(至少3L)，用基于化学发光原理的氮氧化物分析仪(42i ThermoEnvironment Instrument Inc.，USA)测定NO。

在模拟关键点(如温度升高，含氧量变化等)，或者间隔一定时间(一天或两天)，随机取3个培养罐中的土壤作平行测定，每一个环刀中的土混匀之后取20g土，用100ml KCl溶液(1M)浸提NO₃ ^-和NH₄ ⁺，用100ml去离子水浸提DOC，使用四通道流动分析仪(Skalar，SA5000，Netherland)测定各项底物含量。本发明以12个培养罐为例，因此可以取得培养期间3个点的底物浓度，加上初始和结束点共有5个底物浓度。如果跟踪培养期间需要更多底物点，可以增加质量流量计和培养罐进行扩展。

本发明的上述方法，建立起一套完整的反应整个培养过程中气体排放速率和底物浓度变化的对应曲线，为反硝化作用硝化作用机理研究提供有力工具。

Claims (7)

1.一种同步测定土壤底物和气体排放的装置，主要包括：

惰性气体和O₂气源，各自通过一质量流量计连接至气体混合罐的进气口；

气体混合罐具有多个出气口，每个出气口均各连接至一个培养罐的进气口，每个出气口和培养罐之间串接有质量流量计和恒温管，各培养罐的出气口直接放空或采样进行气体检测分析；

所述恒温管为弯曲成螺旋状的不锈钢管；

培养罐内盛放土壤样品；

各质量流量计上安装有电压模拟量输出模块和电压模拟量输入模块，所述电压模拟量输出模块和电压模拟量输入模块连接至计算机；

各培养罐和各恒温管置于恒温装置中。

2.根据权利要求1所述同步测定土壤底物和气体排放的装置，其中，气体混合罐上安装有气体压力表和恒压阀。

3.根据权利要求1所述同步测定土壤底物和气体排放的装置，其中，培养罐的盖子与罐体之间为螺旋连接，盖子与罐体之间设有密封圈。

4.利用权利要求1所述装置同步测定土壤底物和气体排放的方法，主要步骤包括有：

A)测定土壤底物中的NO₃ ^-、NH₄ ⁺和DOC，作为土壤底物初始浓度；

B)调整惰性气体和O₂的比例和进气总流量，惰性气体和O₂的进气总流量大于出气总流量；

C)计算机同时设置和监控每一路惰性气体和O₂的混合气体的流量值；

D)间隔时间内采集各培养罐的样气，分别测定NO、N₂O、CO₂及CH₄；

E)改变培养条件或培养一段时间后，取出3个培养罐中的土壤测定NO₃ ^-、NH₄ ⁺和DOC；

F)重量步骤C、D和E，建立培养过程中气体排放速率和底物浓度变化的对应曲线。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤C是通过计算机流量控制软件操作界面输入气体的流量值，并通过该界面同时显示各质量流量计的流量。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤D中的改变培养条件是指改变培养温度以及改变惰性气体和O₂的比例。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤E中的培养一段时间是指相同条件下培养一至两天时间。