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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种同步测定土壤底物和气体排放的装置。本专利技术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。
技术介绍
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(C02、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I)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02，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C02、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(N03_)和铵态氮(NH4+)。DOC—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。N03_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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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N03_、NH4+和D0C，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勵3_、順4+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。本专利技术的有益效果是I)本专利技术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)本专利技术在相同条件下，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&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I是本专利技术同步测定土壤底物和气体排放的装置示意图。图2是本专利技术的培养罐的结构示意图。图3是本专利技术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是本专利技术中流量控制软件流程示意图。具体实施例方式本专利技术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。本专利技术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。·本专利技术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N20、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(N03_、NH4+和D0C)，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，本专利技术的装置，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 mirT1，O2 MOmLmirT1，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I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；同本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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； 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I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I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。4.根据权利要求I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。5.利用权利要求I所述装置同步测定土壤底物和...
【专利技术属性】
技术研发人员：廖婷婷，孙扬，刘广仁，郑循华，王睿，
申请(专利权)人：中国科学院大气物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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