本發(fā)明屬于碳穩(wěn)定同位素值測試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種土壤呼吸CO₂氣體的采集及其碳穩(wěn)定同位素值測試方法。

背景技術(shù)：

近年來，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程對大氣中CO₂氣體濃度的變化起著至關(guān)重要的作用。全球土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，包含大約1500PgC(Schimel,1995)，同時土壤也是大氣碳潛在的源和匯，土壤中碳含量的微小變化將使大氣中CO₂濃度發(fā)生很大的變化。一方面陸地生態(tài)系統(tǒng)碳元素的分解礦化及轉(zhuǎn)化過程中所產(chǎn)生的溫室氣體通過植物和土壤進入大氣，使得大氣中溫室氣體濃度增加；另一方面，大氣中溫室氣體濃度的增加所導(dǎo)致的氣候變暖可能致使陸地生態(tài)系統(tǒng)的土地利用方式和植被類型等發(fā)生變化，進而使得土壤中有機碳貯量發(fā)生變化。研究指出，10％的土壤有機碳的變化就相當于30年人類活動造成的所有的CO₂釋放量。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和全球氣候相互影響，因此，探討土壤CO₂的源匯效應(yīng)和土壤碳截獲的機制和途徑，對于緩解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳飽和，延緩和遲滯全球變暖的速率和規(guī)模具有重要而迫切的意義。土壤呼吸作用是指土壤碳庫中的碳以CO₂的形式釋放到大氣中的過程，土壤呼吸主要包括土壤微生物呼吸(異養(yǎng)呼吸)和根呼吸(自養(yǎng)呼吸)兩部分。其中根系呼吸是土壤呼吸的重要組成部分，其在土壤呼吸中所占的比例是確定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡關(guān)系和土壤有機碳周轉(zhuǎn)速率的關(guān)鍵參數(shù)，對于評估全球變化對土壤碳貯量和循環(huán)的可能影響至關(guān)重要。穩(wěn)定同位素法主要基于根系呼吸作用和微生物分解土壤有機質(zhì)過程中一般無CO₂分餾效應(yīng)，而土壤有機質(zhì)和植物根系具有不同的碳同位值，由此推算出土壤呼吸各個組分貢獻。該方法同同位素標記法一樣，避免了成為綜合法、壕溝法等方法對自然環(huán)境的影響，數(shù)據(jù)更接近于真實情況。該方法成敗的關(guān)鍵是真實獲取土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素值。

目前，關(guān)于溫室氣體CO₂排放(或吸收)測定的方法主要有箱式法、微氣象法和化學(xué)法。其中箱式法由分為靜態(tài)箱式法和動態(tài)箱式法；微氣象法分為渦度相關(guān)法、能量平衡法、空氣動力學(xué)法和質(zhì)量平衡法。除外還包括超大箱長光程紅外色譜法、梯度法等方法，但這些方法因技術(shù)不完全成熟或者儀器設(shè)備造價過高而導(dǎo)致推廣使用十分困難。其中靜態(tài)箱由于本身具備一定的優(yōu)勢，是測定土壤呼吸CO₂的主要手段，其一般采用有機玻璃制作，面積一般為50cm×50cm×15cm?，F(xiàn)有的土壤呼吸CO₂采集采用的靜態(tài)箱一般采用有機玻璃制作，面積一般為50cm×50cm×15cm。國內(nèi)現(xiàn)有的文獻資料表明，土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素值的測定采用的是堿液吸收法，堿液吸收法并不能真實反映土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素值，這是因為堿液吸收法除了吸收一部分土壤釋放出來的CO₂，同時也吸收了靜態(tài)箱內(nèi)原有的CO₂氣體，因此降低了土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素值的準確性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種土壤呼吸CO₂氣體的采集及其碳穩(wěn)定同位素值測試方法，旨在解決目前方法降低了土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素值的準確性的問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種土壤呼吸CO₂氣體的采集及其碳穩(wěn)定同位素值測試方法，所述土壤呼吸CO2氣體的采集及其碳穩(wěn)定同位素值測試方法包括以下步驟：

土壤呼吸二氧化碳樣品的采集，按一定時間間隔采集收集裝置內(nèi)樣品；

樣品中CO₂濃度的測試和同位素值的測試；

根據(jù)推導(dǎo)公式求出土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素值。

所述測試方法進一步包括土壤呼吸CO₂樣品的采集方法，具體為：

采樣持續(xù)時間為30min，分別抽取罩箱內(nèi)0、10、20和30min時的氣體樣品；每次采樣時抽取箱內(nèi)氣體500mL置于密封氣袋中，用于CO₂氣體濃度分析和碳穩(wěn)定同位素值的測定。

所述測試方法進一步包括土壤呼吸CO₂樣品的濃度和碳穩(wěn)定同位素值測定方法，采用LGR二氧化碳激光同位素分析儀器同時測定濃度和碳穩(wěn)定同位素值。

所述測試方法進一步包括土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素值的推導(dǎo)方法，具體為：

根據(jù)0、10、20和30min各個時刻測量的靜態(tài)箱內(nèi)CO₂氣體濃度和碳穩(wěn)定同位素值，構(gòu)建出CO₂氣體碳穩(wěn)定同位素值和CO₂氣體濃度的倒數(shù)之間的線性方程，求出土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素值；

土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素值的推算依據(jù)

C₁＝C₀+C₂, (1)

其中：C₁，C₀和C₂分別表示靜態(tài)箱內(nèi)t時刻的CO₂濃度、t₀時刻的CO₂濃度和土壤呼吸釋放出的CO₂濃度；將公式(1)的各項組分分別乘以各自的CO₂同位素比率(δ¹³C)，就能夠得到穩(wěn)定性同位素¹³C的質(zhì)量平衡方程公式(2)；

δ¹³C₁×C₁＝δ¹³C₀×C₀+δ¹³C₂×C₂, (2)

把公式(1)和(2)結(jié)合得到公式(3)：

δ¹³C₁＝C₀×(δ¹³C₀-δ¹³C₂)×(1/C₁)+δ¹³C₂, (3)

其中δ¹³C₂是土壤呼吸CO₂氣體的碳穩(wěn)定同位素值，δ¹³C₁VS(1/C₁)的直線在Y軸的截距即為δ¹³C₂。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述土壤呼吸CO₂氣體的采集及其碳穩(wěn)定同位素值測試方法的采集土壤呼吸CO₂氣體的簡易裝置，所述采集土壤呼吸CO₂氣體的簡易裝置包括集氣瓶(2)和采樣袋(6)，所述集氣瓶(2)設(shè)置在基座(1)中間，所述注射器(7)通過三通管(8)與導(dǎo)氣管(3)、采樣袋(6)固定連接，所述導(dǎo)氣管(3)另一端設(shè)置在集氣瓶(2)底端，所述集氣瓶(2)瓶口設(shè)有溫度計(5)，所述集氣瓶(2)瓶口中設(shè)有密封橡膠塞(4)，所述三通管(8)上設(shè)有手動閥門(9)，所述集氣瓶(2)底端設(shè)有CO2傳感器(10)，所述基座(1)一端設(shè)有顯示器(11)，所述CO2傳感器(10)與顯示器(11)電性連接。

進一步，所述集氣瓶(2)為18.9升純凈水桶。

進一步，所述三通管(8)的三個通口連接處設(shè)有密封圈。

本發(fā)明提供的土壤呼吸CO₂氣體的采集及其碳穩(wěn)定同位素值測試方法，采用桶裝礦泉水桶經(jīng)過簡單改造加工而成，相比現(xiàn)有的有機玻璃制作的靜態(tài)箱制作成本更低，制作更方便，而且重量更輕，攜帶更方便；避免了靜態(tài)箱內(nèi)原有氣體CO₂對土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素值的影響，使得測定結(jié)果更為準確。本發(fā)明的土壤呼吸CO₂樣品收集裝置制作更為簡單，成本更低，攜帶更方便；土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素的分析方法，避免了靜態(tài)內(nèi)原有的CO₂氣體干擾，分析結(jié)果更為精確。

通過堿液吸收法測得的土壤呼吸CO₂氣體的碳穩(wěn)定同位素值均介于本方法求得的土壤呼吸CO₂氣體的碳穩(wěn)定同位素值和靜態(tài)箱內(nèi)原有CO₂氣體碳穩(wěn)定同位素值之間，表明堿液吸收法不僅吸收了土壤呼吸釋放的CO₂氣體，而且也吸收了靜態(tài)箱內(nèi)原有CO₂氣體。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的土壤呼吸CO₂氣體的采集及其碳穩(wěn)定同位素值測試方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實施例提供的采集土壤呼吸CO₂氣體的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1、基座；2、集氣瓶；3、導(dǎo)氣管；4、密封橡膠塞；5、溫度計；6、采樣袋；7、注射器；8、三通管；9、手動閥門；10、CO₂傳感器；11、顯示器。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實施例的土壤呼吸CO₂氣體的采集及其碳穩(wěn)定同位素值測試方法包括以下步驟：

S101：土壤呼吸CO₂氣體收集的簡易裝置制作：由桶裝礦泉水桶改造而成，其余裝置配件還包括橡膠塞、三通管、注射器、真空油、底座等；

S102：土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素值的分析方法；

S103：土壤呼吸二氧化碳樣品的采集，按一定時間間隔采集收集裝置內(nèi)樣品；

S104：樣品中CO₂濃度的測試和同位素值的測試；

S105：根據(jù)推導(dǎo)公式求出土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素。

本發(fā)明實施例的土壤呼吸CO₂氣體的采集及其碳穩(wěn)定同位素值測試方法具體包括以下步驟：

1、土壤呼吸二氧化碳樣品的簡易采集裝置制作

1)、選取密閉完好的桶裝礦泉水桶，切除礦泉水桶底部部分，并根據(jù)切除底部后的桶裝礦泉水桶底部直徑大小制作合適的底座；2)、用打孔器對橡膠塞進行打孔，置入玻璃管；3)、橡膠塞上涂抹真空油，塞入桶裝礦泉水桶的細口處；4)、用橡膠軟管的一端連接橡膠塞上的玻璃管；另一端連接三通管的一個接口；5)、三通管的另兩個接口，一個接入橡膠軟管，以備用注射器進行抽氣；另一個接口留作連接氣體采樣袋。

2、土壤呼吸CO₂樣品的采集

采樣持續(xù)時間為30min，分別抽取罩箱內(nèi)0、10、20和30min時的氣體樣品。每次采樣時抽取箱內(nèi)氣體約500mL置于密封氣袋中，用于CO₂氣體濃度分析和碳穩(wěn)定同位素值的測定。

3、土壤呼吸CO₂樣品的濃度和碳穩(wěn)定同位素值測定

采用LGR二氧化碳激光同位素分析儀器同時測定濃度和碳穩(wěn)定同位素值。

4、土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素值的推導(dǎo)

根據(jù)0、10、20和30min各個時刻測量的靜態(tài)箱內(nèi)CO₂氣體濃度和碳穩(wěn)定同位素值，構(gòu)建出CO₂氣體碳穩(wěn)定同位素值和CO₂氣體濃度的倒數(shù)之間的線性方程，求出土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素值。

5、土壤呼吸CO₂碳穩(wěn)定同位素值的推算依據(jù)：

C₁＝C₀+C₂, (1)

其中：C₁，C₀和C₂分別表示靜態(tài)箱內(nèi)t時刻的CO₂濃度、t₀時刻的CO₂濃度和土壤呼吸釋放出的CO₂濃度。將公式(1)的各項組分分別乘以各自的CO₂同位素比率(δ¹³C)，就能夠得到穩(wěn)定性同位素¹³C的質(zhì)量平衡方程公式(2)。

δ¹³C₁×C₁＝δ¹³C₀×C₀+δ¹³C₂×C₂, (2)

把公式(1)和(2)結(jié)合得到公式(3)：

δ¹³C₁＝C₀×(δ¹³C₀-δ¹³C₂)×(1/C₁)+δ¹³C₂, (3)

其中δ¹³C₂是土壤呼吸CO₂氣體的碳穩(wěn)定同位素值。由此可見，δ¹³C₁VS(1/C₁)的直線在Y軸的截距即為δ¹³C₂。

如圖2所示的一種采集土壤呼吸CO₂氣體的簡易裝置，包括集氣瓶2和采樣袋6，所述集氣瓶2設(shè)置在基座1中間，所述注射器7通過三通管8與導(dǎo)氣管3、采樣袋6固定連接，所述導(dǎo)氣管3另一端設(shè)置在集氣瓶2底端，所述集氣瓶2瓶口設(shè)有溫度計5，所述集氣瓶2瓶口中設(shè)有密封橡膠塞4，所述三通管8上設(shè)有手動閥門9，所述集氣瓶2底端設(shè)有CO₂傳感器10，所述基座1一端設(shè)有顯示器11，所述CO₂傳感器10與顯示器11電性連接。

進一步地，所述集氣瓶2為18.9升純凈水桶。

進一步地，所述三通管8的三個通口連接處設(shè)有密封圈。

該采集土壤呼吸CO₂氣體的簡易裝置，采用桶裝礦泉水桶經(jīng)過簡單改造加工而成，相比現(xiàn)有的有機玻璃制作的靜態(tài)箱制作成本更低，制作更方便，而且重量更輕，攜帶更方便，具有較實用的使用價值。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。