專利名稱：旱地硝化反硝化田間原位測定裝置及使用該裝置測試的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種旱地硝化反硝化田間原位測定裝置及使用該裝置測試的方法。
背景技術：
全球氣候變化自上世紀末逐漸成為相關研究的焦點和熱點，近年來，溫室氣體減 排成為各國經濟和外交的重要角力場，具有重要的戰(zhàn)略意義。溫室氣體主要指二氧化碳、氮 氧化合物、甲烷等能吸收長波輻射致使大氣增溫的氣體。其中，氧化亞氮是增溫效率較高的 溫室氣體(是二氧化碳分子的200倍)，旱地農田生態(tài)系統(tǒng)又是氧化亞氮的重要源，因此對 其排放通量的原位監(jiān)測是制定減排對策的根本依據(張玉銘，胡春勝，董文旭，陳德立，張 佳寶，2004.農田土壤N20生成與排放影響因素及隊0總量估算的研究.中國生態(tài)農業(yè)學報 12，119-123.)。目前國內外對生成該氣體的硝化反硝化過程的原位測定已經進行了大量的 探索，獲取了氧化亞氮排放的規(guī)律性認識，然而測定裝置不同程度的瑕疵制約了信息的應 用(Ryden，J. C. ,Skinner，J. H.，Nixon，D. j.，1987. Soil Core Incubation System for the Field Measurement of Denitrification Using Acetylene-Inhibition. Soil Biology & Biochemistry 19，753-757. ；Xing，G. X.，Zhu, Ζ. L. ,1997. Preliminary studies on N20 emission fluxes from upland soils and paddy soils in China. Nutrient Cycling in Agroecosystems 49，17-22. )0目前硝化反硝化原位測定主要采用乙炔抑制-土柱培養(yǎng)法，而實現(xiàn)該原理的裝置 卻差別較大(鄒國元，張福鎖，李新慧，2002.夏玉米生長期土壤氮素的硝化-反硝化作用研 究.干旱地區(qū)農業(yè)研究20，30-34. ；丁洪，王躍思，李衛(wèi)華，2004.玉米-潮土系統(tǒng)中不同氮 肥品種的反硝化損失與N20排放量.中國農業(yè)科學37，1886-1891.)。采用PVC管和橡膠 圈密閉培養(yǎng)，由于各種原因導致氣密性不夠，漏氣現(xiàn)象比較嚴重；使用電氣石生成乙炔，容 易產生氫氣、甲烷等副產物，消耗土壤中水分，影響硝化反硝化過程，乙炔擴散不均，抑制效 果不夠理想；通入一定濃度的乙炔下開口培養(yǎng)，造成培養(yǎng)過程中乙炔濃度逐漸降低，抑制效 果仍不夠理想等等 Liu, X. J.，Mosier, A. R.，Halvorson, A. D.，Reule, C. A.，Zhang, F. S.， 2007.Dinitrogen and N20 emissions in arable soils :Effect of tillage, N source and soil moisture. Soil Biolog y &Biochemistry39，2362-2370.)?？傊F(xiàn)階段廣泛應 用的田間硝化反硝化原位測定裝置存在的主要問題是系統(tǒng)氣密性不夠，乙炔相對濃度控制 不夠理想，乙炔擴散相對均勻度不足，氣源雜質或副產物影響硝化反硝化過程等。因此，迫切需要對現(xiàn)有裝置進行針對性改造，使之在保留原系統(tǒng)優(yōu)勢的前提下，盡 量避免目前出現(xiàn)的系列問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種旱地硝化反硝化田間原位測定裝置，乙炔擴散均勻。本發(fā)明還提供使用上述裝置測試的方法。
所述旱地硝化反硝化田間原位測定裝置包括土樣采集管和密閉室，土樣采集管置 于密閉室內，所述土樣采集管至少一端開口，其側面分為多層，每層高3-5cm，每層中部設有 多個擴散孔。使用本發(fā)明所述裝置測試的方法為，先用土樣采集管在田間隨機取回代表性土柱 (取樣數量根據試驗目的、儀器檢出限和培養(yǎng)裝置容積等而定)，立即將裝有土柱的土樣采 集管垂直置入密閉室中，然后將乙炔氣體引入密閉室(可采用現(xiàn)有技術中的電氣石產生乙 炔)，在密封條件下進行土柱培養(yǎng)。由于采用土樣采集管采集土柱，土樣采集管側面分為多層，每層中部設有擴散孔， 可以保證乙炔通入裝置后與土樣充分接觸，并均勻擴散，抑制效果理想?？紤]到成本及加工 性能，土樣采集管可選用PVC材質。為了便于取樣，土樣采集管優(yōu)選兩端開口。擴散孔的孔 徑優(yōu)選為2-3mm。作為優(yōu)選方案，所述土樣采集管側面每層周向上均勻分布有4-6個擴散孔，這樣 更利于乙炔的擴散和土樣之間的充分接觸。這里所述周向上均勻分布只需要同層的擴散孔 中心基本在同一橫截面上即可。作為本發(fā)明的改進，密閉室設有密閉室控制閥門。作為進一步的改進，本發(fā)明還包 括乙炔供應裝置，乙炔供應裝置上設有氣源控制閥門，氣源控制閥門與密閉室控制閥門串 聯(lián)在乙炔供應裝置與密閉室之間的第一連通管路上，在這種情況下，可從乙炔供應裝置將 乙炔引入密閉室，乙炔被引入密閉室之前，可經凈化處理，如先通入蒸餾水中，再通入濃硫 酸中，以去除氣源中的丙酮、水汽等雜質，減少外源性物質對硝化反硝化過程的影響，另外， 乙炔的引入還可實現(xiàn)定量控制。作為更進一步的改進，本發(fā)明還包括氣體混合/抽取裝置， 密閉室控制閥門與所述氣體混合/抽取裝置通過第二連通管路連接。氣體混合/抽取裝置 可以用于(1)引入乙炔前，先用氣體混合/抽取裝置從密閉式中定量抽取空氣，再注入等 體積乙炔，已達到乙炔濃度在土柱培養(yǎng)過程中的相對穩(wěn)定；( 引入乙炔后以及培養(yǎng)結束 時，用氣體混合/抽取裝置強制混合裝置內氣體，使其均勻分布。氣體混合/抽取裝置可以 為具有混合、抽取氣體功能的公知的各種結構，如注射器。如果旱地硝化反硝化田間原位測定裝置為包括密閉室、土樣采集管、乙炔供應裝 置和氣體混合/抽取裝置，土樣采集管置于密閉室內，密閉室上設有密閉室控制閥門，密閉 室控制閥門與氣體混合/抽取裝置通過第二連通管路連接，乙炔供應裝置上設有氣源控制 閥門，氣源控制閥門與密閉室控制閥門串聯(lián)在乙炔供應裝置與密閉室之間的第一連通管路 上，則使用上述裝置測試的方法為將裝有土柱的土樣采集管垂直置入密閉室中后，用氣體 混合/抽取裝置抽取密閉室內設定體積含量的空氣形成負壓，然后打開氣源控制閥門，注 入等體積的乙炔，使密閉室內乙炔體積含量為上述設定體積含量，關閉密閉室控制閥門和 氣源控制閥門，靜置片刻后，再打開密閉室控制閥門，用氣體混合/抽取裝置混勻密閉室內 氣體，抽取背景氣樣，關閉密閉室控制閥門，開始土柱培養(yǎng)。所述設定體積含量可以根據培 養(yǎng)目的進行設定，一般可設定為10%。所述密閉室控制閥門優(yōu)選為三通，這種結構不僅保證裝置的氣密性，同時便于操作。密閉室可采用公知的各種結構，如常用的真空干燥器。所述密閉室的接口處優(yōu)選 用真空硅脂涂抹密封，以保證裝置的氣密性。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點1.采用玻璃真空干燥器作為盛放土柱的密閉室進行田間硝化反硝化培養(yǎng)，使用真 空硅脂代替橡膠圈對裝置各接口處進行均勻涂抹密封，以保證系統(tǒng)氣密性；2.根據裝置內空氣體積，使用氣體混合/抽取裝置定量抽取空氣，再注入等體積 乙炔，以達到乙炔濃度在土柱培養(yǎng)過程中的相對穩(wěn)定；3.采用側面分布有多個擴散孔的土樣采集裝置，以保證乙炔通入裝置后與土樣充 分接觸，并均勻擴散；4.純化乙炔氣體，首先將氣體通入盛有蒸餾水緩沖瓶，再通入盛有濃硫酸的緩沖 瓶，以去除氣源中的丙酮、水汽等雜質，減少外源性物質對硝化反硝化過程的影響。通過對以上技術的應用，在保留現(xiàn)有裝置優(yōu)勢的前提下基本解決了目前大量裝置 出現(xiàn)的諸如氣密性、穩(wěn)定性等上述問題，具有較好的重復性，操作也相對比較簡單，并在近 三年的連續(xù)田間試驗中獲取了較穩(wěn)定的寶貴數據。


圖1是本發(fā)明結構示意圖；圖2是土樣采集管的主視圖；圖3-13是實施例測定的硝化反硝化損失量柱形圖。
具體實施例方式如圖1-2所示，旱地硝化反硝化田間原位測定裝置包括密閉室1、土樣采集管2、乙 炔供應裝置和氣體混合/抽取裝置3，土樣采集管2置于密閉室1內，密閉室1上設有密閉 室控制閥門4，通過密閉室控制閥門4與乙炔供應裝置和氣體混合/抽取裝置3分別連接。 所述密閉室1為玻璃真空干燥器(容積6000mL)，土樣采集管2為兩端開口的PVC管(內徑 3cm,高度16cm)，土樣采集管2的側面以4cm為間距分3層均勻打孔(孔徑0. 3cm)，穿透土 樣采集管2，每層4個擴散孔5，處于相對位置的擴散孔5對穿，形成大小均勻的12個擴散 孔5。密閉室控制閥門4為三通。乙炔供應裝置包括順序連接的乙炔氣瓶6、蒸餾水緩沖瓶 7、濃硫酸緩沖瓶8和氣源控制閥門9，氣源控制閥門9與密閉室控制閥門4連接。氣體混合 /抽取裝置3為注射器。實驗前，用自來水清潔密閉室1和土樣采集管2 (打孔過程中會產生大量殘渣，需 要用合適大小的試管刷清洗)，防塵晾干后，將真空硅脂(使用凡士林，溫度條件較窄)均勻 涂抹在裝置磨砂面和閥門連接處(達到密封即可，過多容易造成閥門堵塞)，用硅膠管將干 燥器和三通相連，并用704硅膠密封。實驗時，用土樣采集管2在田間隨機取回6個深度15cm的代表性土柱(取樣數量 根據試驗目的、儀器檢出限和培養(yǎng)裝置容積等而定)，立即將裝有土柱的土樣采集管2垂直 置入密閉室1中，密閉室1埋入土壤，表面覆3-5cm土層，以模擬田間土溫的晝夜變化，打開 密閉室1上自帶的閥門10，打開密閉室控制閥門4。用導管將蒸餾水緩沖瓶7和濃硫酸緩 沖瓶8依次連接到乙炔氣瓶6，通氣片刻使連接管和緩沖瓶7、8內空氣全部排盡后，關閉氣 源控制閥門9。用氣體混合/抽取裝置3 (大小由待抽氣體體積而定)抽取密閉室1內10% 的空氣形成一定負壓，然后打開氣源控制閥門9，注入等體積的純凈乙炔(乙炔的體積可以由流量計控制，也可以先轉動氣源控制閥門9，使乙炔氣瓶6僅與注射器連通，將乙炔吸入 注射器，然后轉動氣源控制閥門9，使注射器僅與密閉室1連通，將等體積的乙炔注入密閉 室1。為了保證注射器注入乙炔時內部的氣壓與抽取空氣時的一致，可以用總容積大于乙 炔體積的注射器，如需要向密閉室1內注入400ml乙炔時，則用500ml的注射器先從乙炔氣 瓶中抽取乙炔500ml，然后將乙炔注入密閉室1之前，推出其中的部分乙炔至注射器內乙炔 體積為400ml，最后將注射器內余下的400ml乙炔注入密閉室1)，使密閉室1內乙炔濃度為 10%，關閉密閉室控制閥門4。關閉氣源控制閥門9，封蓋密閉蒸餾水和濃硫酸緩沖瓶7、8， 收好導管，以備下次使用。待培養(yǎng)裝置靜置片刻后，再打開密閉室控制閥門4，用氣體混合/ 抽取裝置3混勻密閉室1內氣體，抽取背景氣樣(每個培養(yǎng)罐抽取的體積保持一致)，關閉 密閉室1自帶的閥門10和密閉室控制閥門4，開始土柱培養(yǎng)，并監(jiān)測土柱培養(yǎng)期間表土和 IOcm 土層的溫度變化。安全保存氣源和緩沖瓶。培養(yǎng)M小時后，用氣體混合/抽取裝置3 通過密閉室控制閥門4將密閉室1內氣體充分混勻，然后取氣體約50mL放入預抽真空的氣 袋或瓶中，將氣樣帶回實驗室用氣相色譜儀分析隊0含量。每個處理同時進行未充乙炔培 養(yǎng)以測定隊0排放通量，并在培養(yǎng)結束后取混合土樣以分析無機氮含量及含水量。實施例實驗于2009年6-9月在中國科學院封丘農業(yè)生態(tài)實驗站(河南封丘)開展，時值 華北平原夏玉米生長季。驗證平臺為站內水氮耦合長期實驗地，施氮處理為連續(xù)每季每公 頃施氮 Okg(FO)、150kg (F150)、190kg (F190)、230kg(F230)和 270kg (F270)，水分處理為灌 溉時分別達到20cm(W20)，40cm(W40)，60cm(W60) 土層的田間持水量。如上所示進行試驗， 培養(yǎng)后測定的氣體產物為氧化亞氮隊0。圖3-13為每次培養(yǎng)后測定的硝化反硝化損失量。 每個處理三個重復，誤差線表示重復間的標準誤差。圖中以月-日期格式標注土樣的采集 時間。實驗結束后，用自來水和洗滌劑清洗密閉室和土樣采集管，并防塵晾干以備再次 使用。
權利要求
1.一種旱地硝化反硝化田間原位測定裝置，其特征在于包括土樣采集管和密閉室，土 樣采集管置于密閉室內，所述土樣采集管至少一端開口，其側面為多層，每層高3-5cm，每層 中部圓周上設有多個擴散孔。
2.如權利要求1所述的旱地硝化反硝化田間原位測定裝置，其特征在于所述土樣采集 管側面每層周向上均勻分布有4-6個擴散孔。
3.如權利要求1所述的旱地硝化反硝化田間原位測定裝置，其特征在于，密閉室設有 密閉室控制閥門。
4.如權利要求3所述的旱地硝化反硝化田間原位測定裝置，其特征在于，還包括乙炔 供應裝置，乙炔供應裝置上設有氣源控制閥門，氣源控制閥門與密閉室控制閥門串聯(lián)在乙 炔供應裝置與密閉室之間的第一連通管路上。
5.如權利要求4所述的旱地硝化反硝化田間原位測定裝置，其特征在于，還包括氣體 混合/抽取裝置，密閉室控制閥門與所述氣體混合/抽取裝置通過第二連通管路連接。
6.如權利要求5所述的旱地硝化反硝化田間原位測定裝置，其特征在于，所述密閉室 控制閥門為三通。
7.如權利要求1-6中任一項所述的旱地硝化反硝化田間原位測定裝置，其特征在于， 擴散孔的孔徑為2-3mm。
8.采用權利要求1-7中任一項所述裝置測試的方法，其特征在于，先用土樣采集管在 田間隨機取代表性土柱，立即將裝有土柱的土樣采集管垂直置入密閉室中，然后將乙炔氣 體引入密閉室，在密封條件下進行土柱培養(yǎng)。
9.如權利要求8所述測試的方法，其特征在于，旱地硝化反硝化田間原位測定裝置包 括密閉室、土樣采集管、乙炔供應裝置和氣體混合/抽取裝置，土樣采集管置于密閉室內， 密閉室上設有密閉室控制閥門，密閉室控制閥門與氣體混合/抽取裝置通過第二連通管路 連接，乙炔供應裝置上設有氣源控制閥門，氣源控制閥門與密閉室控制閥門串聯(lián)在乙炔供 應裝置與密閉室之間的第一連通管路上，測試的方法為將裝有土柱的土樣采集管垂直置 入密閉室中后，用氣體混合/抽取裝置抽取密閉室內設定體積含量的空氣形成負壓，然后 打開氣源控制閥門，注入等體積的乙炔，使密閉室內乙炔體積含量為上述設定體積含量，關 閉密閉室控制閥門和氣源控制閥門，靜置片刻后，再打開密閉室控制閥門，用氣體混合/抽 取裝置混勻密閉室內氣體，抽取背景氣樣，關閉密閉室控制閥門，開始土柱培養(yǎng)。
10.如權利要求9所述測試的方法，其特征在于，乙炔供應裝置包括順序連接的乙炔氣 瓶、蒸餾水緩沖瓶、濃硫酸緩沖瓶和氣源控制閥門，將乙炔引入密閉室之前，先打開氣源控 制閥門，通氣使乙炔供應裝置內的空氣全部排盡后，關閉氣源控制閥門。
全文摘要
本發(fā)明涉及旱地硝化反硝化田間原位測定裝置及使用該裝置測試的方法，乙炔擴散均勻。所述旱地硝化反硝化田間原位測定裝置包括土樣采集管和密閉室，土樣采集管置于密閉室內，所述土樣采集管至少一端開口，其側面分為多層，每層高3-5cm，每層中部設有多個擴散孔。使用本發(fā)明所述裝置測試的方法為，先用土樣采集管在田間隨機取回代表性土柱，立即將裝有土柱的土樣采集管垂直置入密閉室中，然后將乙炔氣體引入密閉室，在密封條件下進行土柱培養(yǎng)。由于采用土樣采集管采集土柱，土樣采集管側面分為多層，每層中部設有擴散孔，可以保證乙炔通入裝置后與土樣充分接觸，并均勻擴散，抑制效果理想。
文檔編號G01N30/02GK102128736SQ20101056200
公開日2011年7月20日 申請日期2010年11月26日 優(yōu)先權日2010年11月26日
發(fā)明者張佳寶, 黃平 申請人:中國科學院南京土壤研究所