原位監(jiān)測土壤凍融裝置及基于該裝置測定土壤碳損失的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種監(jiān)測土壤凍融的裝置及測定土壤碳損失的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]土壤凍融交替是由于季節(jié)或晝夜熱量變化在表土及以下一定深度形成反復(fù)凍結(jié)-解凍的土壤過程。這種現(xiàn)象在中、高瑋度或高海拔地區(qū)的土壤非常普遍。凍融交替作用改變了土壤水熱狀況，直接影響土壤元素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程。凍融格局不同對土壤生化過程的影響差異可能很大，而目前對凍融交替及其格局對土壤剖面(特別是表土和深層土壤生化過程差異)以及整個生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的影響程度和生化重要性仍不十分清楚。
[0003]在我國連續(xù)多年凍土區(qū)，凍結(jié)從地面自上而下和最大融化層深處自下而上雙向開始，在10月下旬至11月下旬期間(有時從12月至次年2月中旬)，季節(jié)融化層可全部凍透;融化從地表開始自上而下單向進(jìn)行，至9月下旬達(dá)到最大融深;而季節(jié)凍土區(qū)凍結(jié)和融化的方向與此相反。目前，針對土壤凍融交替研究中存在的問題，原位研究不夠、凍融交替格局設(shè)置不合理、實驗土壤溫度變化過快等問題。
[0004]隨著氣溫升高，凍土活動層深度增加，土壤呼吸作用增強(qiáng)，大大的促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的損失，并可能改變生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。碳釋放主要通過以下3種形式:CH4、C02和水溶性有機(jī)碳(DOC) XH4和CO2是最重要的溫室氣體，DOC是溶于水的有機(jī)碳成分，它們是土壤凍融過程主要的碳損失形式。因此，通過計算三者的含量變化或排放通量，可計算出整個冬春季凍融過程土壤碳損失的總量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有野外方法僅監(jiān)測整個土壤生態(tài)系統(tǒng)碳排放通量，無法監(jiān)測特定土層對碳排放的貢獻(xiàn)，以及室內(nèi)凍融模擬實驗無法真實反映土壤凍融過程的問題，從更精確估算凍融過程土壤有機(jī)碳變化角度，提供一種原位監(jiān)測土壤凍融的裝置及基于該裝置測定土壤碳損失的方法。
[0006]本發(fā)明原位監(jiān)測土壤凍融裝置包括凍融柱、溫度監(jiān)測儀和導(dǎo)氣管，其中凍融柱由膠套、頂蓋、底蓋和多個圓管體組成，膠套的縱切面為“H”形，多個圓管體的中軸線重疊布置形成長管體，在長管體的兩端分別加蓋頂蓋和底蓋，各圓管體之間通過膠套的水平膠板相隔交替分隔成土柱室和氣體緩沖室，在位于土柱室上方的膠套水平膠板上開有多個氣孔，導(dǎo)氣管的一端與氣體緩沖室相通，導(dǎo)氣管的另一端延伸至地表以上，多個溫度探頭通過導(dǎo)線與溫度監(jiān)測儀相連接，每個溫度探頭分布在與土柱室相同的土層中。
[0007]本發(fā)明基于原位監(jiān)測土壤凍融裝置測定土壤碳損失的方法按以下步驟實現(xiàn):
[0008]—、在土壤凍結(jié)前挖土壤剖面，切取不同土層的原位土柱作為土層單元，測定各土層單元的DOC含量；
[0009]二、將原位土柱放入凍融柱的土柱室中，多個溫度探頭通過導(dǎo)線與溫度監(jiān)測儀相連接，溫度探頭分布設(shè)置在不同的土層中，原位監(jiān)測土壤凍融裝置埋入土層中，經(jīng)歷一個完整的凍融周期，通過導(dǎo)氣管收集氣樣，測定COdPCH4的濃度并計算各土層中兩種氣體CO2和CH4的排放通量；
[0010]三、在土壤完全融化后取出原位監(jiān)測土壤凍融裝置，采集并測定土柱室中各土層單元的DOC含量；
[0011]四、結(jié)合整個凍融期各土層DOC變化及WdPCH4的排放通量，通過以下公式計算土壤在凍融過程的碳損失Cl.，完成土壤碳損失的測定，
[0012]C1ss= A DOC+ACH4+A CO2;
[0013]其中，ΔDOC為凍融前后土壤可溶性有機(jī)碳的差值；
[0014]Δ CO2為整個凍融期二氧化碳排放總體通量；
[0015]Δ CH4為整個凍融期甲烷排放總體通量。
[0016]本發(fā)明基于原位監(jiān)測土壤凍融裝置測定土壤碳損失的方法能夠同時監(jiān)測多個土層的溫室氣體排放以及可溶性有機(jī)碳的變化情況。在凍融過程，一方面，土壤孔隙水的凍結(jié)狀態(tài)不同，導(dǎo)致可溶性有機(jī)碳的含量隨著凍結(jié)融化過程而動態(tài)變化，另一方面，不同土層中功能微生物群落結(jié)構(gòu)和豐度有差異，在響應(yīng)凍融過程，代謝周轉(zhuǎn)土壤有機(jī)碳的速率也不同，因此，各土層間CO2和CH4排放通量也略有差異。相比于常規(guī)方法，在估算土壤碳損失方面，以往計算方法僅單一從土壤表層(O?20cm)有機(jī)碳含量變化或整個土柱(一定深度的土柱)溫室氣體排放通量的角度，推算凍融過程的土壤碳損失，而本發(fā)明綜合經(jīng)歷凍融過程的不同土層CO2、CH4排放通量和DOC含量三者的變化角度，計算土壤碳損失測定程度，精度提高了30%?50%。本發(fā)明適用于研究凍融期不同類型凍土碳損失情況。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明原位監(jiān)測土壤凍融裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是凍融柱的俯視圖；
[0019]圖3為實施例一步驟四得到的土層凍融曲線圖。
【具體實施方式】
[0020]【具體實施方式】一:本實施方式原位監(jiān)測土壤凍融裝置包括凍融柱、溫度監(jiān)測儀9和導(dǎo)氣管6，其中凍融柱由膠套3、頂蓋7、底蓋5和多個圓管體8組成，膠套3的縱切面為“H”形，多個圓管體8的中軸線重疊布置形成長管體，在長管體的兩端分別加蓋頂蓋7和底蓋5，各圓管體8之間通過膠套3的水平膠板相隔交替形成土柱室I和氣體緩沖室2，在位于土柱室I上方的膠套3水平膠板上開有多個氣孔3-1，導(dǎo)氣管6的一端與氣體緩沖室2相通，導(dǎo)氣管6的另一端延伸至地表以上，多個溫度探頭10通過導(dǎo)線與溫度監(jiān)測儀9相連接，每個溫度探頭10分布在與土柱室I相同的土層中。
[0021 ]本實施方式所述的導(dǎo)氣管呈“L”形，垂直部分除埋在地面以下部分外，分別高出地面300?400mm左右;垂直部分的最上端口塞有橡膠塞。
[0022]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是土柱室I的高度為10?15cm0
[0023]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是所述圓管體8和導(dǎo)氣管6的材質(zhì)為硬質(zhì)塑料。
[0024]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是所述導(dǎo)氣管6的一端與氣體緩沖室相通，導(dǎo)氣管6的另一端塞有橡膠塞11。
[0025]本實施方式還可在橡膠塞中間還插有針頭，用于抽氣。
[0026]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是導(dǎo)氣管6的一端與氣體緩沖室2相通，導(dǎo)氣管6的另一端高出地面的距離為300?400mm。
[0027]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是每個溫度探頭10放置于以凍融柱為中心半徑為0.5?2m的區(qū)域內(nèi)。
[0028]【具體實施方式】七:本實施方式基于原位監(jiān)測土壤凍融裝置測定土壤碳損失的方法按以下步驟實現(xiàn):
[0029]一、在土壤凍結(jié)前挖土壤剖面，切取不同土層的原位土柱作為土層單元，測定各土層單元的DOC含量；
[0030]二、將原位土柱放入凍融柱的土柱室中，多個溫度探頭通過導(dǎo)線與溫度監(jiān)測儀相連接，溫度探頭分布設(shè)置在不同的土層中，原位監(jiān)測土壤凍融裝置埋入土層中，經(jīng)歷一個完整的凍融周期，通過導(dǎo)氣管收集氣樣，測定COdPCH4的濃度并計算各土層中兩種氣體CO2和CH4的排放通量；
[0031]三、在土壤完全融化后取出原位監(jiān)測土壤凍融裝置，采集并測定土柱室中各土層單元的DOC含量；
[0032]四、結(jié)合整個凍融期各土層DOC變化及WdPCH4的排放通量，通過以下公式計算土壤在凍融過程的碳損失Cl.，完成土壤碳損失的測定，
[0033]C1ss= A DOC+ACH4+A CO2;
[0034]其中，ΔDOC為凍融前后土壤可溶性有機(jī)碳的差值；
[0035]Δ CO2為整個凍融期二氧化碳排放總體通量；
[0036]Δ CH4為整個凍融期甲烷排放總體通量。
[0037]本實施方式所述的溫度監(jiān)測儀為多點(diǎn)土壤溫度記錄儀，其溫度范圍能滿足凍融監(jiān)測需要，可自動記錄溫度信息。
[0038]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】七不同的是通過TOC儀測定各土層單元的DOC含量。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】七相同。
[0039]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】七或八不同的是步驟二采用氣相色譜法測定COdPCH4的濃度。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】七或八相同。
[0040]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】七至九之一不同的是步驟四通過溫度繪制土層凍融曲線圖，并結(jié)合整個凍融期各土層DOC變化及COdPCH4的排放通量，通過公式計算土壤在凍融過程的碳損失C1 ■，完成土壤碳損失的測定，其中土層凍融曲線圖分別以凍融期時間段為橫坐標(biāo)，以進(jìn)入凍結(jié)狀態(tài)(以土壤溫度低于零度為標(biāo)準(zhǔn))的土層深度為縱坐標(biāo)，再以凍融期時間段為橫坐標(biāo)，以進(jìn)入融化狀態(tài)(以土壤溫度低于零度為標(biāo)準(zhǔn))的土層深度為縱坐標(biāo)，繪制得到凍融曲線圖。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】七至九之一相同。
[0041]本實施方式因為非凍融期，濕地土壤通過微生物代謝活動也產(chǎn)生CO2和CH4,凍融曲線界定了此測定