一种用于水稻稳定同位素标记的甲烷采集装置及方法技术领域
本发明涉及稳定同位素示踪、温室气体采集等研究领域，特别是涉及一种用于水
稻稳定同位素标记的甲烷采集装置及方法。
背景技术
据IPCC第五次评估报告指出，1880-2012年间全球地表平均温度升高了0.85℃，且
地球仍将持续变暖，并预测至2025年和21世纪末可能导致全球气温分别增加1℃和3℃。人
们普遍认为，全球变暖主要归因于温室气体人为排放量的增加，其中，来自于农业源的温室
气体排放占全球温室气体排放总量的20％-35％，仅次于能源，位居第二。相关研究表明，农
田土壤是地球上最重要的温室气体排放源，在全球温室气体排放中占有十分重要的地位。
CO2、CH4、和N2O是最重要的三种温室气体。据统计，每年稻田排放CH4的总量约占总排放量的
12％。水稻是全球50％人口的主粮，在亚洲更为重要。中国是世界第二大水稻种植国家，种
植面积占全球的20％，总产量占全球30％。因此，保证水稻田增产的同时，减少稻田甲烷的
排放具有重要意义。近20年来土壤碳循环研究已成为土壤学研究热点之一，碳同位素示踪
技术已被广泛应用于土壤碳转化与循环方面的研究，植物碳同位素标记方法是研究植物残
体在土壤中分解和转化以及植物向土壤输入有机碳的基础，也被用于研究植物的光合作用
特性以及植物吸收CO2合成的有机碳在其体内的运转和分配。但由于碳同位素标记原材料
价格较贵，CO2又易扩散，特别是14C-CO2属放射性气体，因此在进行植物碳同位素标记时存
在一定的技术难度。目前的研究水稻同位素标记的装置比较笨重，且造价昂贵。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于水稻稳定同位素
标记的甲烷采集装置及方法，该装置的原材料简单易取，减少造价成本，并且密闭性强，易
操作。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于水稻稳定同位素标记的甲
烷采集装置，包括：隔气透光的罩体；底盘，与所述罩体可拆卸式密封连接；支架，设置于所
述罩体内，用于支撑所述罩体；CO2消耗部件，包括碱托盘和碱加入管道，所述碱加入管道与
罩体密封连接且垂直设置，所述碱加入管道下方设置有所述碱托盘，所述碱加入管道上端
设置有伸出所述罩体的碱加入口；同位素标记CO2产生部件，包括反应托盘和酸加入管道，
所述酸加入管道与所述罩体密封连接且垂直设置，所述酸加入管道下方设置有所述反应托
盘，所述酸加入管道的上端设置有伸出所述罩体的酸加入口；混气部件，设置于所述罩体
内；气体采集管道，其与所述罩体内部气体连通且与所述罩体密封连接，其端部设置有伸出
所述罩体的气体采集出口；CO2检测器连接部件，与所述罩体密封连接，其一端与设置于所
述罩体外的CO2检测器相连。
优选地，所述支架包括上水平管组和与所述上水平管组垂直连接的竖直管组，所
述上水平管组和所述竖直管组均由PVC管组成，所述上水平管组设置有多个四通管接头，所
述CO2消耗部件、所述同位素标记CO2产生部件、所述混气部件和所述气体采集管道分别通过
四通接头与所述上水平管组相连。
更优选地，所述上水平管组呈方形，其包括依次环形连接的第一上水平管、第二上
水平管、第三上水平管和第四上水平管，所述第二上水平管与所述第四上水平管的两端分
别设置有四通接头。
优选地，所述碱加入口与所述罩体连接处安装有橡胶垫片。
更优选地，一所述四通接头的下端与所述碱加入管道相连，上端与带有尼龙垫片
的第一锁紧螺母相连，所述第一锁紧螺母上端与碱封口盖相连，所述第一锁紧螺母与所述
碱封口盖之间安装有所述橡胶垫片。
优选地，所述酸加入管道为玻璃细管，所述玻璃细管外与所述罩体连接处安装有
第一橡胶塞。
更优选地，一所述四通接头的上端与带有尼龙垫片的第二锁紧螺母相连，所述第
一锁紧螺母上端与所述第一橡胶塞相连。
优选地，所述混气部件为风扇，所述风扇经电线外接电源，所述罩体上设有供所述
电线穿出的电线出口，所述电线出口与所述罩体密封连接。
优选地，所述风扇的数量为不少于两个，所述风扇均设置于所述支架上且其风向
朝向所述罩体的中间位置。
更优选地，一所述四通接头的上端与带有尼龙垫片的第三锁紧螺母相连，所述电
线被接入上水平管中，然后从风扇的正负极电线均从所述第三锁紧螺母内穿出。
优选地，所述电线出口处涂有乳胶。
优选地，所述气体采集管道为玻璃管，所述玻璃管一端与所述罩体连接处设置有
第二橡胶塞，所述玻璃管另一端套有带有三通阀门的乳胶管。
更优选地，一所述四通接头的上端与带有尼龙垫片的第四锁紧螺母相连，所述第
四锁紧螺母的上端与所述第二橡胶塞相连接。
优选地，所述CO2检测器连接管道与所述罩体连接处设置有带有尼龙垫片的第五
锁紧螺母。
更优选地，所述CO2检测器连接装置包括CO2检测器连接管道33、CO2检测器连接管
道支撑、第五锁紧螺母和CO2检测封口盖，所述CO2检测器连接管道通过所述CO2检测器连接
管道支撑与所述上水平管组相连，所述CO2检测器连接管道的一端与所述罩体的侧面相连，
所述CO2检测器连接管道与所述罩体连接处的设置有带有尼龙垫片的第五锁紧螺母，所述
第五锁紧螺母的外侧与所述CO2检测封口盖相连。
优选地，所述甲烷采集装置还包括温度计，所述温度计设置于所述罩体内，用于检
测罩体内的温度。
本发明还公开一种水稻稳定同位素标记的甲烷采集方法，采用上述所述的甲烷采
集装置进行，包括以下步骤：
1)将返青的水稻幼苗盆栽置于所述甲烷采集装置内，将装有13C标记后的碳酸盐溶
液的容器置于所述反应托盘上，向所述罩体与所述底座连接处直接注水，形成完整的密封
的箱体；
2)采用所述CO2检测器检测箱体内CO2浓度，如果CO2浓度过高，通过CO2消耗部件投
入碱，吸收CO2；
3)经同位素标记CO2产生部件向13C标记后的碳酸盐溶液加酸进行同位素示踪标
记，根据试验需要，计算滴入酸的体积，通过酸化学反应进行标记；
4)定期采集气体样本，采集气体样本时将所述风扇通过所述电线与电源连接，保
证所述箱体内空气流通均匀。
如上所述，本发明的用于水稻稳定同位素标记的甲烷采集装置及方法，具有以下
有益效果：
本发明通过整个气体标记与采集装置，将植株置于密闭标记箱中，可观察13C同位
素通过植株-土壤-微生物之间的相互作用，在稻土厌氧的环境下，所产生的13CH4排放量，为
稻田甲烷排放机理研究提供科学支持。栽培结束后还可取出植株，得到同位素标记的植物
和微生物，能更好地解释碳素在整个稻田系统中的转移及循环。该发明方法操作方便、密封
性高，材料简易获取，适合于对各种植物进行碳同位素标记。
本发明采用原材料材质轻，组装简易，便于携带或挪动；可在密闭条件下轻松加入
酸与碱于反应槽中，平衡箱体内的CO2，一方面供给植株光合作用生长所需的CO2，另一方面
可随时监控系统内植物-土壤-微生物新陈代谢产生的CH4排放量；另外，稳定同位素的标记
可根据试验需要，设计为长期连续标记，或间断脉冲标记；本发明中箱体方便打开，可为植
株添加肥料和水分。
附图说明
图1显示为本发明于一实施例中的用于水稻稳定同位素标记的甲烷采集装置的立
体结构示意图。
元件标号说明：
1、罩体 211、第一上水平管 212、第二上水平管 213、第三上水平管 214、第四上
水平管 215、第四上水平管 22、中水平管 23、下水平管 24、垂直管 25、四通接头 26、90°
接头 27、三通接头 31、CO2检测封口盖 32、第五锁紧螺母 33、CO2检测器连接管道 34、CO2
检测器连接管道支撑 35、直接接头 41、碱封口盖 42、第一锁紧螺母 43、碱加入管道 44、
碱托盘 45、碱托盘支撑 51、玻璃细管 52、第一橡胶塞 53、第二锁紧螺母 54、反应托盘支
撑 55、反应托盘 61、第二橡胶塞 62、玻璃管 71、风扇 72、电线 73、电线出口处 8、底盘
9、桶。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明
书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说
明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限
定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不
影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所
能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的
用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调
整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例提供了一种用于水稻稳定同位素标记的甲烷采集装置，可广泛的用于生态
学、植物学、作物学、微生物学、化学、环境工程等需要采集气体或者同位素示踪等领域。请
参阅图1，图1显示为实施例中用于水稻稳定同位素标记的甲烷采集装置的立体结构示意
图，如图所示，其包括罩体1、支架、底盘8、CO2消耗部件、同位素标记CO2产生部件、混气部件、
气体采集管道和CO2检测器连接装置。
罩体1为隔气透光的罩体。在实施例中，罩体由硬质隔气透光PVC薄膜组成。
底盘8与所述罩体可拆卸式密封连接；在本实施例中，罩体1与底盘8连接处填充
水，形成完整的密封箱体.
支架设置于罩体1内，用于支撑罩体。在本实施例中，整个支架呈立方形，支架设置
于带有凹槽的底盘8上。
在本实施例中，支架包括上水平管组、中水平管22、下水平管23、竖直管24、三通接
头27、90°接头26和四通接头25；上水平管组、中水平管22、下水平管23分别与竖直管24垂直
相连。上水平管组包括呈依次环形连接的第一上水平管211、第二上水平管212、第三上水平
管213和第四上水平管214，以及两端分别与第二上水平212、第四上水平管214相连的第五
上水平管215，第一上水平管211与第三上水平管213的两端均设置有三通接头27，第二上水
平管212与第四上水平管214的两端均设置有四通接头25，第一上水平管211、第二上水平管
212、第三上水平管213和第四上水平管214之间分别通过三通接头27、四通接头25相连。
垂直管24的一端设置有三通接头，另一端设置有四通接头；第一上水平管211与第
三上水平管213的两端分别依次通过三通接头27、90°接头26、三通接头与垂直管24的一端
相连通；下水平管23通过四通接头与垂直管24的另一端相连通。
在本实施例中，CO2消耗部件包括第一封口盖41、第一锁紧螺母42、碱加入管道43、
碱托盘44和碱托盘支撑45，碱加入管道43通过四通接头与第二上水平管212垂直连通，并设
置于第二上水平管212的下侧，碱加入管道43下方设置有碱托盘44，碱托盘44底部设置有碱
托盘支撑45，碱托盘支撑45通过三通接头46与竖直管24垂直相连，起到支撑碱托盘作用。与
碱加入管道43相连的四通接头的上端安装有带有尼龙垫片的第一锁紧螺母42，第一锁紧螺
母42的上端与碱封口盖41相连，第一锁紧螺母42与碱封口盖41之间安装有橡胶垫片。碱加
入口与罩体1连接处，内外均由橡胶垫片夹紧，起到密封作用。
在本实施例中，碱加入通道为PVC管，防止碱腐蚀。
在本实施例中，碱优选为氢氧化钠或氢氧化钾。
同位素标记CO2产生部件，包括反应托盘55和酸加入管道，酸加入管道与第四上水
平管垂直连通，酸加入管道下方安装有反应托盘55，反应托盘55底部均设置有反应托盘支
撑54，反应托盘支撑54均通过三通接头与竖直管24相连。酸加入管道的上端设置有伸出罩
体1的酸加入口。在本实施例中，酸加入管道为玻璃细管51，防止酸腐蚀，第四上水平管214
的一端的四通接头的上端安装有带有尼龙垫片的第二锁紧螺母53，第二锁紧螺母53上端安
装有第一橡胶塞52，第一橡胶塞52内安装有伸入罩体1内的玻璃细管51，第一橡胶塞52既起
到固定玻璃细管51的作用，同时夹紧罩体1，起到密封作用。
在本实施例中，酸优选为盐酸。
在本实施例中，反应托盘55上放置小烧杯容器，容器内放置碳酸盐溶液，优选地，
碳酸盐为碳酸钠或碳酸钾。
混气部件设置于罩体内。在本实施例中，混气部件包括两个风扇71，风扇71对称悬
挂在箱体上部，倾斜45°，用绳索固定于PVC管横梁。第二上水平管212一端远离CO2消耗部件
的一端设置有四通接头，该四通接头上端安装有带有尼龙垫片的第三锁紧螺母，风扇的电
线72被接入上水平管中，然后从两个风扇的正负极电线均从第三锁紧螺母内穿出。电线出
口处73用乳胶固定和密封。电线接出后，连接蓄电池，根据试验需求，接通电源，保证箱内气
体均匀。
气体采集管道与罩体内部气体连通且与所述罩体密封连接，其端部设置有伸出罩
体的气体采集出口。在本实施例中，在第四上水平管214远离同位素标记CO2产生部件的一
端设置有四通接头，该四通接头上端安装有带有尼龙垫片的第四锁紧螺母，第四锁紧螺母
上端设置有气体采集管道。气体采集管道由第二橡胶塞61和安装于第二橡胶塞61内的玻璃
管62构成。
在本实施例中，第二橡胶塞61采用打孔器打孔，将玻璃管62插入，玻璃管62外套乳
胶管，每个接口处均用封口膜环绕保证密封。
在本实施例中，在乳胶管另一端接一个简易的三通阀门，采样时可以先插入注射
器，将三通阀从闭合状态旋到开放状态进行气体采集，往外抽出气体；采集结束，拔出采样
注射器之前，三通阀门旋到闭合状态，拔出采样器，防止气体外逸。
CO2检测器连接部件，与所述罩体密封连接，其一端与设置于所述罩体外的CO2检测
器相连。在本实施例中，CO2检测器连接装置包括第三封口盖31、第三锁紧螺母32、CO2检测器
连接管道33和CO2检测器连接管道支撑34，CO2检测器连接管道33外侧设置有CO2检测器连接
管道支撑34，CO2检测器连接管道支撑34通过直接接头35与第五上水平管215相连，CO2检测
器连接管道33的检测口位于罩体1的侧面，CO2检测器连接管道33与罩体1连接处的设置有
带有尼龙垫片的第五锁紧螺母32，起到夹紧罩体的作用，第五锁紧螺母32的外侧设置有CO2
检测封口盖31，保证密封。
在本实施例中，上水平管、中水平管22、下水平管23、竖直管24、CO2检测器连接管
道34以及涉及到的多个三通接头27、90°接头26、四通接头25和直接接头35均由PVC材质构
成。
在本实施例中，支架的规格为60cmⅹ60cmⅹ100cm，塑料底盘的规格为100cmⅹ
100cmⅹ30cm；桶，体积为50升，口径40cm，由硬质PP塑料构成。整个装置可根据植株的大小，
调节箱体的大小，由于PVC管质量轻便，易于携带或转移。
实施例还提供一种采用上述的装置进行甲烷采集方法，包括以下步骤：
1)将水稻幼苗移栽于装有土壤的桶9中，1-2周后，幼苗返青，适应土壤新环境后，
准备下一步试验；
2)将支架置于带有凹槽的底盘8上，将桶9置于支架内，同时将装有13C标记后的
NaCO3溶液的容器置于反应托盘55上，然后将罩体1覆盖在支架上，向罩体1与底盘8连接处
直接注水，形成完整的密封箱体；采用CO2检测器检测箱体内CO2浓度，如果CO2浓度过高，通
过CO2消耗部件投入碱，吸收CO2；
3)进行同位素示踪标记，根据试验需要，计算滴入HCl的体积，通过HCl反应开始进
行标记；
4)定期采集气体样本，采集气体样本时将风扇通过电线与电源连接，保证箱体内
空气流通均匀。
通过整个气体标记与采集装置，将水稻桶置于密闭标记箱中，可观察13C同位素通
过植株-土壤-微生物之间的相互作用，在稻土厌氧的环境下，所产生的13CH4排放量，为稻田
甲烷排放机理研究提供科学支持。栽培结束后还可取出植株，得到同位素标记的植物和微
生物，能更好地解释碳素在整个稻田系统中的转移及循环。该发明方法操作方便、密封性
高，材料简易获取，适合于对各种植物进行碳同位素标记。
本发明采用原材料材质轻，组装简易，便于携带或挪动；可在密闭条件下轻松加入
HCL与NaOH溶液于反应槽中，平衡箱体内的CO2，一方面供给植株光合作用生长所需的CO2，另
一方面可随时监控系统内植物-土壤-微生物新陈代谢产生的CH4排放量；另外，稳定同位素
的标记可根据试验需要，设计为长期连续标记，或间断脉冲标记。所以，本发明有效克服了
现有技术中的缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟
悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因
此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完
成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。