多通道雙循環土壤碳排放δ¹³C觀測系統的製作方法

2023-10-16 22:09:59 2

專利名稱：多通道雙循環土壤碳排放δ13C觀測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及生態學研究領域，具體的說是一種多通道雙循環土壤碳排放8 13C觀測系統。
背景技術：
土壤碳排放是指土壤產生和向大氣釋放CO2的過程，它包括土壤微生物呼吸、植物根系呼吸、土壤動物呼吸和含碳物質的化學氧化作用等幾個生物學和非生物學部分。全球每年因土壤呼吸排放到大氣中的CO2量約為68PgC，遠高於因燃料燃燒而釋放到大氣中的碳量。因此，土壤碳排放對大氣CO2濃度變化有著重要影響。土壤碳排放發生的任何變化都
將進一步影響到全球的碳循環，是決定陸地生態系統碳平衡的主要因子。了解土壤碳排放與影響因子之間的關係，對於估計和預測陸地生態系統碳循環變化有著非常重要的意義。穩定性碳同位素在自然界主要有兩種類型，即12C和13C,其中絕大部分是12C(98.9% )，而13C僅佔I. 1%，一般用該同位素摩爾數相對於標準物質中的同位素摩爾數的相對比值來表示，即用S符號表示同位素比值，單位為千分之一(％。)。由於同位素分餾效應的存在，植物根系的自養呼吸排放的和土壤微生物、動物異養呼吸排放的具有不同的6 13C值。利用土壤碳排放過程中的碳穩定性同位素的變化特徵，可以解決過去常規方法無法解決的很多問題，已經成為研究生態系統碳交換機理的最為有效的技術手段之一。目前，直接測定土壤碳排放的方法有靜態箱法、動態箱法和微氣象法，並結合鹼液吸收法、紅外氣體分析法、氣相色譜法等實現對土壤碳排放速率的測定。但上述方法只關注了土壤CO2排放速率，而未關注土壤碳釋放S13C特徵。由於自養呼吸和異養呼吸具有不同的S13C特徵，可以實現對土壤CO2來源的分析。並且在觀測儀器方面有諸多限制和不足，如不能進行連續觀測、不能多點同時觀測、由於管道殘氣影響觀測準確性等等，特別是當多個觀測點的距離較大時，上述限制會顯得更加突出。

發明內容
為了分析土壤碳排放、自養呼吸和異養呼吸的S 13C特徵、實現多點同時自動觀測、提高觀測效率和頻率、提高觀測的準確性，本發明提供一種多通道雙循環土壤碳排放s 13C觀測系統。為了實現這一目的，本發明提供如下解決方案一種多通道雙循環土壤碳排放5 13C觀測系統，該系統由氣體分析系統和電路控制系統組成。氣體分析系統包括排放箱11、21和31，箱蓋12、22和32，採樣管13、23、33、16、26、36、17、27、37、51和52，氣泵14、24、34和42，三通電磁閥15、25和35，多通道電磁閥41，S 13C分析儀43，單片機44組成。電路控制系統包括電源7，控制線62、63和64，開關81、82、83和84，觸點91、92和93連接而成。排放箱11上安裝有箱蓋12，排放箱11兩側開孔，安裝採樣管13形成迴路，採樣管13上安裝氣泵14，開啟氣泵14時，氣體在排放箱11和採樣管13內循環。採樣管13上安裝有三通電磁閥15，三通電磁閥15的一個通道與採樣管16連接，採樣管16連接多通道電磁閥41 的一個通道，多通道電磁閥41由採樣管52與5 13C分析儀43連接，分析儀43又由採樣管51與多通道電磁閥41連接，採樣管51上安裝氣泵42，多通道電磁閥41的一個通道又由採樣管17連接在採樣管13上，形成氣流迴路。由排放箱21、箱蓋22、採樣管23、氣泵24、三通電磁閥25連接形成的循環迴路由採樣管26、27連接在多通道電磁閥41上；由排放箱31、箱蓋32、採樣管33、氣泵34、三通電磁閥35連接形成的循環迴路由採樣管36、37連接在多通道電磁閥41上。並可根據實際需要增加通道數量。6 13C分析儀43測定的8 13C數據由數據線61輸送到單片機44儲存，並由單片機44通過控制線62與多通道電磁閥41連接，多通道電磁閥41的通道間切換時間由單片機44通過控制線62控制。觀測系統接通電源7後，多通道電磁閥41、氣泵42、6 13C分析儀43、單片機44開始工作，單片機44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換，多通道電磁閥41通過控制線64控制開關84連接的觸點91、92或93。當多通道電磁閥41切換到採樣管16、17通道時，開關84連接觸點91，箱蓋12關閉，三通電磁閥15開啟採樣管16通道，形成排放箱11-氣泵14-三通電磁閥15-採樣管16-多通道電磁閥41-採樣管52-S 13C分析儀43-採樣管51-多通道電磁閥41-採樣管17-採樣管13-排放箱11的氣體迴路，開始觀測。經過一段時間Tl後，由單片機44通過控制線63控制開關81、82、83連通，箱蓋22關閉，氣泵24開啟；又經過一段時間T2後，單片機44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換到採樣管26、27通道，同時單片機44通過控制線63控制開關81、82、83斷開，多通道電磁閥41通過控制線64控制開關84連接觸點92，箱蓋12打開，三通電磁閥15切換到採樣管13通道，氣泵24關閉，三通電磁閥25開啟採樣管26通道，形成排放箱21-氣泵24-三通電磁閥25-採樣管26-多通道電磁閥41-米樣管52- 8 13C分析儀43-米樣管51-多通道電磁閥41-米樣管27-採樣管23-排放箱21的氣體迴路，開始觀測。經過一段時間Tl後，由單片機44通過控制線63控制開關81、82、83連通，箱蓋32關閉，氣泵34開啟；又經過一段時間T2後，單片機44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換到採樣管36、37通道，同時單片機44通過控制線63控制開關81、82、83斷開，多通道電磁閥41通過控制線64控制開關84連接觸點93，箱蓋22打開，三通電磁閥25切換到採樣管23通道，氣泵34關閉，三通電磁閥35開啟採樣管36通道，形成排放箱31-氣泵34-三通電磁閥35-採樣管36-多通道電磁閥41-採樣管52- 6 13C分析儀43-採樣管51-多通道電磁閥41-採樣管37-採樣管33-排放箱31的氣體迴路，開始觀測。經過一段時間Tl後，由單片機44通過控制線63控制開關81、82、83連通，箱蓋12關閉，氣泵14開啟；又經過一段時間T2後，單片機44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換到採樣管16、17通道，同時單片機44通過控制線63控制開關81、82、83斷開，多通道電磁閥41通過控制線64控制開關84連接觸點91，箱蓋32打開，三通電磁閥35切換到採樣管33通道，氣泵14關閉，三通電磁閥15開啟採樣管16通道，完成多通道之間的自動切換與循環觀測。所述時間Tl、T2，T1+T2為通道間切換的時間，即對每個排放箱進行觀測的時間，T2為每個通道氣體的預混時間，採樣管13、23、33越長，T2越長，氣泵14、24、34功率越小，T2越長。時間Tl、T2根據觀測需要由單片機44輸入，並由自動程序控制。所述採樣管13、23、33的口徑大於採樣管16、26、36、17、27、37、51、52的口徑。
所述氣泵14、24、34的功率大於氣泵42的功率。


圖I是本發明的氣體分析系統結構示意圖；圖2為本發明的電路控制系統結構示意圖；圖中:11、21、31為排放箱，12、22、32 為箱蓋，13、23、33、16、26、36、17、27、37、51、52為採樣管，14、24、34、42為氣泵，15、25、35為三通電磁閥，41為多通道電磁閥，43為8 13C分析儀，44為單片機，61為數據線，62、63、64為控制線，7為電源，81、82、83、84為開關，91、92,93為觸點。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明的技術方案一種多通道雙循環土壤碳排放5 13C觀測系統，該系統由氣體分析系統和電路控制系統組成。氣體分析系統由排放箱11、21、31，箱蓋12、22、32，採樣管13、23、33、16、26、36、17、27、37、51、52，氣泵 14、24、34、42，三通電磁閥 15、25、35，多通道電磁閥 41，8 13C 分析儀43，單片機44組成。電路控制系統由電源7，控制線62、63、64，開關81、82、83、84，觸點91、92、93按照既定電路連接而成。排放箱11上安裝有箱蓋12，排放箱11兩側開孔，安裝採樣管13形成迴路，採樣管13上安裝氣泵14，開啟氣泵14時，氣體在排放箱11和採樣管13內循環。採樣管13上安裝有三通電磁閥15，三通電磁閥15的一個通道與採樣管16連接，採樣管16連接多通道電磁閥41的一個通道，多通道電磁閥41由採樣管52與5 13C分析儀43連接，分析儀43又由採樣管51與多通道電磁閥41連接，採樣管51上安裝氣泵42，多通道電磁閥41的一個通道又由採樣管17連接在採樣管13上，形成氣流迴路。由排放箱21、箱蓋22、採樣管23、氣泵24、三通電磁閥25連接形成的循環迴路由採樣管26、27連接在多通道電磁閥41上；由排放箱31、箱蓋32、採樣管33、氣泵34、三通電磁閥35連接形成的循環迴路由採樣管36、37連接在多通道電磁閥41上。並根據實際需要增加通道數量。6 13C分析儀43測定的8 13C數據由數據線61輸送到單片機44儲存，並由單片機44通過控制線62與多通道電磁閥41連接，多通道電磁閥41的通道間切換時間由單片機44通過控制線62控制。觀測系統接通電源7後，多通道電磁閥41、氣泵42、6 13C分析儀43、單片機44開始工作，單片機44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換，多通道電磁閥41通過控制線64控制開關84連接的觸點。當多通道電磁閥41切換到採樣管16、17通道時，開關84連接觸點91，箱蓋12關閉，三通電磁閥15開啟採樣管16通道，形成排放箱11-氣泵14-三通電磁閥15-米樣管16-多通道電磁閥41-米樣管52- 8 13C分析儀43-米樣管51-多通道電磁閥41-採樣管17-採樣管13-排放箱11的氣體迴路，開始觀測。經過一段時間Tl後，由單片機44通過控制線63控制開關81、82、83連通，箱蓋22關閉，氣泵24開啟；又經過一段時間T2後，單片機44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換到採樣管26、27通道，同時單片機44通過控制線63控制開關81、82、83斷開,多通道電磁閥41通過控制線64控制開關84連接觸點92，箱蓋12打開，三通電磁閥15切換到採樣管13通道，氣泵24關閉，三通電磁閥25開啟米樣管26通道,形成排放箱21-氣泵24-三通電磁閥25-米樣管26-多通道電磁閥41-採樣管52- 6 13C分析儀43-採樣管51-多通道電磁閥41-採樣管27-採樣管23-排放箱21的氣體迴路，開始觀測。經過一段時間Tl後，由單片機44通過控制線63控制開關81、82、83連通，箱蓋32關閉，氣泵34開啟；又經過一段時間T2後，單片機44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換到採樣管36、37通道，同時單片機44通過控制線63控制開關81、82、83斷開，多通道電磁閥41通過控制線64控制開關84連接觸點93，箱蓋22打開，三通電磁閥25切換到採樣管23通道，氣泵34關閉，三通電磁閥35開啟採樣管36通道，形成排放箱31-氣泵34-三通電磁閥35-米樣管36-多通道電磁閥41-米樣管52- 8 13C分析儀43-採樣管51-多通道電磁閥41-採樣管37-採樣管33-排放箱31的氣體迴路，開始觀測。經過一段時間Tl後，由單片機44通過控制線63控制開關81、82、83連通，箱蓋12關閉，氣泵14開啟；又經過一段時間T2後，單片機44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換到採樣管16、17通道，同時單片機44通過控制線63控制開關81、82、83斷開，多通道電磁閥41通過控制線64控制開關84連接觸點91，箱蓋32打開，三通電磁閥35切換到採樣管33通道，氣泵14關閉，三通電磁閥15開啟採樣管16通道，完成多通道之間的自動切換與循環觀測。所述時間Tl、T2，T1+T2為通道間切換的時間，即對每個排放箱進行觀測的時間，T2為每個通道氣體的預混時間，採樣管13、23、33越長，T2越長，氣泵14、24、34功率越小，T2越長。時間Tl、T2根據觀測需要由單片機44輸入，並由自動程序控制。所述採樣管13、23、33的口徑大於採樣管16、26、36、17、27、37、51、52的口徑。所述氣泵14、24、34的功率大於氣泵42的功率。本發明的有益效果體現在以下幾個方面通過對土壤碳排放、自養呼吸和異養呼吸的S 13C觀測，可以為區分自養呼吸和異養呼吸來源提供解決方案；通過對電路開關的控制，實現了多通道之間的自動切換與循環觀測；通過控制待測通道氣體預混，節省了每個通道的觀測時間，可以提高觀測效率和
頻率；通過控制待測通道氣體預混，消除了 「死氣」對觀測結果的幹擾，提高了觀測的準確性。上述實施方案的描述僅作為本發明一種多通道雙循環土壤碳排放8 13C觀測系統 技術方案的一種實施例提出，不作為對系統結構和功能的單一限制條件。
權利要求
1.一種多通道雙循環土壤碳排放S 13C觀測系統，該系統由氣體分析系統和電路控制系統組成； 氣體分析系統包括排放箱(11)、(21)和(31)，箱蓋(12)、(22)和(32)，採樣管(13)、(23)、(33)、(16)、(26)、(36)、(17)、(27)、(37)、(51)和(52)，氣泵(14)、(24)、(34)和(42)，三通電磁閥(15)、(25)和(35)，多通道電磁閥(41)，δ 13C分析儀(43)，單片機(44)組成； 電路控制系統包括電源(7)，控制線(62)、(63)和(64)，開關(81)、(82)、(83)和(84)，觸點(91)、(92)和(93)連接而成。
2.如權利要求I所述觀測系統，其特徵在幹 排放箱(11)上安裝有箱蓋(12)，排放箱(11)兩側開孔，安裝採樣管(13)形成迴路，米樣管(13)上安裝氣泵(14),開啟氣泵(14)時,氣體在排放箱(11)和米樣管(13)內循環；採樣管(13)上安裝有三通電磁閥(15)，三通電磁閥(15)的一個通道與採樣管(16)連接，採樣管(16)連接多通道電磁閥(41)的ー個通道，多通道電磁閥(41)由採樣管(52)與S 13C分析儀(43)連接，分析儀(43)又由採樣管(51)與多通道電磁閥(41)連接，採樣管(51)上安裝氣泵(42)，多通道電磁閥(41)的一個通道又由採樣管(17)連接在採樣管(13)上，形成氣流迴路； 由排放箱(21)、箱蓋(22)、採樣管(23)、氣泵(24)、三通電磁閥(25)連接形成的循環迴路由採樣管(26)、(27)連接在多通道電磁閥(41)上；由排放箱(31)、箱蓋(32)、採樣管(33)、氣泵(34)、三通電磁閥(35)連接形成的循環迴路由採樣管(36)、(37)連接在多通道電磁閥(41)上； δ 13C分析儀(43)測定的δ 13C數據由數據線(61)輸送到單片機(44)儲存，並由單片機(44)通過控制線(62)與多通道電磁閥(41)連接，多通道電磁閥(41)的通道間切換時間由單片機(44)通過控制線(62)控制。
3.如權利要求1-2所述觀測系統，其特徵在幹 接通電源(7)後，多通道電磁閥(41)、氣泵(42)、S13C分析儀(43)、單片機(44)開始工作，單片機(44)通過控制線(62)控制多通道電磁閥(41)切換，多通道電磁閥(41)通過控制線(64)控制開關(84)連接的觸點；當多通道電磁閥(41)切換到採樣管(16)、(17)通道時，開關(84)連接觸點(91)，箱蓋(12)關閉，三通電磁閥(15)開啟採樣管(16)通道，形成排放箱(11)-氣泵(14)-三通電磁閥(15)-採樣管(16)-多通道電磁閥(41)-採樣管(52)-S13C分析儀(43)-採樣管(51)-多通道電磁閥(41)-採樣管(17)-採樣管(13)-排放箱(11)的氣體迴路，開始觀測； 經過一段時間Tl後，由單片機(44)通過控制線(63)控制開關(81)、(82)、(83)連通，箱蓋(22)關閉，氣泵(24)開啟；又經過一段時間Τ2後，單片機(44)通過控制線(62)控制多通道電磁閥(41)切換到採樣管(26)、(27)通道，同時單片機(44)通過控制線(63)控制開關(81)、(82)、(83)斷開，多通道電磁閥(41)通過控制線(64)控制開關(84)連接觸點92，箱蓋(12)打開，三通電磁閥(15)切換到採樣管(13)通道，氣泵(24)關閉，三通電磁閥(25)開啟採樣管(26)通道，形成排放箱(21)-氣泵(24)-三通電磁閥(25)-採樣管(26)-多通道電磁閥(41)-採樣管(52)-S13C分析儀(43)-採樣管(51)-多通道電磁閥(41)-採樣管(27)-採樣管(23)-排放箱(21)的氣體迴路，開始觀測；經過一段時間Tl後，由單片機(44)通過控制線(63)控制開關(81)、(82)、(83)連通，箱蓋(32)關閉，氣泵(34)開啟；又經過一段時間T2後，單片機(44)通過控制線￠2)控制多通道電磁閥(41)切換到採樣管(36)、(37)通道，同時單片機(44)通過控制線(63)控制開關(81)、(82)、(83)斷開，多通道電磁閥(41)通過控制線(64)控制開關(84)連接觸點(93)，箱蓋(22)打開，三通電磁閥(25)切換到採樣管(23)通道，氣泵(34)關閉，三通電磁閥(35)開啟採樣管(36)通道，形成排放箱(31)-氣泵(34)-三通電磁閥(35)-採樣管(36)-多通道電磁閥(41)-採樣管52-S13C分析儀(43)-採樣管(51)-多通道電磁閥(41)-採樣管(37)-採樣管(33)-排放箱(31)的氣體迴路，開始觀測； 經過一段時間Tl後，由單片機(44)通過控制線(63)控制開關(81)、(82)、(83)連通，箱蓋(12)關閉，氣泵(14)開啟；又經過一段時間T2後，單片機(44)通過控制線￠2)控制多通道電磁閥(41)切換到採樣管(16)、(17)通道，同時單片機(44)通過控制線(63)控制開關(81)、(82)、(83)斷開，多通道電磁閥(41)通過控制線(64)控制開關(84)連接觸點(91)，箱蓋(32)打開，三通電磁閥(35)切換到採樣管(33)通道，氣泵(14)關閉，三通電磁閥(15)開啟採樣管(16)通道，完成多通道之間的自動切換與循環觀測。
4.如權利要求3所述觀測系統，其特徵在於 時間Tl、T2，T1+T2為通道間切換的時間，即對每個排放箱進行觀測的時間，T2為每個通道氣體的預混時間，採樣管(13)、(23)、(33)越長，T2越長，氣泵(14)、(24)、(34)功率越小，T2越長。
5.如權利要求1-3任一所述觀測系統，其特徵在於 採樣管(13)、(23)、(33)的口徑大於採樣管(16)、(26)、(36)、(17)、(27)、(37)、(51)、(52)的口徑。
6.如權利要求1-3任一所述觀測系統，其特徵在於 氣泵(14)、(24)、(34)的功率大於氣泵(42)的功率。
全文摘要
本發明涉及生態學研究領域，提供一種多通道雙循環土壤碳排放δ13C觀測系統，該系統由氣體分析系統和電路控制系統組成。氣體分析系統包括排放箱、箱蓋、採樣管、氣泵、三通電磁閥、多通道電磁閥、δ13C分析儀、單片機組成。電路控制系統由包括電源、控制線、開關、觸點按照既定電路連接而成。該系統實現了多通道之間的自動切換與循環觀測，消除了「死氣」對觀測結果的幹擾，節省了每個通道的觀測時間，提高了土壤碳排放δ13C觀測的效率和準確性。
文檔編號G01N33/00GK102662034SQ201210168079
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月28日 優先權日2012年5月28日
發明者於貴瑞, 孫曉敏, 張心昱, 溫學發, 王建林 申請人:中國科學院地理科學與資源研究所