一種連續在線測定土壤CO2通量的系統及方法與流程
2023-10-05 18:00:49 3
本發明屬於生態與氣象環境調控的技術領域，尤其涉及一種連續在線測定土壤CO2通量的系統及方法。
背景技術：
CO2是大氣中最重要的溫室氣體，其排放量及對氣候變暖的貢獻遠超過其它氣體。近年來，CO2溫室效應的研究倍受關注，尤其導致大氣CO2濃度進一步增加的各種過程更成為研究焦點。土壤是一個巨大的碳庫，土壤呼吸作用是導致全球氣候變化的關鍵生態過程，目前已成為全球碳循環研究的核心問題。土壤CO2是土壤空氣的主要氣體成分，也是大氣主要溫室氣體的重要來源或存儲庫，通過土壤呼吸向大氣中排放量遠遠超過電化石燃料等燃燒向大氣中排放的CO2量，其微小的變動都可能會導致大氣CO2濃度的改變。土壤CO2通量作為陸地與大氣界面溫室氣體交換量的重要度量指標，反應了土壤物理、化學、生物性質和人類對土地利用、地下礦產資源、巖溶等狀況，尤其是對全球氣候。因此，土壤CO2通量的測定對人類認識和控制全球變化具有現實意義。
在現有技術中，土壤CO2通量的測定方法包括微氣象學法、靜態箱法、動態箱法和室內培養法。其中，靜態箱法由於其結果穩定，重現性良好而受到較廣泛的應用。中國發明專利CN1987421B土壤二氧化碳通量原位測定方法及裝置，公開了土壤二氧化碳通量原位測定方法及裝置，採用了靜態箱法。東北林業大學碩士學位論文《河岸溼地土壤二氧化碳排放規律及其影響因素研究》，研究採用靜態暗箱-氣相色譜法，通過野外原位監測和實驗室樣品分析相結合的方法，分析了天然溼地及不同年限退耕還溼的溼地植被生長季CO2氣體排放通量的時空變化規律。山東農業大學碩士學位論文《施肥對三個小麥品種田間CO2通量影響的研究》，採用封閉式靜態暗箱測定技術對農田CO2氣體排放進行了測量，研究分析了農田生態系統對大氣主要溫室氣體濃度變化的貢獻。
目前，靜態箱法已較廣泛地被應用到測定土壤CO2通量中，但該測定方法仍存在一些不足。其中，在種類繁多的CO2傳感器中，紅外光學式傳感器以其測量範圍寬、靈敏度高、反應快、有良好的選擇性等特點而被廣泛使用。然而，靜態箱由於其封閉和半封閉性改變了箱體內溫度等條件，使得靜態箱內部與實際環境溫度不同，通過使得靜態箱內部與實際環境的土壤狀態不同，幹擾土壤CO2的監測，使觀測數據存在誤差，影響了土壤CO2通量測量的準確性。此外，在現有技術中靜態箱法或者在現場取回氣體樣本在實驗室中進行二氧化碳濃度的檢測以及二氧化碳通量的計算，或者在現場進行氣體的採集以及二氧化碳濃度的檢測，將實驗數據帶回後再進行二氧化碳通量的計算分析，無法實現現場實時在線土壤CO2通量的計算分析。
技術實現要素：
本發明為了解決上述問題，克服現有採用靜態箱法測定土壤CO2通量中箱體內溫度對測定對象及測試儀器存在影響幹擾土壤CO2通量測量準確性問題，提供一種連續在線測定土壤CO2通量的系統及方法。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種連續在線測定土壤CO2通量的系統，包括靜態箱、二氧化碳分析儀和控制系統；
所述靜態箱包括底座與箱體，所述箱體安裝於所述底座上；
所述箱體內部設置第一溫度測量裝置與溫控裝置，所述第一溫度測量裝置與控制系統連接，將箱體內測量的溫度信號傳輸至所述控制系統；
所述溫控裝置具體設置於所述箱體的箱頂處，使所述溫控裝置不受所述箱體內植被的幹擾，所述溫控裝置與控制系統連接，用於保持所述箱體內部溫度與箱體外部溫度一致；
所述箱體外部設置第二溫度測量裝置，所述第二溫度測量裝置與控制系統連接，將測量的箱體外部的環境溫度傳輸至所述控制系統；
所述二氧化碳分析儀與所述箱體連接，用於測量箱體內採集土壤CO2的各項數據；所述二氧化碳分析儀與所述控制系統連接，將所述測量箱體內採集土壤CO2的各項數據傳輸至控制系統；
所述控制系統分別與所述第一溫度測量裝置、第二溫度測量裝置、溫控裝置以及二氧化碳分析儀連接，所述控制系統接收所述溫度測量裝置以及二氧化碳分析儀傳輸來的數據信號進行分析計算得到土壤CO2的通量。
優選的，所述底座是由一個矩形圍成的正方形環狀物，所述底座採用不鏽鋼材料，所述底座的長寬高尺寸為50cm×50cm×10cm，所述底座的厚度為1mm-2mm，方便將所述底座插入土壤中，固定出土壤CO2通量待測區域。
所述底座四周分別開有9個直徑2cm的圓孔，圓孔在底座四周每個表面均勻分布，所述圓孔與圓孔之間在水平方向上的距離為15cm，所述圓孔與圓孔之間在垂直方向上的距離為1cm，所述圓孔的設置便於箱體內外土壤交換。
優選的，所述箱體包括一個頂板與四個側板組成的長方體，所述箱體的長寬尺寸為50cm×50cm，所述箱體的高度根據土壤CO2通量待測區域的實際情況確定；所述頂板與所述側板以及所述四個側板之間均密封連接，所述頂板與所述側板均採用有機玻璃，所述頂板與所述側板的厚度為3mm-5mm，
優選的，所述箱體的表面均包裹不透光的膜，減小太陽輻照對所述箱體內部溫度的影響。
優選的，所述不透光的薄膜採用逆反射材料膜，所述逆反射材料膜將太陽光反射出去從而減少太陽對所述箱體內部的輻照，降低所述箱體內部溫度。
優選的，所述箱體的所述頂板上設置第一通孔，所述箱體的任一所述側板上設置第二通孔，所述溫控裝置與所述控制系統的連接線穿過所述第一通孔，所述第一溫度測量裝置與所述控制系統的連接線穿過所述第二通孔。
優選的，所述箱體的所述頂板上設置風扇，所述風扇設置於所述箱體的箱頂處，使所述風扇不受所述箱體內植被的幹擾，所述風扇與控制系統連接，用於混合箱體內氣體，使得箱體內氣體流動循環、使得氣體均勻。
優選的，所述二氧化碳分析儀包括進氣管與排氣管，所述箱體的任一所述側板上設置第三通孔與第四通孔，所述進氣管穿過所述第三通孔，所述排氣管穿過所述第四通孔。
優選的，所述控制系統包括主控制器、A/D轉換電路和D/A轉換電路，所述主控制器通過所述A/D轉換電路與所述第一溫度測量裝置以及第二溫度測量裝置連接，將所述第一溫度測量裝置以及第二溫度測量裝置測量的溫度信號進行模數轉化，將轉換後的數位訊號傳輸至所述主控制器，所述主控制器對接收到第一溫度測量裝置的溫度信號進行計算得到箱內溫度平均值，所述主控制器對接收到第二溫度測量裝置的溫度信號進行計算得到環境溫度平均值，並且將箱內溫度平均值與環境溫度平均值進行比較，將比較結果傳輸至所述D/A轉換電路進行數模轉換，所述D/A轉換電路與所述溫控裝置連接，所述主控制器根據比較結果控制所述溫控裝置工作，保持所述箱體內部溫度與所述箱體外部環境溫度一致；
所述主控制器以及所述二氧化碳分析儀與移動終端連接，所述移動終端接收所述主控制器以及二氧化碳分析儀傳輸來的數據信號進行分析計算得到土壤CO2的通量。
一種連續在線測定土壤CO2通量的方法，具體步驟包括：
(1)：在待測定土壤CO2通量的土壤表層預先固定所述靜態箱的所述底座，所述底座固定的區域為待測定土壤CO2通量的區域；
(2)：在步驟(1)中固定好的所述底座上安裝所述靜態箱的所述箱體，將所述靜態箱的所述箱體與所述第一溫度測量裝置、溫控裝置以及二氧化碳分析儀連接好；將所述控制系統分別與所述第一溫度測量裝置、第二溫度測量裝置、溫控裝置以及二氧化碳分析儀連接好；
(3)：將所述靜態箱的所有開口處密封好，分別對所述控制系統、所述第一溫度測量裝置、第二溫度測量裝置、溫控裝置、風扇以及二氧化碳分析儀進行調試，並且將所述靜態箱內溫度維持於靜態箱外環境溫度後，進入步驟(4)；
(4)：啟動測定，所述移動終端根據接收到的數據對土壤CO2通量進行連續的計算，將計算結果數據及時保存至所述移動終端，並且對連續計算得到的土壤CO2通量進行分析。
優選的，所述步驟(3)中將所述靜態箱的所有開口處密封好的具體步驟為：
將所述底座與所述箱體連接處進行密封處理；
將所述第一通孔與所述溫控裝置與所述控制系統的連接線之間進行密封處理；
將所述第二通孔與所述第一溫度測量裝置與所述控制系統的連接線之間進行密封處理；
將所述第三通孔與所述進氣管之間進行密封處理；
將所述第四通孔與所述排氣管之間進行密封處理。
優選的，步驟(4)中所述土壤CO2通量的計算公式為：
式中，F為CO2通量mg/(m2·h)，正值為釋放，負值為吸收；A為取樣箱的底面積(m2)；V為所述靜態箱的體積(m3)；M0為測定氣體的分子量；t1、t2為測定開始和測定結束的時間；C1、C2分別為t1和t2時箱內溫室氣體的體積濃度；T1、T2分別為t1和t2時箱內溫度。
本發明的有益效果：
(1)本發明的一種連續在線測定土壤CO2通量的系統結構簡單，安裝方便，測定土壤CO2通量的效率高；在野外進行土壤CO2通量的測定時，不會破壞土壤及土壤表層植被；
(2)本發明監測數據快速可靠，設置第一溫度測量裝置與第二溫度測量裝置，通過控制系統將靜態箱內溫度與靜態箱外環境溫度保持一致，通過溫度補償的設計有效降低因溫度影響所產生的土壤CO2通量誤差；
(3)本發明控制系統不僅包括主控制器，同時連接含分析計算軟體的移動終端，可以在野外現場在線實時的對土壤CO2通量進行計算分析，並且可進行連續監測，監測數據可直接從移動終端中觀看、分析；
(4)本發明所述底座四周分別開有圓孔，圓孔在底座四周每個表面均勻分布，所述圓孔的設置便於箱體內外土壤交換，消除因封閉環境造成的土壤狀態與實際情況不一致而影響土壤CO2通量測量的準確性。
附圖說明
圖1是本發明的系統結構示意圖；
圖2是本發明的底座的結構示意圖；
圖3是本發明的控制系統原理圖；
圖4是本發明的方法流程圖；
其中，1-靜態箱，2-二氧化碳分析儀，3-控制系統，4-底座，5-箱體，6-第一溫度傳感器，7-風扇，8-鋁膜，9-第一通孔，10-第二通孔，11-第三通孔，12-第四通孔，13-進氣管，14-排氣管，15-單片機，16-筆記本，17-圓孔，18-第二溫度傳感器，19-溫控裝置。
具體實施方式：
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
實施例1：
為研究某濱海溼地的土壤CO2通量，採用本發明專利提供的一種連續在線測定土壤CO2通量的系統，如圖1所示，包括靜態箱1、二氧化碳分析儀2和控制系統3；
所述靜態箱1包括底座4與箱體5，所述箱體5安裝於所述底座4上；所述箱體5包括一個頂板與四個側板組成的長方體。
所述控制系統3包括主控制器、A/D轉換電路和D/A轉換電路；在本實施例中所述主控制器採用單片機15，所述主控制器和移動終端連接，所述移動終端採用筆記本16，所述單片機15與所述筆記本16連接。
在本實施例中所述第一溫度測量裝置採用第一溫度傳感器6，所述第二溫度測量裝置採用第二溫度傳感器18。
所述箱體5內部設置第一溫度傳感器6、溫控裝置19與風扇7，所述第一溫度傳感器6、溫控裝置19分別與單片機15連接，將箱體5內測量的溫度信號傳輸至所述單片機15，單片機15將控制信號傳輸至所述溫控裝置19；所述溫控裝置19用於保持所述箱體內部溫度與箱體外部溫度一致；
在本實施例中所述第一溫度傳感器6的數量為六個，其中有兩個第一溫度傳感器6均勻設置於所述箱體5的頂板下方，剩餘四個第一溫度傳感器6分別設置於所述箱體5的四個側板的中心處。所述第一溫度傳感器6與第二溫度傳感器18的精度均為0.1℃。在本實施例中所述第二溫度傳感器18的數量為一個，所述第二溫度傳感器18的數量可以設置為多個，平均分布與所述箱體的外部。
所風扇7具體設置於所述箱體5的箱頂處，使所述風扇7不受所述箱體5內植被的幹擾，所述風扇7的直徑為10cm，採用風扇7內部的蓄電池供電，風扇7用於混合所述箱體5內部氣體。
所述二氧化碳分析儀2與所述箱體5連接，用於測量箱體內採集土壤CO2的各項數據；所述二氧化碳分析儀2與所述筆記本16連接，將所述測量箱體內採集土壤CO2的各項數據傳輸至筆記本16；
所述單片機15分別與所述第一溫度傳感器6、第二溫度傳感器18以及溫控裝置19連接，所述二氧化碳分析儀2、單片機15分別與所述筆記本16連接，所述單片機15接收所述第一溫度傳感器6、第二溫度傳感器18傳輸來的溫度信號進行計算比較後，控制所述溫控裝置19進行所述箱體5內溫度的調節，使得箱體5內的溫度與箱體5外部的環境溫度一致，所述筆記本16接收所述單片機15以及二氧化碳分析儀2傳輸來的數據信號進行分析計算得到土壤CO2的通量。
所述箱體5的表面均包裹遮光材料，在本實施例中所述遮光材料採用鋁膜8，所述鋁膜8為逆反射材料膜，所述鋁膜8將太陽光反射出去從而減少太陽對所述箱體內部的輻照，減小太陽輻照對所述箱體內部溫度的影響。
所述箱體5的所述頂板上設置第一通孔9，所述箱體的任一所述側板上設置第二通孔10，所述溫控裝置19與所述控制系統3的連接線穿過所述第一通孔9，所述第一溫度傳感器6與所述控制系統3的連接線穿過所述第二通孔10。
所述二氧化碳分析儀3包括進氣管13與排氣管14，所述箱體的任一所述側板上設置第三通孔11與第四通孔12，所述進氣管13穿過所述第三通孔11，所述排氣管14穿過所述第四通孔12。
所述靜態箱1的具體結構如下：
(1)底座4：
a.材料：採用不鏽鋼材料製成，不鏽鋼較薄可以方便地插入土壤中；
b.尺寸：長寬高：50cm×50cm×10cm；厚度：1mm；厚度薄的底座可以方便地插入土壤中；
c.構造：所述底座是由一個矩形圍成的正方形環狀物；
所述底座四周分別開有9個直徑2cm的圓孔17，如圖2所示，圓孔在底座四周每個表面均勻分布，所述圓孔與圓孔之間在水平方向上的距離為15cm，所述圓孔與圓孔之間在垂直方向上的距離為1cm，所述圓孔的設置便於箱體內外土壤交換，消除因封閉環境造成的土壤狀態與實際情況不一致而影響土壤CO2通量測量的準確性。所述底座4上部設有雙卡槽，所述雙卡槽長寬高為50cm×1cm×2cm，所述底座4下部為刀刃狀，便於所述底座4插入土壤。
(2)箱體5
a.材料：採用有機玻璃；
b.尺寸：長寬高50cm×50cm×20cm，厚度3mm；
c.構造：利用所述底座4為上下皆空的正方形環狀物、下部設有卡條、上部設有雙卡槽的結構。所述箱體5包括一個頂板與四個側板組成的長方體，所述頂板與所述側板以及所述四個側板之間均密封連接，所述四個側板下部設置有卡條。
如圖3所示系統的溫度控制原理如下：
所述的二氧化碳分析儀為紅外光學式傳感器，紅外光學式傳感器置於靜態箱體內，為消除環境溫度對儀器的影響，利用控制系統使紅外光學式傳感器置於與外部環境溫度一致的環境下以消除溫度的影響，所述控制系統包括單片機、A/D轉換電路和D/A轉換電路，在溫度控制中，所述單片機通過所述A/D轉換電路與所述第一溫度傳感器、第二溫度傳感器連接，將所述第一溫度傳感器以及第二溫度傳感器測量的溫度信號進行模數轉化，將轉換後的數位訊號傳輸至所述單片機，所述單片機對接收到第一溫度測量裝置的溫度信號進行計算得到箱內溫度平均值，所述單片機對接收到第二溫度測量裝置的溫度信號進行計算得到環境溫度平均值，並且將箱內溫度平均值與環境溫度平均值進行比較，將比較結果傳輸至所述D/A轉換電路進行數模轉換，所述D/A轉換電路與所述溫控裝置連接，所述單片機根據比較結果控制所述溫控裝置工作，當單片機計算比較出的箱內溫度平均值大於環境溫度平均值，則單片機控制溫控裝置工作進入製冷狀態，保持所述箱體內部溫度與所述箱體外部環境溫度一致；大大降低了箱體內部溫度的變化對儀器測量準確性的影響。
所述單片機以及所述二氧化碳分析儀與筆記本連接，所述筆記本接收所述單片機以及二氧化碳分析儀傳輸來的數據信號進行分析計算得到土壤CO2的通量，所述筆記本包含分析計算軟體，可以在野外現場在線實時的對土壤CO2通量進行計算分析，並且可進行連續監測，監測數據可直接從所述筆記本中分析、觀看。
本實施例中所述單片機採用89C51單片機，所述第一溫度傳感器以及第二溫度傳感器均採用溫度傳感器AD590，所述A/D轉換電路中採用模數轉換器ADC0809。
一種連續在線測定土壤CO2通量的方法，如圖4所示，具體步驟包括：
(1)在待測定土壤CO2通量的土壤表層預先固定所述靜態箱的所述底座，所述底座固定的區域為待測定土壤CO2通量的區域；
(2)在步驟(1)中固定好的所述底座上安裝所述靜態箱的所述箱體，將所述靜態箱的所述箱體與所述第一溫度測量裝置、溫控裝置以及二氧化碳分析儀連接好；將所述控制系統分別與所述第一溫度測量裝置、第二溫度測量裝置、溫控裝置以及二氧化碳分析儀連接好；
(3)將所述靜態箱的所有開口處密封好，分別對所述控制系統、所述第一溫度測量裝置、第二溫度測量裝置、溫控裝置以及二氧化碳分析儀進行調試，並且將所述靜態箱內溫度維持於與靜態箱外環境溫度一致後，進入步驟(4)；
(4)啟動測定，所述二氧化碳分析儀將t1和t2時刻的測定數據連續傳輸至移動終端，所述移動終端根據接收到的數據對土壤CO2通量進行連續的計算，將計算結果數據及時保存至所述移動終端，並且對連續計算得到的土壤CO2通量進行分析。控制系統將t1時刻的所述靜態箱內溫度維持於與t1時刻的靜態箱外環境溫度一致；將t2時刻的所述靜態箱內溫度維持於與t2時刻的靜態箱外環境溫度一致。
所述步驟(3)中將所述靜態箱的所有開口處密封好的具體步驟為：
將所述底座與所述箱體連接處進行密封處理；
將所述第一通孔與所述溫控裝置與所述控制系統的連接線之間進行密封處理；
將所述第二通孔與所述第一溫度測量裝置與所述控制系統的連接線之間進行密封處理；
將所述第三通孔與所述進氣管之間進行密封處理；
將所述第四通孔與所述排氣管之間進行密封處理。
所述步驟(4)中所述土壤CO2通量的計算公式為：
式中，F為CO2通量mg/(m2·h)，正值為釋放，負值為吸收；A為取樣箱的底面積(m2)；V為所述靜態箱的體積(m3)；M0為測定氣體的分子量；t1、t2為測定開始和測定結束的時間；C1、C2分別為t1和t2時箱內溫室氣體的體積濃度；T1、T2分別為t1和t2時箱內溫度。
上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。