一種應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置及其採集氣體的方法
2023-09-14 01:17:50 1
一種應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置及其採集氣體的方法
【專利摘要】本發明公開了一種應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置及其採集氣體的方法。應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置，包括固定支架和氣體收集箱，氣體收集箱活動安裝在固定支架上，氣體收集箱的底部設有採氣口。本發明應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置有效解決了池塘溫室氣體採集困難的問題，且質輕、密封性好，結構簡便、穩固，方便攜帶，操作方便、安全，抗幹擾性強，具有很高的精確度和重複性。
【專利說明】一種應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置及其採集氣體的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置及其採集氣體的方法。
【背景技術】
[0002]日益突出的全球環境問題和氣候問題，已引起各國政府和國際學術界的廣泛關注，哥本哈根世界氣候大會的召開，再一次敲響了有關氣候變化對人類影響的警鐘，發展低碳經濟已經成為各國政府應對當前日益嚴重的氣候變化的戰略選擇中國政府已向世界公布我國溫室氣體減排目標:到2020年中國單位⑶P 二氧化碳排放量比2005年下降40%?45%，並將減排目標作為約束性指標納入國民經濟和社會發展的中長期規劃。在2010年全國漁業工作會議上，農業部漁業局局長李健華在講話中提出，要「樹立綠色經濟、低碳經濟和循環經濟的理念，使漁業發展減少對資源和能源的消耗」。當前漁業節能減排工作重點是減少碳排放和增加碳匯。
[0003]池塘小水體是一個小型生態系統，較湖泊、河道、水庫等大水體易管理，雖然單個池塘面積小，但由於總體面積大和人工養殖管理的普遍存在，其受到人類活動的幹擾卻更為強烈，溫室氣體排放更不可忽視。據世界大壩委員會(World Commission on Dams7WCD)在工作報告中也指出，水庫排放的溫室氣體對全球的增溫潛力佔全球溫室氣體排放增溫潛力的1%_28%，水庫是大氣二氧化碳和甲烷等溫室氣體的源頭，其排放強度與水庫的地理位置、氣候條件、淹沒的土壤與植被類型等因素有關。湖泊、水庫等水體溫室氣體類型主要包括二氧化碳和甲烷，是水體中自身或陸源的有機質(OM)在水中微生物的分解作用下生成的，所產生的二氧化碳和甲烷在水體中經過擴散、運移、消耗等過程後，最終通過水氣界面排向大氣。僅有的關於人工溼地溫室氣體排放研究的報導也只局限於水庫和湖泊，都採用浮箱，直接將箱體倒置浮於水體表面，但由於水面的波動，箱體內部(頂部)氣體體積不斷變化，受自然因素影響較大，測量精度和重複性有欠缺，主要不足之處如下:
[0004]①箱體內徑較大，浮箱內以及抽取氣體的導管內氣體難以完全混合均勻；
[0005]②浮箱由於風力和波動的作用，對水體表面及氣體交換產生擾動；
[0006]③浮箱多為薄金屬片做成，由於其良好的導熱、吸熱性，太陽照射後箱體內氣體升溫快，進而影響水-氣界面的氣體交換、導致與自然狀況下溫室氣體交換產生一定的差異；
[0007]④由於池塘特殊的空間位置，採氣過程必須在船上或人工固定站臺上操作，增加了採氣的難度；水體的流動性、溫度、風向等因素都極大制約了採氣過程；
[0008]⑤有機玻璃製作，保溫隔熱不好，且重量大，不易水上操作；
[0009]⑥採集箱體和採樣裝置的密封性差，嚴重影響測試的準確性。
[0010]各行各業都呼籲節能減排，水產養殖對溫室氣體排放的貢獻如何一直是個未知數，長期缺乏與水產養殖溫室氣體排放有關的統計數據，對該產業溫室氣體排放缺乏基本的了解，影響了漁業節能減排的成效。
【發明內容】
[0011]本發明的目的是提供一種應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置及其採集氣體的方法。
[0012]為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案如下:
[0013]一種應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置，包括固定支架和氣體收集箱，氣體收集箱活動安裝在固定支架上，氣體收集箱的底部設有採氣口。
[0014]使用時，將固定支架固定在待測水面的底部，並使採氣口浸沒在水面下，然後利用氣體收集箱開始收集待測水體排放的氣體。這樣保證了採氣的穩定性，避免了因水體表面或氣體交換或其他外界因素對採氣產生的擾動；且採氣簡單方便，只要將裝置固定在待測點，定時取樣即可。氣體收集箱可採用的鐵質箱體，這樣質輕、操作方便。
[0015]固定支架包括豎向萬能角鋼和第一橫向萬能角鋼；豎向萬能角鋼有四根，呈矩形排列；第一橫向萬能角鋼有四根，分別與相鄰兩豎向萬能角鋼垂直連接，並將四根豎向萬能角鋼連為一體，且四根第一橫向萬能角鋼均連接在四根豎向萬能角鋼的同一高度；第一橫向萬能角鋼與第一橫向萬能角鋼以上的豎向萬能角鋼共同構成箱體支撐臺，氣體收集箱活動安裝在箱體支撐臺上。上述第一橫向萬能角鋼不僅與豎向萬能角鋼構成箱體支撐臺，方便了氣體收集箱的安裝，而且提高了固定支架的使用穩定性。
[0016]上述應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置，還包括第二橫向萬能角鋼，第二橫向萬能角鋼垂直連接在相鄰兩豎向萬能角鋼上，且第二橫向萬能角鋼低於第一橫向萬能角鋼；氣體收集箱為敞口的立方體結構，氣體收集箱敞口的一面向下。第二橫向萬能角鋼的設置對固定支架起到了進一步的加強作用。
[0017]本發明萬能角鋼的選擇，不僅方便了裝配時，位置的控制和調整，提高了產品的使用壽命，而且提高了回收利用效率。
[0018]氣體收集箱為敞口的正方體結構，邊長為400-600_，敞口的一面向下；氣體收集箱的外圍設有保溫層，保溫層的外圍設有反光層。邊長為400-600mm的正方體結構的設計，進一步提高了採氣分析的準確性，更優選為500_ ;保溫層的設置，不僅避免了外界溫度等因素對採氣分析結果的影響，而且起到了很好的加固作用；反光層的設置，有效防止了光線變化對採氣結果造成的影響。
[0019]上述應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置，還包括採樣管，氣體收集箱的一側面上設有採樣接口，採樣管一端與採樣接口密封對接，採樣管另一端設有第一開關閥；採樣接口為圓形，直徑為3-8mm。這樣提高了取樣的方便性和準確性。 申請人:經驗發現，採樣接口過大或過小均會影響取樣的準確性。
[0020]上述應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置，還包括氣體採樣裝置，氣體採樣裝置包括針筒、第二開關閥和氣袋；第二開關閥設在針筒的針頭上；氣袋有三個以上，氣袋的袋口設有螺旋閥門，螺旋閥門的底部設有密封墊；針筒的針頭能與採樣管無縫對接；氣體收集箱內的頂部設有與氣體收集箱可拆卸連接的攪拌裝置；氣體收集箱的底部設有活動連接在氣體收集箱上的溫度計。當採樣時，將針筒的針頭與採樣管無縫對接，然後打開第一開關閥和第二開關閥，當取樣完畢時，先關閉第一開關閥和第二開關閥，再將針頭拔離採樣管，並將針筒內內採集到的氣體注入一氣袋，不同時間的取樣要分別注入不同的氣袋中，針頭可直接扎入氣袋的螺旋閥門注汽，注氣完畢後在針口處用矽橡膠封口。攪拌裝置的設置提高了採樣分析的準確性，攪拌裝置優選可攜式微風扇，採用充電電池供電，這樣不僅使用方便，而且無需在箱體上設置電線穿孔，進而提高了分析的準確性，且方便攜帶；採樣時，也要記錄水面及環境的溫度。
[0021]上述氣袋可選鋁箔儲氣袋，能較長時間穩定保存氣體；上述氣袋用針頭直接進氣，然後用矽橡膠加密封；第一開關閥和第二開關閥均優選為三通閥；螺旋閥門底部的密封墊可定期(5次後)更換；此儲氣方法為本發明的離線測樣提供了技術基礎，避免了在線測樣過程的高難度、高成本，且所採集的樣品可有效保存7天以上，損耗率低於10%。
[0022]一種利用上述應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置採集氣體的方法，其特徵在於:包括順序相接的如下步驟:
[0023]A、將固定支架插入池塘底部，使氣體收集箱底部沒入水中l_2cm，開始採氣；
[0024]B、從採氣開始，每隔8-12min從氣體收集箱中取樣40_60ml，取樣3_6次；
[0025]C、通過氣相色譜測定每個取樣中CO2XH4和N2O的含量，並分別計算CO2XH4和N2O的排放通量。
[0026]上述方法不僅簡單易操作，而且準確率高。C02、CH4和N2O均為溫室氣體。
[0027]當氣體採集裝置安裝好後，步驟A中，採氣前，採樣管上的第一開關閥是開啟狀態，開啟氣體收集箱中的攪拌裝置，攪拌3-8min，關閉第一開關閥，開始採氣；步驟B中，取樣前，先檢查氣袋的氣密性，然後將氣袋抽真空；採樣時，將針筒的針頭與採樣管無縫對接，並打開第一開關閥和第二開關閥，開始採樣；一次採樣結束時，分別將第一開關閥和第二開關閥關閉，再將針筒內採集到的氣體注入氣袋中，多次的採樣分別注入不同的氣袋中。上述方法進一步提高了採氣分析的準確性。上述方法在關閉第一開關閥前，氣體收集箱與外界通過採樣管相通，從關閉第一開關閥起，採氣開始。
[0028]步驟B中，每次取樣時，先將針筒反覆抽吸18-22次，再開始取樣；採氣開始，分別在Omin、10min、20min和30min取樣50ml。min是分鐘的縮寫,採用上述技術方案可更進一步提高採氣分析的準確性； 申請人:經研究發現，在30分鐘以內取樣即可，超過30分鐘所取的樣品會影響分析的準確性。上述Omin中的取樣是指氣體採集裝置安裝好後，關閉第一開關閥前的取樣，10min、20min和30min的取樣,指從關閉第一開關閥起計時的10min、20min和30min的取樣。
[0029]步驟C中，排放通量F的計算公式為:
[0030]F= Am/(ΑΧ Δ t) = P XvX AC/(ΑΧ Δ t) = P XHX Λ C/At = H X (MP /(R(273+T))*AC/At
[0031]其中，排放通量F(排放通量Flux的定義:指單位面積上單位時間內該氣體的排放量，排放量為正值表示向大氣排放，負值則表示吸收)的單位為mg.m-2.IT1 ；ν為氣體收集箱的容積；Α為氣體收集箱的橫截面積；P為氣體密度；△ C/ △ t是氣體濃度隨時間變化的直線斜率；H為水面表面到氣體收集箱頂部的高度。M為待測氣體的摩爾質量(gXmor1)，R為普適氣體常數(8 .SHPaXm3Xmor1Xr1), T為採樣時箱內平均氣溫(°C )。P為採樣點大氣壓力，通常視為標準大氣壓，即P=1.013X IO5Pa0
[0032]採用上述方法可準確計算出CO2、CH4和N2O的排放通量。
[0033]本發明未提及的技術均為現有技術。[0034]本發明應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置有效解決了池塘溫室氣體採集困難的問題，且質輕、密封性好，結構簡便、穩固，方便攜帶，操作方便、安全，抗幹擾性強，具有很高的精確度和重複性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1為本發明應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置結構示意圖。
[0036]圖2為具體實施例方式中CH4的排放速率；
[0037]圖3為具體實施例方式中N2O的排放速率；
[0038]圖4為具體實施例方式中CO2的排放速率。
[0039]圖中，I為豎向萬能角鋼，2為第一橫向萬能角鋼，3為第二橫向萬能角鋼，4為採樣接口，5為採樣管，6為氣體收集箱，7為第一開關閥，8為針筒，9為針頭，10為第二開關閥。
【具體實施方式】
[0040]為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限於下面的實施例。
[0041]如圖1所示的應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置，包括固定支架和氣體收集箱，氣體收集箱活動安裝在固定支架上，氣體收集箱的底部設有採氣口 ；
[0042]固定支架包括豎向萬能角鋼和第一橫向萬能角鋼；豎向萬能角鋼有四根，呈矩形排列；第一橫向萬能角鋼有四根，分別與相鄰兩豎向萬能角鋼垂直連接，並將四根豎向萬能角鋼連為一體，且四根第一橫向萬能角鋼均連接在四根豎向萬能角鋼的同一高度；第一橫向萬能角鋼與第一橫向萬能角鋼以上的豎向萬能角鋼共同構成箱體支撐臺，氣體收集箱活動安裝在箱體支撐臺上；
[0043]固定支架還包括第二橫向萬能角鋼，第二橫向萬能角鋼垂直連接在相鄰兩豎向萬能角鋼上，且第二橫向萬能角鋼低於第一橫向萬能角鋼；氣體收集箱為敞口的立方體結構，氣體收集箱敞口的一面向下；
[0044]氣體收集箱為敞口的正方體結構，邊長為500mm，敞口的一面向下；氣體收集箱的外圍設有厚為Icm的保溫層，保溫層的外圍設有反光層。氣體收集箱採用厚為2mm的鐵皮製作，保溫層採用泡沫保溫板，反光層採用錫箔材質的反光膜。
[0045]氣體採集裝置，還包括採樣管，氣體收集箱的一側面上設有採樣接口，採樣管一端與採樣接口密封對接，採樣管另一端設有第一開關閥；採樣接口為圓形，直徑為3.8mm ;採樣管為半透明娃膠管，外徑4mm,內徑3mm。
[0046]氣體採集裝置，還包括氣體採樣裝置，氣體採樣裝置包括針筒、第二開關閥和氣袋，第二開關閥設在針筒的針頭上，氣袋有四個，氣袋的袋口上設有密封塞，針筒的針頭能與採樣管無縫對接；氣體收集箱內的頂部設有與氣體收集箱可拆卸連接的集氣扇，採用2節1.5V電池(7號乾電池)供電；氣體收集箱的底部設有活動連接在氣體收集箱上的溫度計。第一開關閥和第二開關閥均選用三通閥。
[0047]利用上述應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置採集氣體的方法，包括順序相接的如下步驟:
[0048]A、將固定支架插入池塘底部，使氣體收集箱底部沒入水中2cm，開始採氣，採氣前，開啟氣體收集箱中的攪拌裝置，攪拌5min ；
[0049]8、從採氣開始，分別在011^11、101^11、201^11和301^11取樣501111 ;取樣前，先檢查氣
袋的氣密性，然後將氣袋抽真空；採樣時，將針筒通過三通閥與採樣管無縫對接，並打開第一開關閥和第二開關閥，開始採樣；一次採樣結束時，分別將第一開關閥和第二開關閥關閉，再將針筒內採集到的氣體注入氣袋中，多次的採樣分別注入不同的氣袋中，注氣完畢後在針袋針口處用矽橡膠封口，開始採樣時，先將針筒反覆抽吸20次，再開始採樣；
[0050]C、通過氣相色譜測定每個取樣中CO2XH4和N2O的含量，並分別計算CO2XH4和N2O的排放通量；排放通量F的計算公式為:
[0051]F= Am/(ΑΧ Δ t) = P XvX AC/(ΑΧ Δ t) = P XHX Λ C/At = H X (MP /(R(273+T))*AC/At
[0052]其中，排放通量F的單位為mg.m_2.IT1 ；v為氣體收集箱的容積；A為氣體收集箱的橫截面積；P為氣體密度；△(:/At是氣體濃度隨時間變化的直線斜率；H為水面表面到氣體收集箱頂部的高度，M為待測氣體的摩爾質量(gXmor1)，R為普適氣體常數(8.SHPaXm3Xmor1Xr1), T為採樣時箱內平均氣溫(°C )。P為採樣點大氣壓力，通常視為標準大氣壓，即P=1.013X IO5Pa0
[0053]採集時間:2013年6月7日，上午10點，氣溫27度，天氣晴，採集地點:常州市金壇水產科技園區。以各氣體檢測的峰面積為縱軸，對應的時間為橫軸，做直線，斜率K為公式中對應的ACVAt,即為排放速率，如圖1-3所示。表1為不同時間的取樣中各氣體的氣象色譜的峰面積及斜率K (AC/At)。表2為各氣體計算得到的排放通量F。
[0054]表1
[0055]`
【權利要求】
1.一種應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置，其特徵在於:包括固定支架和氣體收集箱，氣體收集箱活動安裝在固定支架上，氣體收集箱的底部設有採氣口。
2.如權利要求1所述的應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置，其特徵在於:固定支架包括豎向萬能角鋼和第一橫向萬能角鋼；豎向萬能角鋼有四根，呈矩形排列;第一橫向萬能角鋼有四根，分別與相鄰兩豎向萬能角鋼垂直連接，並將四根豎向萬能角鋼連為一體，且四根第一橫向萬能角鋼均連接在四根豎向萬能角鋼的同一高度；第一橫向萬能角鋼與第一橫向萬能角鋼以上的豎向萬能角鋼共同構成箱體支撐臺，氣體收集箱活動安裝在箱體支撐臺上。
3.如權利要求2所述的應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置，其特徵在於:還包括第二橫向萬能角鋼，第二橫向萬能角鋼垂直連接在相鄰兩豎向萬能角鋼上，且第二橫向萬能角鋼低於第一橫向萬能角鋼；氣體收集箱為敞口的立方體結構，氣體收集箱敞口的一面向下。
4.如權利要求3所述的應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置，其特徵在於:氣體收集箱為敞口的正方體結構，邊長為400-600mm ;氣體收集箱的外圍設有厚0.5-1.5cm的保溫層，保溫層的外圍設有反光層。
5.如權利要求1-4任意一項所述的應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置，其特徵在於:還包括採樣管，氣體收集箱的一側面上設有採樣接口，採樣管一端與採樣接口密封對接，採樣管另一端設有第一開關閥；採樣接口為圓形，直徑為3-8mm。
6.如權利要求5所述的應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置，其特徵在於:還包括氣體採樣裝置，氣體採樣裝置包括針筒、第二開關閥和氣袋；第二開關閥設在針筒的針頭上；氣袋有三個以上，氣袋的袋口設有螺旋閥門，螺旋閥門的底部設有密封墊；針筒的針頭能與採樣管無縫對接；氣體收集箱內的頂部設有與氣體收集箱可拆卸連接的攪拌裝置；氣體收集箱的底部設有活動連接在氣體收集箱上的溫度計。`
7.一種利用權利要求1-6任意一項所述的應用於淡水池塘生態系統交換的氣體採集裝置採集氣體的方法，其特徵在於:包括順序相接的如下步驟: A、將固定支架插入池塘底部，使氣體收集箱底部沒入水中l_2cm，開始採氣； B、從採氣開始，每隔8-12min從氣體收集箱中取樣40_60ml，取樣3_6次； C、通過氣相色譜測定每個取樣中C02、CH4和N2O的含量，並分別計算C02、CH4和N2O的排放通量。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於:步驟A中，採氣前，採樣管上的第一開關閥是開啟狀態，開啟氣體收集箱中的攪拌裝置，攪拌3-8min，關閉第一開關閥，開始採氣；步驟B中，取樣前，先檢查氣袋的氣密性，然後將氣袋抽真空；採樣時，將針筒的針頭與採樣管無縫對接，並打開第一開關閥和第二開關閥，開始採樣；一次採樣結束時，分別將第一開關閥和第二開關閥關閉，再將針筒內採集到的氣體注入氣袋中，多次的採樣分別注入不同的氣袋中。
9.如權利要求7所述的方法，其特徵在於:步驟B中，每次取樣時，先將針筒反覆抽吸18-22次，再開始取樣；採氣開始，分別在Omin、10min、20min和30min取樣50ml。
10.如權利要求7所述的方法，其特徵在於:步驟C中，排放通量F的計算公式為:F=Am/(AX At) = P XvX AC/(AX At) = P XHX AC/At=HX (MP/(R(273+T)) * Λ C/Λ t其中，排放通量F的單位為mg.m_2.h-1 ；v為氣體收集箱的容積；A為氣體收集箱的橫截面積；P為氣體密度；AC/At是氣體濃度隨時間變化的直線斜率出為水面表面到氣體收集箱頂部的高度；M為待測氣體的摩爾質量，gXmoF1 ;R為普適氣體常數，.1.SHPaXm3X mor1Xr1 ；T為採樣時箱內平均氣溫(V ) ；Ρ為採樣點大氣壓力。
【文檔編號】G01N1/24GK103743603SQ201310739115
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】林海, 周剛, 李旭光, 周軍, 張彤晴, 唐晟凱, 李大命 申請人:江蘇省淡水水產研究所