土層二氧化碳通量的原位測定方法和裝置的製作方法
2023-09-17 09:59:45 1
專利名稱：：土層二氧化碳通量的原位測定方法和裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種土壤二氧化碳通量的原位測定方法及裝置，特別涉及土層二氧化碳通量的原位測定方法及裝置。
背景技術：
：土壤二氧化碳是土壤空氣的主要氣體成分之一，也是大氣主要溫室氣體的重要來源或存儲庫。土壤二氧化碳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，反映了土壤物理、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，由於對全球氣候變化的貢獻和影響很大，已經受到世界各個國家的關注和重視。為了準確地進行陸地生態系統的碳核算，實施《聯合國氣候變化框架公約》，履行《京都議定書》義務，對土壤二氧化碳通量做比較精確的測定，具有實質而重要的意義。土層二氧化碳通量的原位測定是在野外對不同深度某一層土壤的單位時間、單位面積所放出二氧化碳多少的測定，是土壤二氧化碳通量測定中的表面(水平)和土層(垂直)兩個方向二氧化碳通量測定的其中之一。土壤表面二氧化碳通量的原位測定方法及裝置已有研究(參見中國發明專利申請CN2006101696627)。對於土層二氧化碳通量的原位測定方法和裝置，國外曾有人採用取樣探針(gassamplingprobes)和氣密注射器(gastightsyringes)從野夕卜取樣，再拿到實驗室注入氣相色譜(gaschromatography),測得土壤二氧化碳濃度，進而計算出不同土壤深度二氧化碳的通量(文獻1:John,P.E.A.,1982.soilrespiration,.Page,A.L.,andetAl.，1982，methodsofsoilanalysis,WisconsinUSA.832-871)。這種測定由於不是現場測定而影響測定準確性，並且耗時和耗費運送樣品的人力及物力。
發明內容本發明的目的是提供一種可以在野外測定土層二氧化碳通量的土層二氧化碳通量的原位測定裝置。本發明的另一目的是提供一種利用所述土層二氧化碳通量的原位測定裝置實施野外測定的土層二氧化碳通量的原位測定方法。本發明的土層二氧化碳通量原位測定方法和裝置可用於預測土地利用變化引起的從土壤到大氣的二氧化碳釋放量，以及估算一定深度土壤裡的二氧化碳存儲量大小，對土地經營利用、土壤-大氣碳平衡、以及減緩全球氣候變暖等環境問題，都是必不可少的。此外，該方法和裝置還可用於評價植被和地力恢復速率，如工業廢棄物、垃圾、採礦跡地的處理和恢復等。本發明的原理是基於土壤與空氣之間的對流和擴散的原理，利用標有尺度的鑽杆，由土壤表面垂直向下鑽眼，藉助於樣杆，從不同土壤深度中取得二氧化碳樣品，直接通往儀器，根據紅外線對二氧化碳氣體具有特殊吸收的物理性質，定時測定不同深度土壤放出或吸收二氧化碳的濃度值。將不同深度土壤條件下測得C02濃度值，代入計算公式，即可求得標準大氣壓下，某一深度單位面積、單位時間內土壤的二氧化碳通量。根據本發明的第一方面，提供了一種土層二氧化碳通量的原位測定方法，該方法利用紅外線對二氧化碳氣體具有特殊吸收的物理性質，測定土壤持續放出或吸收二氧化碳的濃度值，包括以下步驟a)利用鑽孔工具向地下土壤層鑽取一個深度的測量孔，然後從地下土壤層取出鑽孔工具；b)將連接紅外線式二氧化碳濃度分析儀的測量探頭放入所述深度的測量孔中，在一段時間測量該深度的土壤二氧化碳濃度值，以便觀測和持續記錄該深度的土壤二氧化碳濃度值隨時間變化的情況。根據本發明第二方面，提供了一種土層二氧化碳通量的原位測定方法，該方法利用紅外線對二氧化碳氣體具有特殊吸收的物理性質，測定一個深度的土壤放出或吸收二氧化碳的濃度值，包括以下步驟a)用進氣管將測量探頭與紅外線式二氧化碳濃度分析儀相連接，然後測定土壤表面的二氧化碳濃度值X。，並記錄此測定的時間T。；b)利用鑽孔工具向地下土壤層鑽取一個深度Hn的測量孔，然後從地下土壤層取出鑽孔工具；C)將連接紅外線式二氧化碳濃度分析儀的測量探頭放入所述深度H的測量孔中，測定該深度Hn的土壤二氧化碳濃度值Xn，並記錄從取出鑽孔工具到測定的時間Tn;d)利用上述的二氧化碳濃度值X。和Xn、時間T。和Tn、深度Hn，計算深度Hn的土壤層的二氧化碳通量。在所述計算中，按照以下公式計算深度H。的土壤層的二氧化碳通量Fh:2^其中，k為換算係數，V是深度H。的測量孔的體積，S是深度Ii的測量孔的表面積，AX-X。-Xn為二氧化碳濃度變化量，AT是時間T。至時間L的時間累計。此外，所述步驟c)還包括，在測定土壤二氧化碳濃度值Xn之前，長時間測量該深度Hn的土壤二氧化碳濃度值，以便觀測和持續記錄該深度的土壤二氧化碳濃度隨時間變化的情況。根據本發明的第三方面，提供了一種土層二氧化碳通量的原位測定方法，該方法利用紅外線對二氧化碳氣體具有特殊吸收的物理性質，測定不同深度的土壤放出或吸收二氧化碳的濃度值，包括以下步驟a)用進氣管將測量探頭與二氧化碳濃度分析儀相連接，然後測定土壤表面的二氧化碳濃度值X。，並記錄時間T。；b)利用鑽孔工具向地下土壤層鑽取第一深度Ht的測量孔，然後從地下土壤層取出鑽孔工具；c)將連接二氧化碳濃度分析儀的測量探頭放入所述第一深度測量孔中，測定第一深度的土壤二氧化碳濃度值並記錄從取出鑽孔工具到測定的第一時間T1;d)接著，重複執行步驟b)至c)n-1次，以測定第二深度的土壤二氧化碳濃度值X2，…Xh,第n深度的土壤二氧化碳濃度值Xn，以及相應的第二時間T2，…Tw，第n時間L;e)利用上述的各二氧化碳濃度值、測定的時間、深度，計算不同深度土壤層的二氧化碳通量。在所述計算中，按照以下公式計算第n-x深度至第n深度土壤層的二氧化碳通量Fh:其中，k為換算係數，x是小於等於n的正整數，V是第n深度的測量孔的體積，S是第n深度的測量孔的表面積，AX=|Xn:W為二氧化碳濃度變化量，AT是Tni時間至Tn時間的時間累計。根據本發明的第四方面，提供了一種土層二氧化碳通量的原位測定裝置，包括向地下土壤層鑽取一定深度的測量孔的鑽孔工具；放入所述測量孔中的測量探頭；以及通過進氣管連接所述測量探頭的二氧化碳濃度分析儀。上述裝置還包括插接在所述進氣管中間的過濾器。其中，所述鑽孔工具包括軸向兩端及下端分別設有連接埠的擋頭；通過所述軸向兩端的連接埠分別固定連接擋頭軸向兩端的兩個把柄；通過所述下端連接埠固定連接擋頭的鑽杆。其中，所述鑽杆為多段式鑽杆，各段短杆通過接口固定連接，其中鑽杆底端為鑽頭。其中，鑽孔工具的所述固定連接為螺紋連接。其中，所述探頭包括軸向兩端及下端分別設有連接埠的擋頭；通過所述軸向兩端連接埠分別固定連接擋頭軸向兩端的兩個把柄；通過所述下端連接埠固定連接擋頭的中空樣杆；其中所述擋頭還具有密封連接所述進氣管的接管孔，該接管孔延伸至所述下端連接埠，以便形成從中空樣杆至進氣管的取樣氣道。其中，所述測量探頭的樣杆為多段式樣杆，各段短杆通過接口固定連接。其中，在所述樣杆底部開有與取樣氣道相通的取樣孔，並在該取樣孔附近的上下位置分別固定安裝土擋和桿頭。其中，所述探頭各部件的固定連接均為螺紋連接。其中，二氧化碳濃度分析儀是可攜式紅外線分析儀。本發明具有以下優點1).野外測定，對土壤結構狀況幹擾少，是一種自然狀況下的原位測定，測定更實際、及時。2).可測定不同深度土層的二氧化碳通量，深度範圍為0-200公分，包括不同深度土層的連續梯度測定、某一深度的測定和某一深度的連續時間測定(監測)。3).可以多地點、多樣地、重複測定，利用時間和空間位置的變異，移動儀器設備，達到多點測定的目的。4).測定數據可靠、直接、快速紅外線測定二氧化碳氣體的濃度是國家規定的測定公共場所空氣中二氧化碳濃度的標準測定方法(GB/T18204.24-2000),是具有仲裁效力的方法，本發明將其移植到土壤二氧化碳通量的原位測定，理論依據可靠。由於是原位測定，使得測定結果更直接和快速。5).可設定不同時間段自動紀錄數據，並能與電腦(PC)連接和導出數據，直接使用Excel軟體進行數據處理和應用。6).適用範圍廣可以使用本發明的測定方法和裝置，進行各種土壤類型的測定。下面結合附圖對本發明進行詳細說明。圖1是本發明的土層二氧化碳通量的原位測定裝置的示意圖；圖2顯示了利用本發明的測定裝置實施測量的示意圖。具體實施方式參見圖l,本發明的土層二氧化碳通量的原位測定裝置包括向地下土壤層鑽取一定深度的測量孔的鑽孔工具3:放入所述測量孔中的測量探頭2;以及通過進氣管13連接所述測量探頭2的二氧化碳濃度分析儀1。為了防止塵埃進入二氧化碳濃度分析儀1中，可以在進氣管13中間插接一個過濾器(未示出)，如塵埃過濾器。如圖l右側所示，鑽孔工具3可以包括軸向(水平)兩端及下端分別設有連接埠的擋頭35;通過所述軸向兩端的連接埠分別固定連接擋頭35軸向兩端的兩個把柄34;通過所述下端連接埠固定連接擋頭35的鑽杆。上述鑽杆可以是多段式鑽杆，各段短杆通過接口32固定連接，以便結合成一個長鑽杆，並且可以在使用完畢後拆卸，成為多段短杆，以便於存放和攜帶。所述鑽杆底端為鑽頭31。擋頭35的各連接埠與把手34和鑽杆分別通過螺紋連接實現固定連接。接口32是連接樣杆各段短杆的部件，接口32可通過與各段短杆的螺紋連接實現樣杆各段短杆之間的固定連接。當然也可以採用其它方式如焊接實現上述的固定連接。如圖l右側所示，探頭2包括軸向(水平)兩端及下端分別設有連接埠的擋頭26;通過所述軸向兩端連接埠分別固定連接擋頭26軸向兩端的兩個把柄27;通過所述下端連接埠固定連接擋頭26的中空樣杆；其中所述擋頭26還具有密封連接所述進氣管13的接管孔28，該接管孔28延伸至所述擋頭26的下端連接埠，以便形成從中空樣杆至進氣管13的取樣氣道。所述測量探頭3的樣杆也為多段式樣杆，各段短杆通過接口24固定連接，以便結合成一個長鑽杆，並且可以在使用完畢後拆卸，成為多段短杆，以便於存放和攜帶。在所述樣杆底部開有與取樣氣道相通的取樣孔22，用於採取土壤的二氧化碳含量。在取樣孔22附近的上下位置分別固定安裝土擋23和桿頭21。探頭2的擋頭35的各連接埠與把手34和鑽杆分別通過螺紋連接實現固定連接。接口24是連接樣杆各段短杆的部件，接口24可通過與各段短杆的螺紋連接實現樣杆各段短杆之間的固定連接。當然也可以採用其它方式如焊接實現上述的固定連接上述二氧化碳濃度分析儀1最好採用可攜式紅外線分析儀。另外在所述鑽孔工具3的鑽杆和探頭2的樣杆上分別標有刻度33和可讀25。下面參考圖1、圖2說明採用本發明的測定設備實現土層二氧化碳通量的原位測定方法。1.同一深度二氧化碳通量的連續時間測定如需要從某一時間開始做連續測定，即可將鑽孔工具3打到一定深度後取出，再把探頭2插入，固定到這一土壤深度，在儀器上設定採集數據的間隔時間，觀測和持續紀錄這一土壤深度的二氧化碳通量隨時間的變化情況。這種土層二氧化碳通量的原位測定方法，利用紅外線對二氧化碳氣體具有特殊吸收的物理性質，測定土壤持續放出或吸收二氧化碳的濃度值，該方法包括以下步驟a)利用鑽孔工具3向地下土壤層鑽取一個深度的測量L，然後從地下土壤層取出鑽孔工具3;b)將連接紅外線式二氧化碳濃度分析儀1的測量探頭2放入所述深度的測量孔中，在一段時間測量該深度的土壤二氧化碳濃度值，以便觀測和持續記錄該深度的土壤二氧化碳濃度值隨時間變化的情況。2.某一深度二氧化碳通量的測定預先將儀器1與探頭2用膠管連接起來，打開儀器，首先測定土壤表面的二氧化碳濃度值X。，並記錄時間T。；將鑽孔工具3直接打到某一深度(小於等於200公分)，抽出鑽孔工具3，放入探頭2，測定這個深度的土壤二氧化碳濃度值Xn，並記錄拿出鑽孔工具3到測定的時間T。這種土層二氧化碳通量的原位測定方法，利用紅外線對二氧化碳氣體具有特殊吸收的物理性質，測定一個深度的土壤放出或吸收二氧化碳的濃度值，可以包括以下步驟a)用進氣管13將測量探頭2與紅外線式二氧化碳濃度分析儀1相連接，然後測定土壤表面的二氧化碳濃度值X。，並記錄此測定的時間T。；b)利用鑽孔工具3向地下土壤層鑽取一個深度Hn的測量孔，然後從地下土壤層取出鑽孔工具3;c)將連接紅外線式二氧化碳濃度分析儀1的測量探頭2放入所述深度Hn的測量孔中，測定該深度ti的土壤二氧化碳濃度值l，並記錄從取出鑽孔工具3到測定的時間Tn;d)利用上述的二氧化碳濃度值X。和Xn、時間T。和Tn、深度H，計算深度fi的土壤層的二氧化碳通量。可以按照以下公式計算上述深度Hn的土壤層的二氧化碳通量Fh:其中，k為換算係數，V是深度Hn的測量孔的體積，S是深度li的測量孔的表面積，AX=|X。-XJ為二氧化碳濃度變化量，AT是時間T。至時間Tn的時間累計。此外，上述步驟C)還包括，在測定土壤二氧化碳濃度值L之前，長時間測量該深度Hn的土壤二氧化碳濃度值，以便觀測和持續記錄該深度的土壤二氧化碳濃度隨時間變化的情況。3.不同深度二氧化碳的連續測定預先將儀器1與探頭2用膠管連接起來，打幵儀器，首先測定土壤表面的二氧化碳濃度值X。，並記錄時間T。，同時將鑽孔工具3的鑽頭31放到待測土壤表面，手握把柄34向下用力按或用斧頭打擋頭35，當鑽進入土壤一定深度時，取出鑽孔工具3，輕輕將探頭2放入所鑽孔裡，然後測定這個深度的土壤二氧化碳濃度值L並記錄拿出鑽到測定的時間T"再將鑽孔工具3放入原來的孔中，繼續用手握住把柄34向下用力按或用斧頭打擋頭35，當鑽進入一定深度時，取出鑽杆2，將探頭2放入所鑽孔裡，測定該深度的土壤二氧化碳濃度值X2，同樣記錄拿出鑽到測定的時間T2，這樣，依次鑽孔、放樣杆、測定、記時間，重複進行，測定n次，即可測定最大深度達200公分處的土壤二氧化碳通量。這種土層二氧化碳通量的原位測定方法，利用紅外線對二氧化碳氣體具有特殊吸收的物理性質，測定不同深度的土壤放出或吸收二氧化碳的濃度值，可以包括以下步驟a)用進氣管13將測量探頭2與二氧化碳濃度分析儀1相連接，然後測定土壤表面的二氧化碳濃度值X。，並記錄時間T。。b)利用鑽孔工具3向地下土壤層鑽取第一深度H,的測量孔，然後從地下土壤層取出鑽孔工具3。c)將連接二氧化碳濃度分析儀1的測量探頭2放入所述第一深度測量孔中，測定第一深度的土壤二氧化碳濃度值&，並記錄從取出鑽孔工具3到測定的第一時間L。d)然後，重複執行步驟b)至c)n-l次，以測定第二深度的土壤二氧化碳濃度值X2，…Xh,第n深度的土壤二氧化碳濃度值X，以及相應的第二時間T2，…，第n時間L。例如，假設n-3，則重複執行步驟b)至c)兩次(即3-l=2),這樣，可以得到X2、X3、T2、T3。e)利用上述的各二氧化碳濃度值、測定的時間、深度，計算不同深度土壤層的二氧化碳通量。在所述計算中，應當按照以下公式計算第ni深度至第n深度土壤層的二氧化碳通量Fh:2卩其中，k為換算係數，x是小於等於ii的正整數，V是第n深度的測量孔的體積，S是第n深度的測量孔的表面積，AX=|X—X-W為二氧化碳濃度變化量，AT是TVx時間至L時間的時間累計。綜上所述，一臺可攜式紅外線分析儀可以測量不同土壤深度0—200公分(每IO公分一個刻化單位)的『20個樣點值；也可以測定任意深度(小於等於200公分)土壤二氧化碳的通量，以及測定同一深度土壤二氧化碳在一段時間內的連續觀測值。4.計算設土壤二氧化碳通量為F(mg/m2.hr),某一深度Hn(m)的柱狀孔體積為V(m3)、表面積為S(m2)，時間為AT(hr)，則Fh(mg/m2hr)=kAXVSATkkAXR2ttH(R2tt+2RttH)■ATRH(R+2-H)■AT(1)本裝置的鑽杆直徑是0.03米，所以代入(l)式，得:Fh(mg/m2.hr)=kAX0.015H(0.015+2H)"AT(2)式中k為換算係數為1.80(25°C，1個標準大氣壓)AX-Xn—「XnS=+S2,其中S〖為孔的底面積，S2為孔壁面積5.計算案例某一草原土壤樣地的測量數據見表1.表l.二氧化碳濃度值實際測量數據表深度cm樣點l樣點2樣點3樣點4樣點5求和平均值8:008:158:308:509:0504304604804905102370474tableseeoriginaldocumentpage14單位ppm;假定每10公分深的時間AT=2分鐘。根據給定的計算公式(2)，計算地下6070公分深度的土壤二氧化碳通量如下:20.01SHF60~70(mg/m2.hr)=kAX(0.015+2H)-AT=1.8X(1266-948)X-0.015x0.1-X60(0.015+2x0.1)x2=119.8(mg/m2.hr)。權利要求1、一種土層二氧化碳通量的原位測定方法，利用紅外線對二氧化碳氣體具有特殊吸收的物理性質，測定土壤持續放出或吸收二氧化碳的濃度值，包括以下步驟a)利用鑽孔工具(3)向地下土壤層鑽取一個深度的測量孔，然後從地下土壤層取出鑽孔工具(3)；b)將連接紅外線式二氧化碳濃度分析儀(1)的測量探頭(2)放入所述深度的測量孔中，在一段時間測量該深度的土壤二氧化碳濃度值，以便觀測和持續記錄該深度的土壤二氧化碳濃度值隨時間變化的情況。2、一種土層二氧化碳通量的原位測定方法，包括以下步驟a)用進氣管(13)將測量探頭(2)與紅外線式二氧化碳濃度分析儀(1)相連接，然後測定土壤表面的二氧化碳濃度值X。，並記錄此測定的時間T。；b)利用鑽孔工具(3)向地下土壤層鑽取一個深度Hn的測量孔，然後從地下土壤層取出鑽孔工具(3);c)將連接紅外線式二氧化碳濃度分析儀(1)的測量探頭(2)放入所述深度Ii的測量孔中，測定該深度Hn的土壤二氧化碳濃度值Xn，並記錄從取出鑽孔工具(3)到測定的時間T」d)利用上述的二氧化碳濃度值X。和X、時間T。和Tn、深度Hn，計算深度fi的土壤層的二氧化碳通量。3、根據權利要求2所述的方法，其中，按照以下公式計算深度ti的土壤層的二氧化碳通量Fh-其中，k為換算係數，V是深度Hn的測量孔的體積，S是深度Hn的測量孔的表面積，AX-Xo-Xn為二氧化碳濃度變化量，AT是時間T。至時間Tn的時間累計。4、根據權利要求2所述的方法，其中，所述步驟c)還包括，在完成土壤二氧化碳濃度值Xn的測定之前，長時間測量該深度Hn的土壤二氧化碳濃度值，以便觀測和持續記錄該深度的土壤二氧化碳濃度隨時間變化的情況。5、一種土層二氧化碳通量的原位測定方法，包括以下步驟a)用進氣管(13)將測量探頭(2)與二氧化碳濃度分析儀(1)相連接，然後測定土壤表面的二氧化碳濃度值X。，並i己錄時間T。；b)利用鑽孔工具(3)向地下土壤層鑽取第一深度H,的測量孔，然後從地下土壤層取出鑽孔工具(3);c)將連接二氧化碳濃度分析儀(1)的測量探頭(2)放入所述第一深度測量孔中，測定第一深度的土壤二氧化碳濃度值X,，並記錄從取出鑽孔工具(3)到測定的第一時間T';d)接著，重複執行步驟b)至c)，直至測定第二深度的土壤二氧化碳濃度值X2，…第n深度的土壤二氧化碳濃度值Xn，以及相應的第二時間T2，…第n時間T;e)利用上述的各二氧化碳濃度值、測定的時間、深度，計算不同深度土壤層的二氧化碳通量。6、根據權利要求5所述的方法，其中，按照以下公式計算第n-x深度至第n深度土壤層的二氧化碳通量Fh:其中，k為換算係數，x是小於等於n的正整數，V是第n深度的測量孔的體積，S是第n深度的測量孔的表面積，AX叫L-X。I為二氧化碳濃度變化量，AT是lVx至T。的時間累計。7、一種土層二氧化碳通量的原位測定裝置，包括向地下土壤層鑽取一定深度的測量孔的鑽孔工具(3);放入所述測量孔中的測量探頭(2);以及通過進氣管(13)連接所述測量探頭(2)的二氧化碳濃度分析儀(1)。8、根據權利要求7所述的裝置，其中所述鑽孔工具(3)包括軸向兩端及下端分別設有連接埠的擋頭(35);通過所述軸向兩端的連接埠分別固定連接擋頭(35)軸向兩端的兩個把柄(34);通過所述下端連接埠固定連接擋頭(35)的鑽杆；其中所述鑽杆是底端為鑽頭(31)的多段式鑽杆，各段短杆通過接口(32)固定連接。9、根據權利要求7所述的裝置，其中所述探頭(2)包括軸向兩端及下端分別設有連接埠的擋頭(26);通過所述軸向兩端連接埠分別固定連接擋頭(26)軸向兩端的兩個把柄(27);通過所述下端連接埠固定連接擋頭(26)的中空樣杆；其中所述擋頭(26)還具有密封連接所述進氣管(13)的接管孔(28)，該接管孔(28)延伸至所述下端連接埠，以便形成從中空樣杆至進氣管(13)的取樣氣道；其中所述測量探頭(3)的樣杆為多段式樣杆，各段短杆通過接口(24)固定連接。全文摘要本發明公開了一種土層二氧化碳通量的原位測定方法及裝置。本發明基於土壤與空氣之間的對流和擴散的原理，利用標有尺度的鑽杆，由土壤表面垂直向下鑽眼，藉助於樣杆，從不同土壤深度中取得二氧化碳樣品，直接通往儀器，根據紅外線對二氧化碳氣體具有特殊吸收的物理性質，定時測定不同深度土壤放出或吸收二氧化碳的濃度值。將不同深度土壤條件下測得CO2濃度值，代入計算公式，即可求得標準大氣壓下，某一深度單位面積、單位時間土壤的二氧化碳通量值。本發明可用於自然狀態下不同深度土壤CO2通量的觀測、土壤CO2存儲量測定、土地利用變化引起CO2釋放量變化的測算以及植被和地力恢復速率的評價。文檔編號G01N33/00GK101131352SQ20071010002公開日2008年2月27日申請日期2007年6月4日優先權日2007年6月4日發明者孫向陽,高程達申請人:高程達;孫向陽;北京林業大學