CN108318607A

CN108318607A - 一种温度可控式透明静态箱及温室气体野外原位采集方法

Info

Publication number: CN108318607A
Application number: CN201810097558.4A
Authority: CN
Inventors: 邓正苗; 陈心胜; 谢永宏; 李峰; 邹业爱; 朱莲莲; 任艺洁
Original assignee: Institute of Subtropical Agriculture of CAS
Current assignee: Institute of Subtropical Agriculture of CAS
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2018-07-24
Anticipated expiration: 2038-01-31
Also published as: CN108318607B

Abstract

本发明公开了一种温度可控式透明静态箱及温室气体野外原位采集方法，水槽粘接固定于土壤环上，制冷水箱与箱体相连，制冷水箱通过导轨固定箱体，水泵放置于制冷水箱底，进水管与水泵出水口套接，气压平衡管通过气压平衡孔与箱体相通，出水管一端放置于制冷水箱上，顶盖与箱体顶部密封粘接，空气冷却器顶部与顶盖内侧固定，输出端通过水泵电源控制器与水泵连接，高灵敏度温度探头通过温度探头插孔与温度控制器相连接，移动电源直接与温度控制器的输入端和通过风扇电源孔与风扇相连接，采样管一端通过采样孔与箱体相通，采气阀固定于采样管上端。效果显著，成本低廉，结构简单，便携易操作，适用范围广，结果灵敏度高，能有效控制箱体内温度和气压。

Description

一种温度可控式透明静态箱及温室气体野外原位采集方法

技术领域

本发明属于全球变化生态学研究领域，更具体涉及一种温度可控式透明静态箱，同时还涉及一种温室气体原位采样方法。它适用于陆地生态***温室气体排放研究，通过对地——气间温室气体净交换的直接测定，直接得到陆地生态***——大气温室气体净交换速率(NEE,net ecosystem exchange)。

背景技术

CO₂，CH₄，N₂O是全球三大主要的温室气体，2016年全球CO₂浓度达到了403.3ppm(1ppm为百万分之一)，高于2015年的400ppm，为工业化前(1750年前)水平的145％；甲烷浓度达到了新高，约为1853ppb(1ppb为十亿分之一)，是工业化前水平的257％；氧化亚氮浓度为328.9ppb，为工业化前水平的122％。大气温室气体浓度的变化主要取决于参与碳氮循环的各个碳氮库间的碳氮通量波动，研究陆地生态***温室气体通量变化是全球变化研究的核心内容之一。

当前温室气体通量监测方法主要有微气象涡度相关法和静态箱——气相色谱法，微气象涡度相关法主要通过测定某一生态***类型上方特定高度的三维风速及空气湍流速度，直接高频测出空气中气体浓度变化，进而得到生态***温室气体的净交换量(NetEcosystem Exchange,NEE)。该方法具有响应快，不破坏植被且能达到野外原位连续监测目标，但是该方法对下垫面的均匀度和坡度要求较高，且仪器设备昂贵，维护费用高，难以大面积普及。

静态箱——气相色谱法的基本工作原理是用已知容积和底面积的密闭无底箱体(由化学性质稳定的材料制成)将要测定的地表罩起来,每隔一段时间抽取箱内气体，用气相色谱仪测定其中目标气体的浓度，然后根据气体浓度随时间的变化率，计算被罩表面地——气间微量气体的交换速率。该方法具有适应性强、结构与操作简单、成本低廉和灵敏度高等优点、因此广泛应用于我国典型陆地生态***温室气体CO₂、CH₄和N₂O的同步监测。

采用透明箱测定生态***微量气体交换的技术难题是测定过程中箱内空气温度上升很快,难于控制。而采样期间温度的急剧上升不仅影响植物的光合作用和呼吸作用，而且导致箱内水汽含量增加(特别是对于水稻和湿地生态***)，箱内气压增加，这些均会影响CO₂交换的测定结果。经中国专利网与相关论文网站检索，当前大多静态箱设计基本都为静态暗箱(不透光箱体)，如“用于收集农田作物温室气体的静态箱”，公开号：CN206095725U、“一种原位观测湿地碳排放的静态箱***”，公开号：CN203572823U。静态暗箱虽能在一定程度上缓解箱内温度过快上升；但是，静态暗箱只能用于测定生态***的呼吸，无法直接测定陆地生态***NEE，生态***NEE只能通过土壤——植物***的呼吸间接估算且存在较大误差。因此，当前亟需发明一种温度可控式透明静态箱及其温室气体原位采样方法用于直接测定生态***NEE。

发明内容

针对当前透明箱采样时箱体内温度上升过快，箱内气压增加等技术难点，本发明的目的是在于提供了一种温度可控式透明静态箱，该装置效果显著，成本低廉，结构简单，便携易操作，易于推广，能有效控制箱体内温度和气压。

本发明的另一个目的是在于提供了一种野外原位采集温室气体的方法，该方法适用范围广，结果灵敏度高，能满足直接测定生态***温室气体净交换(NEE)的需求。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种温度可控式透明静态箱，它包括底座、箱体、顶盖、控温装置、采气装置以及气压平衡管构成。其特征在于：土壤环埋于待测样地中，水槽粘接固定于土壤环上，制冷水箱与箱体相连；箱体放置于充满自来水的水槽中；制冷水箱通过导轨固定于箱体的侧面；水泵放置于制冷水箱底部，冷却液直接倒入制冷水箱中；进水管与水泵出水口套接，进水管另一端通过进水孔与空气冷却器底部进水口套接；气压平衡管通过气压平衡孔与箱体相通；出水管一端放置于制冷水箱的上边缘，出水管另一端通过出水孔与空气冷却器上部出水口套接；顶盖与箱体顶部密封粘接；空气冷却器顶部与顶盖内侧固定；风扇固定于空气冷却器的底部；温度控制器固定于顶盖外侧表面，其输出端通过水泵电源控制器与水泵连接；高灵敏度温度探头通过温度探头插孔与温度控制器相连接；移动电源直接与温度控制器的输入端和通过风扇电源孔与风扇相连接；采样管一端通过采样孔与箱体相通；采气阀固定于采样管上端；防水罩通过铝合金合页与顶盖表面固定，罩住温度控制器、水泵电源控制器和移动电源。

通过上述各个部件的技术措施，获得一种温度可控式透明静态箱。

该静态箱的关键部件为空气冷却循环***，包括空气冷却器，制冷水箱及水泵。通过该***的运行，解决了当前透明静态箱采样过程中箱内温度过快上升的难题。与现有技术相比，本发明主要进步为：在采样过程中控制箱体内的温度，从而避免因温度上升带来的生态***NEE测量误差；本技术方案与现有技术的主要区别在于：本技术方案增加了采样箱空气冷却***和温度控制***，从而保证了测量结果的准确性。

所述的土壤环和水槽构成底座，底座管径为390－410mm的PVC管和厚度为15－17mm的PVC板粘结组成；箱体由壁厚为4－6mm，管径为390－410mm，高度为590－610mm的有机玻璃管制成；所述的顶盖由厚度为4－6mm，直径为400－420mm的有机玻璃板制成；所述的顶盖和箱体通过有机玻璃胶水牢固粘接。控温装置由空气冷却器，制冷水箱，控制电压为12V的多路温控器，输入电压为12V，直径为140mm的风扇，输入电压为12V，出水管径为5－7mm的水泵，内径为5－7mm，外径为7－9mm进水管和出水管组成。所述的空气冷却器由管径为7－9mm，壁厚为0.4－0.6mm，长度为1.8－2.2m的紫铜管缠绕成直径为140－160mm的柱形铜盘制成，所述的制冷水箱管径为90－110mm，高度为140－160mm的有机玻璃管制成，制冷水箱表面包裹绝热锡箔纸和隔热泡沫以达到隔热目的。所述的控温装置的组装方式为将空气冷却器一侧与顶盖内侧中心固定，然后将风扇与空气冷却器下表面固定，并保持中心对齐。空气冷却器下端连接进水管，上端连接出水管，进水管与出水管通过箱体壁上的小孔(孔径8mm)与制冷水箱连接，制冷水箱通过箱壁外侧安装的导轨固定。将水泵置于制冷水箱底部，水泵出水口与进水管连接，出水管自然放置于制冷水箱内。水泵电源线与温控器输出端通过快速防水接头相连，风扇电源与温控器输入端通过快速防水接头连接。温控器自带温度探头通过顶盖小孔(孔径4mm)伸入静态箱内部。所述的采气装置内径为5－7mm，外径为9－11mm的透明硅胶管和医用三通阀连接而成，采气装置通过顶盖小孔(孔径10mm)伸入采样箱内部。所述的气压平衡管由内径为1－3mm，外径为3－5mm，长度为90－110mm的透明毛细管通过箱壁小孔(孔径4mm)与水箱连接，气压平衡管一端置于采样箱内部，一端自然放置于制冷水箱液面以下。各配件安装完毕后，所有小孔均涂抹玻璃胶进行密封。

一种温室气体原位采样方法，其步骤是：

步骤一、提前一天将采样箱底座埋入采样地，保持底座水槽水平；

步骤二、采样时将采样箱放置于底座水槽中，在水槽中倒入自来水密封箱体与底座；

步骤三、在制冷水箱中注入经零下18℃冷冻11－13小时的冷却液(车仆cp1101)(冰点为-25℃)；

步骤四、将温控器(XH-W3001)接上12V移动电源，测得箱内即时温度，即空气温度(-10–50℃)；

步骤五、将温控器启动温度设定为“空气温度(-5–40℃)+0.1℃”(即当箱内温度上升0.1℃时，接通水泵电源)，停止温度设定为“空气温度(-5–40℃)-0.1℃”(即当箱内温度低于空气温度0.1℃时，切断水泵电源)；

步骤六、打开水泵电源开关，此时，当箱内温度高于空气温度0.1℃时，制冷水泵工作将冷却液循环进入空气冷却装置(紫铜管)达到快速降温目的；当箱内温度低于空气温度0.1℃时，制冷水泵停止工作，冷却装置内的低温(-18–0℃)冷却液通过水泵负压回流到制冷水箱中，达到停止降温的目的。

步骤七、通过气体采样装置每隔5-10分钟采集一次样品，每次采集30ml样品，共采集4－6次。

步骤八、采集4－6次气体后，关闭水泵开关，断开电源，取下静态箱，将冷却液回收。

步骤九、所采集的样品尽快上气象色谱仪(安捷伦7890A)进行温室气体浓度分析，温室气体浓度随时间的变化量即为生态***与大气间温室气体的净交换量(NEE)。

通过上述九个步骤的技术措施：

其关键步骤为第三、四、五、六步，通过以上关键步骤的实施，解决了温室气体野外原位采样中箱内温度上升过快的技术难题，实现了采样箱内温度可控。与现有技术相比，本技术方案在气体采集过程中增加了气温冷却步骤，从而避免了因气温上升对箱内气压及植物光合作用的影响，保证了生态***NEE测量结果的准确性。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明能有效控制透明箱采样中箱体内温度过快上升，对箱体内的温度控制精度能达到0.1℃；

(2)本采样方法对植被无损伤，直接测定生态***与大气间温室气体的净交换量，有效避免通过生态***呼吸来间接估算NEE的误差；

(3)本发明安装迅速，操作简单有序，省时省力，成本低廉，移动性强，可同时多点观测。

本发明在国家自然科学基金项目“洞庭湖湿地土壤碳排放及其对水文情势变化的响应机理”的支持下在洞庭湖湿地得以应用，实验结果表明：与传统采样箱相比，采用本装置可有效控制采样箱内温度过快上升；利用传统采样箱会过高估计生态***NEE(约13.6％)。

表1 采样箱实验效果对比

附图说明

图1为一种温度可控式透明静态箱结构示意图。

图2为一种温度可控式透明静态箱顶盖的俯视图。

其中：1－土壤环(PVC)、2－水槽、3－箱体、4－制冷水箱(普通)、5－水泵(普通)、6－冷却液(车仆cp1101)、7－进水管、8－气压平衡管、9－出水管、10－进水孔、11－气压平衡孔、12－出水孔、13－顶盖、14－空气冷却器(紫铜管)、15－风扇(普通)、16－温度控制器(XH-W3001)、17－水泵电源开关(普通)、18－高灵敏温度探头(TP-K01)、19－移动电源(普通)、20－采气管、21－采气阀(普通)、22－防水罩、23－采样孔、24－温度探头插孔、25－风扇电源孔。

具体实施方式

实施例1：

根据图1、图2可知，一种温度可控式透明静态箱，由土壤环1、水槽2、箱体3、制冷水箱4、水泵5、冷却液6、进水管7、气压平衡管8、出水管9、进水孔10、气压平衡孔11、出水孔12、顶盖13、空气冷却器14、风扇15、温度控制器16、水泵电源控制器17、高灵敏温度探头18、移动电源19、采气管20、采气阀21、防水罩22、采样孔23、温度探头插孔24、风扇电源孔25组成。其特征在于：土壤环1埋于待测样地中，水槽2粘接固定于土壤环1上，制冷水箱4与箱体3相连；箱体3放置于充满自来水的水槽2中；制冷水箱4通过导轨固定于箱体3的侧面；水泵5放置于制冷水箱4底部，冷却液6直接倒入制冷水箱4中；进水管7与水泵5出水口套接，进水管7另一端通过进水孔10与空气冷却器13底部进水口套接；气压平衡管8通过气压平衡孔11与箱体3内部空气相通；出水管9一端放置于制冷水箱4的上边缘，出水管9另一端通过出水孔12与空气冷却器14上部出水口套接；顶盖13与箱体3顶部密封粘接；空气冷却器14顶部与顶盖13内侧固定；风扇15固定于空气冷却器14的底部；温度控制器16固定于顶盖13外侧表面，其温度控制器16输出端通过水泵电源控制器17与水泵5连接；高灵敏度温度探头18通过温度探头插孔24与温度控制器16相连接；移动电源19直接与温度控制器16的输入端和通过风扇电源孔25与风扇15相连接；采样管20一端通过采样孔23与箱体3内部相通；采气阀21固定于采样管20上端；防水罩22通过铝合金合页与顶盖13表面固定，罩住温度控制器16、水泵电源控制器17和移动电源19。

所述的土壤环1和水槽2构成底座，底座管径为390或400或410mm的PVC管和厚度为15或16或17mm的PVC板粘结组成；箱体3壁厚为4或5或6mm，管径为390或400或410mm，高度为590或600或610mm的有机玻璃管制成；所述的顶盖13厚度为4或5或6mm，直径为400或410或420mm的有机玻璃板制成；所述的顶盖13和箱体3通过有机玻璃胶水牢固粘接，空气冷却器14管径为7或8或9mm，壁厚为0.4或0.5或0.6mm，长度为1.8或2或2.2m的紫铜管缠绕成直径为140或150或160mm的柱形铜盘制成，所述的制冷水箱4管径为90或100或110mm，高度为140或150或160mm的有机玻璃管制成，制冷水箱4表面包裹绝热锡箔纸和隔热泡沫以达到隔热目的。

所述的采气装置内径为5或6或7mm，外径为9或10或11mm的透明硅胶管和医用三通阀连接而成，采气装置通过顶盖小孔(孔径10mm)伸入采样箱内部。所述的气压平衡管由内径为1或2或3mm，外径为3或4或5mm，长度为90或100或110mm的透明毛细管通过箱壁小孔(孔径4mm)与水箱连接，气压平衡管一端置于采样箱内部，一端自然放置于制冷水箱液面以下。各配件安装完毕后，所有小孔均涂抹玻璃胶进行密封。

通过以上技术步骤，组装完成一种温度可控式透明静态箱。

实施例2：

一种温室气体原位采样方法，其步骤是：

步骤一、在待测样点提前埋入制作好的底座(土壤环1和水槽2)，埋入深度为20cm；

步骤二、将箱体3放入水槽2中，将水槽2中注满自来水；

步骤三、将经冷冻过的冷却液6倒入制冷水箱4中；

步骤四、将移动电源19与温度控制器16和风扇15相连；

步骤五、读取温度控制器16的即时温度(空气温度-5或-3或-1或5或10或20或30或40℃)，并根据需要设置温度控制器16的启动和停止温度。如将启动温度设为“空气温度(-5或-2或8或16或24或32或40℃)+0.1℃(即当箱内温度高于空气温度0.1℃时，接通水泵电源)，停止温度设为空气温度(-5或-1或7或15或21或28或32或36或40℃)-0.1℃(即当箱内温度低于空气温度0.1℃时，切断水泵电源)，此时的控温精度即为±0.1℃；

步骤六、打开水泵5的电源控制器17；此时，当箱内温度高于空气温度(-5—40℃,这个区间任何一个温度均可)0.1℃时，制冷水泵工作将冷却液循环进入空气冷却装置(紫铜管)达到快速降温目的；当箱内温度低于空气温度(-5—40℃,这个区间任何一个温度均可)0.1℃时，制冷水泵停止工作，冷却装置内的低温-18或-14或-10或-6或-3或0℃冷却液通过水泵负压回流到制冷水箱中，达到停止降温的目的。

步骤七、打开采气管20顶端的采气阀21，用医用注射器迅速采集30ml气体样品，然后关闭采气阀21，随后每隔5分钟采集一次气体样品。

步骤八、采集5次气体后，关闭水泵电源控制器17，断开移动电源19，取下箱体3，将冷却液6回收。

通过以上实施步骤，解决了温室气体野外原位采样中箱内温度上升过快的技术难题，实现了采样箱内温度可控，避免了因气温上升对箱内气压及植物光合作用的影响，保证了生态***NEE测量结果的准确性。

Claims

1.一种温度可控式透明静态箱，它由土壤环（1）、水槽（2）、箱体（3）、制冷水箱（4）、水泵（5）、冷却液（6）、进水管（7）、气压平衡管（8）、出水管（9）、进水孔（10）、气压平衡孔（11）、出水孔（12）、顶盖（13）、空气冷却器（14）、风扇（15）、温度控制器（16）、水泵电源控制器（17）、高灵敏温度探头（18）、移动电源（19）、采气管（20）、采气阀（21）、防水罩（22）、采样孔（23）、温度探头插孔（24）、风扇电源孔（25）组成，其特征在于：底座由土壤环（1）和水槽2组成，土壤环（1）埋于待测样地中，水槽（2）粘接固定于土壤环（1）上，制冷水箱（4）与箱体（3）相连，箱体（3）放置于充满自来水的水槽（2）中，制冷水箱（4）通过导轨固定于箱体（3）的侧面，水泵（5）放置于制冷水箱（4）底部，冷却液（6）直接倒入制冷水箱（4）中，进水管（7）与水泵（5）出水口套接，进水管（7）另一端通过进水孔（10）与空气冷却器（13）底部进水口套接，气压平衡管（8）通过气压平衡孔（11）与箱体（3）内部空气相通，出水管（9）一端放置于制冷水箱（4）的上边缘，出水管（9）另一端通过出水孔（12）与空气冷却器（14）上部出水口套接；顶盖（13）与箱体（3）顶部密封粘接；空气冷却器（14）顶部与顶盖（13）内侧固定；风扇（15）固定于空气冷却器（14）的底部，温度控制器（16）固定于顶盖（13）外侧，温度控制器（16）输出端通过水泵电源控制器（17）与水泵（5）连接，高灵敏度温度探头（18）通过温度探头插孔（24）与温度控制器（16）连接，移动电源（19）直接与温度控制器（16）的输入端和通过风扇电源孔（25）与风扇（15）连接，采样管（20）一端通过采样孔（23）与箱体（3）内部相通，采气阀（21）固定于采样管（20）上端，防水罩（22）通过铝合金合页与顶盖（13）表面固定。

2.根据权利要求1所述的一种温度可控式透明静态箱，其特征在于：所述的土壤环（1）和水槽（2）构成底座，底座由管径为390－410mm的PVC管和厚度为15－17mm的PVC板粘结组成。

3.根据权利要求1所述的一种温度可控式透明静态箱，其特征在于：所述的箱体（3）壁厚为4－6mm，管径为390－410mm，高度为590－610mm的有机玻璃管制成。

4.根据权利要求1所述的一种温度可控式透明静态箱，其特征在于：所述的顶盖（13）厚度为4－6mm，直径为400－420mm的有机玻璃板制成；所述的顶盖（13）和箱体（3）通过有机玻璃胶水粘接。

5.根据权利要求1所述的一种温度可控式透明静态箱，其特征在于：所述的空气冷却器（14）管径为7－9mm，壁厚为0.4－0.6mm，长度为1.8－2.2m的紫铜管缠绕成直径为140－160mm的柱形铜盘制成。

6.根据权利要求1所述的一种温度可控式透明静态箱，其特征在于：所述的制冷水箱（4）管径为90－110mm，高度为140－160mm的有机玻璃管制成，制冷水箱（4）表面包裹绝热锡箔纸和隔热泡沫。

7.权利要求1所述的一种温室气体原位采样方法，其步骤是：

A、提前一天将采样箱底座埋入采样地，保持底座水槽水平；

B、采样时将采样箱放置于底座水槽中，在水槽中倒入自来水密封箱体与底座；

C、在制冷水箱中注入经零下18℃冷冻11－13小时的冷却液；

D、将温控器接上12V移动电源，测得箱内即时温度，空气温度-5 – 40℃；

E、将温控器启动温度设定为空气温度-5 – 40℃+ 0.1℃，停止温度设定为空气温度-5– 40℃-0.1℃；

F、打开水泵电源开关，箱内温度高于空气温度0.1℃时，制冷水泵工作将冷却液循环进入空气冷却装置达到降温；箱内温度低于空气温度0.1℃时，制冷水泵停止工作，冷却装置内的低温-18 – 0℃冷却液通过水泵负压回流到制冷水箱中，达到停止降温；

G、通过气体采样装置每隔5-10分钟采集一次样品，每次采集30ml样品，共采集4－6次；

H、采集4－6次气体后，关闭水泵开关，断开电源，取下静态箱，将冷却液回收；

I、所采集的样品上气象色谱仪进行温室气体浓度分析，温室气体浓度随时间的变化量为生态***与大气间温室气体的净交换量。