CN101131352B - 土层二氧化碳通量的原位测定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土层二氧化碳通量的原位测定方法及装置。本发明基于土壤与空气之间的对流和扩散的原理，利用标有尺度的钻杆，由土壤表面垂直向下钻眼，借助于样杆，从不同土壤深度中取得二氧化碳样品，直接通往仪器，根据红外线对二氧化碳气体具有特殊吸收的物理性质，定时测定不同深度土壤放出或吸收二氧化碳的浓度值。将不同深度土壤条件下测得CO₂浓度值，代入计算公式，即可求得标准大气压下，某一深度单位面积、单位时间土壤的二氧化碳通量值。本发明可用于自然状态下不同深度土壤CO₂通量的观测、土壤CO₂存储量测定、土地利用变化引起CO₂释放量变化的测算以及植被和地力恢复速率的评价。

Description

土层二氧化碳通量的原位测定方法和装置

技术领域

本发明涉及一种土壤二氧化碳通量的原位测定方法及装置，特别涉及土层二氧化碳通量的原位测定方法及装置。

背景技术

土壤二氧化碳是土壤空气的主要气体成分之一，也是大气主要温室气体的重要来源或存储库。土壤二氧化碳通量作为陆地与大气界面温室气体交换量的重要度量指标，反映了土壤物理、化学、生物性质和人类对土地利用、地下矿产资源、岩溶等状况，由于对全球气候变化的贡献和影响很大，已经受到世界各个国家的关注和重视。为了准确地进行陆地生态系统的碳核算，实施《联合国气候变化框架公约》，履行《京都议定书》义务，对土壤二氧化碳通量做比较精确的测定，具有实质而重要的意义。

土层二氧化碳通量的原位测定是在野外对不同深度某一层土壤的单位时间、单位面积所放出二氧化碳多少的测定，是土壤二氧化碳通量测定中的表面(水平)和土层(垂直)两个方向二氧化碳通量测定的其中之一。土壤表面二氧化碳通量的原位测定方法及装置已有研究(参见中国发明专利申请CN2006101696627)。

对于土层二氧化碳通量的原位测定方法和装置，国外曾有人采用取样探针(gas sampling probes)和气密注射器(gastight syringes)从野外取样，再拿到实验室注入气相色谱(gas chromatography)，测得土壤二氧化碳浓度，进而计算出不同土壤深度二氧化碳的通量(文献1：john，P.E.A.，1982.soilrespiration，.In：Page，A.L.，and et Al.，1982，methods of soil analysis，Wisconsin USA.832-871)。这种测定由于不是现场测定而影响测定准确性，并且耗时和耗费运送样品的人力及物力。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以在野外测定土层二氧化碳通量的土层二氧化碳通量的原位测定装置。

本发明的另一目的是提供一种利用所述土层二氧化碳通量的原位测定装置实施野外测定的土层二氧化碳通量的原位测定方法。

本发明的土层二氧化碳通量原位测定方法和装置可用于预测土地利用变化引起的从土壤到大气的二氧化碳释放量，以及估算一定深度土壤里的二氧化碳存储量大小，对土地经营利用、土壤-大气碳平衡、以及减缓全球气候变暖等环境问题，都是必不可少的。

此外，该方法和装置还可用于评价植被和地力恢复速率，如工业废弃物、垃圾、采矿迹地的处理和恢复等。

本发明的原理是：基于土壤与空气之间的对流和扩散的原理，利用标有尺度的钻杆，由土壤表面垂直向下钻眼，借助于样杆，从不同土壤深度中取得二氧化碳样品，直接通往仪器，根据红外线对二氧化碳气体具有特殊吸收的物理性质，定时测定不同深度土壤放出或吸收二氧化碳的浓度值。将不同深度土壤条件下测得CO₂浓度值，代入计算公式，即可求得标准大气压下，某一深度单位面积、单位时间内土壤的二氧化碳通量。

根据本发明的第一方面，提供了一种土层二氧化碳通量的原位测定方法，该方法利用红外线对二氧化碳气体具有特殊吸收的物理性质，测定土壤持续放出或吸收二氧化碳的浓度值，包括以下步骤：

a)利用钻孔工具向地下土壤层钻取一个深度的测量孔，然后从地下土壤层取出钻孔工具；

b)将连接红外线式二氧化碳浓度分析仪的测量探头放入所述深度的测量孔中，在一段时间测量该深度的土壤二氧化碳浓度值，以便观测和持续记录该深度的土壤二氧化碳浓度值随时间变化的情况。

根据本发明第二方面，提供了一种土层二氧化碳通量的原位测定方法，该方法利用红外线对二氧化碳气体具有特殊吸收的物理性质，测定一个深度的土壤放出或吸收二氧化碳的浓度值，包括以下步骤：

a)用进气管将测量探头与红外线式二氧化碳浓度分析仪相连接，然后测定土壤表面的二氧化碳浓度值X₀，并记录此测定的时间T₀；

b)利用钻孔工具向地下土壤层钻取一个深度H_n的测量孔，然后从地下土壤层取出钻孔工具；

c)将连接红外线式二氧化碳浓度分析仪的测量探头放入所述深度H_n的测量孔中，测定该深度H_n的土壤二氧化碳浓度值X_n，并记录从取出钻孔工具到测定的时间T_n；

d)利用上述的二氧化碳浓度值X₀和X_n、时间T₀和T_n、深度H_n，计算深度H_n的土壤层的二氧化碳通量。

在所述计算中，按照以下公式计算深度H_n的土壤层的二氧化碳通量F_h：

$F_h(\mathrm{mg}/m^2\·\mathrm{hr})=k\·\mathrm{\ΔX}\frac{V}{S\·\mathrm{\ΔT}}$

其中，k为换算系数，V是深度H_n的测量孔的体积，S是深度H_n的测量孔的表面积，ΔX＝X₀-X_n为二氧化碳浓度变化量，ΔT是时间T₀至时间T_n的时间累计。

此外，所述步骤c)还包括，在测定土壤二氧化碳浓度值X_n之前，长时间测量该深度H_n的土壤二氧化碳浓度值，以便观测和持续记录该深度的土壤二氧化碳浓度随时间变化的情况。

根据本发明的第三方面，提供了一种土层二氧化碳通量的原位测定方法，该方法利用红外线对二氧化碳气体具有特殊吸收的物理性质，测定不同深度的土壤放出或吸收二氧化碳的浓度值，包括以下步骤：

a)用进气管将测量探头与二氧化碳浓度分析仪相连接，然后测定土壤表面的二氧化碳浓度值X₀，并记录时间T₀；

b)利用钻孔工具向地下土壤层钻取第一深度H₁的测量孔，然后从地下土壤层取出钻孔工具；

c)将连接二氧化碳浓度分析仪的测量探头放入所述第一深度测量孔中，测定第一深度的土壤二氧化碳浓度值X₁，并记录从取出钻孔工具到测定的第一时间T₁；

d)接着，重复执行步骤b)至c)n-1次，以测定第二深度的土壤二氧化碳浓度值X₂，…X_n-1，第n深度的土壤二氧化碳浓度值X_n，以及相应的第二时间T₂，…T_n-1，第n时间T_n；

e)利用上述的各二氧化碳浓度值、测定的时间、深度，计算不同深度土壤层的二氧化碳通量。

在所述计算中，按照以下公式计算第n-x深度至第n深度土壤层的二氧化碳通量F_h：

$F_h(\mathrm{mg}/m^2\·\mathrm{hr})=k\·\mathrm{\ΔX}\frac{V}{S\·\mathrm{\ΔT}}$

其中，k为换算系数，x是小于等于n的正整数，V是第n深度的测量孔的体积，S是第n深度的测量孔的表面积，ΔX＝|X_n-x-X_n|为二氧化碳浓度变化量，ΔT是T_n-x时间至T_n时间的时间累计。

根据本发明的第四方面，提供了一种土层二氧化碳通量的原位测定装置，包括：

向地下土壤层钻取一定深度的测量孔的钻孔工具；

放入所述测量孔中的测量探头；以及

通过进气管连接所述测量探头的二氧化碳浓度分析仪。

上述装置还包括插接在所述进气管中间的过滤器。

其中，所述钻孔工具包括：

轴向两端及下端分别设有连接端口的挡头；

通过所述轴向两端的连接端口分别固定连接挡头轴向两端的两个把柄；

通过所述下端连接端口固定连接挡头的钻杆。

其中，所述钻杆为多段式钻杆，各段短杆通过接口固定连接，其中钻杆底端为钻头。

其中，钻孔工具的所述固定连接为螺纹连接。

其中，所述探头包括：

轴向两端及下端分别设有连接端口的挡头；

通过所述轴向两端连接端口分别固定连接挡头轴向两端的两个把柄；

通过所述下端连接端口固定连接挡头的中空样杆；

其中所述挡头还具有密封连接所述进气管的接管孔，该接管孔延伸至所述下端连接端口，以便形成从中空样杆至进气管的取样气道。

其中，所述测量探头的样杆为多段式样杆，各段短杆通过接口固定连接。

其中，在所述样杆底部开有与取样气道相通的取样孔，并在该取样孔附近的上下位置分别固定安装土挡和杆头。

其中，所述探头各部件的固定连接均为螺纹连接。

其中，二氧化碳浓度分析仪是便携式红外线分析仪。

本发明具有以下优点：

1).野外测定，对土壤结构状况干扰少，是一种自然状况下的原位测定，测定更实际、及时。

2).可测定不同深度土层的二氧化碳通量，深度范围为0-200公分，包括不同深度土层的连续梯度测定、某一深度的测定和某一深度的连续时间测定(监测)。

3).可以多地点、多样地、重复测定，利用时间和空间位置的变异，移动仪器设备，达到多点测定的目的。

4).测定数据可靠、直接、快速：红外线测定二氧化碳气体的浓度是国家规定的测定公共场所空气中二氧化碳浓度的标准测定方法(GB/T18204.24-2000)，是具有仲裁效力的方法，本发明将其移植到土壤二氧化碳通量的原位测定，理论依据可靠。由于是原位测定，使得测定结果更直接和快速。

5).可设定不同时间段自动纪录数据，并能与电脑(PC)连接和导出数据，直接使用Excel软件进行数据处理和应用。

6).适用范围广：可以使用本发明的测定方法和装置，进行各种土壤类型的测定。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明的土层二氧化碳通量的原位测定装置的示意图；

图2显示了利用本发明的测定装置实施测量的示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明的土层二氧化碳通量的原位测定装置包括：向地下土壤层钻取一定深度的测量孔的钻孔工具3；放入所述测量孔中的测量探头2；以及通过进气管13连接所述测量探头2的二氧化碳浓度分析仪1。

为了防止尘埃进入二氧化碳浓度分析仪1中，可以在进气管13中间插接一个过滤器(未示出)，如尘埃过滤器。

如图1右侧所示，钻孔工具3可以包括：轴向(水平)两端及下端分别设有连接端口的挡头35；通过所述轴向两端的连接端口分别固定连接挡头35轴向两端的两个把柄34；通过所述下端连接端口固定连接挡头35的钻杆。

上述钻杆可以是多段式钻杆，各段短杆通过接口32固定连接，以便结合成一个长钻杆，并且可以在使用完毕后拆卸，成为多段短杆，以便于存放和携带。所述钻杆底端为钻头31。

挡头35的各连接端口与把手34和钻杆分别通过螺纹连接实现固定连接。接口32是连接样杆各段短杆的部件，接口32可通过与各段短杆的螺纹连接实现样杆各段短杆之间的固定连接。当然也可以采用其它方式如焊接实现上述的固定连接。

如图1右侧所示，探头2包括：轴向(水平)两端及下端分别设有连接端口的挡头26；通过所述轴向两端连接端口分别固定连接挡头26轴向两端的两个把柄27；通过所述下端连接端口固定连接挡头26的中空样杆；其中所述挡头26还具有密封连接所述进气管13的接管孔28，该接管孔28延伸至所述挡头26的下端连接端口，以便形成从中空样杆至进气管13的取样气道。

所述测量探头3的样杆也为多段式样杆，各段短杆通过接口24固定连接，以便结合成一个长钻杆，并且可以在使用完毕后拆卸，成为多段短杆，以便于存放和携带。

在所述样杆底部开有与取样气道相通的取样孔22，用于采取土壤的二氧化碳含量。在取样孔22附近的上下位置分别固定安装土挡23和杆头21。

探头2的挡头35的各连接端口与把手34和钻杆分别通过螺纹连接实现固定连接。接口24是连接样杆各段短杆的部件，接口24可通过与各段短杆的螺纹连接实现样杆各段短杆之间的固定连接。当然也可以采用其它方式如焊接实现上述的固定连接

上述二氧化碳浓度分析仪1最好采用便携式红外线分析仪。

另外在所述钻孔工具3的钻杆和探头2的样杆上分别标有刻度33和可读25。

下面参考图1、图2说明采用本发明的测定设备实现土层二氧化碳通量的原位测定方法。

1.同一深度二氧化碳通量的连续时间测定

如需要从某一时间开始做连续测定，即可将钻孔工具3打到一定深度后取出，再把探头2插入，固定到这一土壤深度，在仪器上设定采集数据的间隔时间，观测和持续纪录这一土壤深度的二氧化碳通量随时间的变化情况。

这种土层二氧化碳通量的原位测定方法，利用红外线对二氧化碳气体具有特殊吸收的物理性质，测定土壤持续放出或吸收二氧化碳的浓度值，该方法包括以下步骤：

a)利用钻孔工具3向地下土壤层钻取一个深度的测量孔，然后从地下土壤层取出钻孔工具3；

b)将连接红外线式二氧化碳浓度分析仪1的测量探头2放入所述深度的测量孔中，在一段时间测量该深度的土壤二氧化碳浓度值，以便观测和持续记录该深度的土壤二氧化碳浓度值随时间变化的情况。

2.某一深度二氧化碳通量的测定

预先将仪器1与探头2用胶管连接起来，打开仪器，首先测定土壤表面的二氧化碳浓度值X₀，并记录时间T₀；将钻孔工具3直接打到某一深度(小于等于200公分)，抽出钻孔工具3，放入探头2，测定这个深度的土壤二氧化碳浓度值X_n，并记录拿出钻孔工具3到测定的时间T_n。

这种土层二氧化碳通量的原位测定方法，利用红外线对二氧化碳气体具有特殊吸收的物理性质，测定一个深度的土壤放出或吸收二氧化碳的浓度值，可以包括以下步骤：

a)用进气管13将测量探头2与红外线式二氧化碳浓度分析仪1相连接，然后测定土壤表面的二氧化碳浓度值X₀，并记录此测定的时间T₀；

b)利用钻孔工具3向地下土壤层钻取一个深度H_n的测量孔，然后从地下土壤层取出钻孔工具3；

c)将连接红外线式二氧化碳浓度分析仪1的测量探头2放入所述深度H_n的测量孔中，测定该深度H_n的土壤二氧化碳浓度值X_n，并记录从取出钻孔工具3到测定的时间T_n；

d)利用上述的二氧化碳浓度值X₀和X_n、时间T₀和T_n、深度H_n，计算深度H_n的土壤层的二氧化碳通量。

可以按照以下公式计算上述深度H_n的土壤层的二氧化碳通量F_h：

$F_h(\mathrm{mg}/m^2\·\mathrm{hr})=k\·\mathrm{\ΔX}\frac{V}{S\·\mathrm{\ΔT}}$

其中，k为换算系数，V是深度H_n的测量孔的体积，S是深度H_n的测量孔的表面积，ΔX＝|X₀-X_n|为二氧化碳浓度变化量，ΔT是时间T₀至时间T_n的时间累计。

此外，上述步骤c)还包括，在测定土壤二氧化碳浓度值X_n之前，长时间测量该深度H_n的土壤二氧化碳浓度值，以便观测和持续记录该深度的土壤二氧化碳浓度随时间变化的情况。

3.不同深度二氧化碳的连续测定

预先将仪器1与探头2用胶管连接起来，打开仪器，首先测定土壤表面的二氧化碳浓度值X₀，并记录时间T₀，同时将钻孔工具3的钻头31放到待测土壤表面，手握把柄34向下用力按或用斧头打挡头35，当钻进入土壤一定深度时，取出钻孔工具3，轻轻将探头2放入所钻孔里，然后测定这个深度的土壤二氧化碳浓度值X₁，并记录拿出钻到测定的时间T₁；再将钻孔工具3放入原来的孔中，继续用手握住把柄34向下用力按或用斧头打挡头35，当钻进入一定深度时，取出钻杆2，将探头2放入所钻孔里，测定该深度的土壤二氧化碳浓度值X₂，同样记录拿出钻到测定的时间T₂，这样，依次钻孔、放样杆、测定、记时间，重复进行，测定n次，即可测定最大深度达200公分处的土壤二氧化碳通量。

这种土层二氧化碳通量的原位测定方法，利用红外线对二氧化碳气体具有特殊吸收的物理性质，测定不同深度的土壤放出或吸收二氧化碳的浓度值，可以包括以下步骤：

a)用进气管13将测量探头2与二氧化碳浓度分析仪1相连接，然后测定土壤表面的二氧化碳浓度值X₀，并记录时间T₀。

b)利用钻孔工具3向地下土壤层钻取第一深度H₁的测量孔，然后从地下土壤层取出钻孔工具3。

c)将连接二氧化碳浓度分析仪1的测量探头2放入所述第一深度测量孔中，测定第一深度的土壤二氧化碳浓度值X₁，并记录从取出钻孔工具3到测定的第一时间T₁。

d)然后，重复执行步骤b)至c)n-1次，以测定第二深度的土壤二氧化碳浓度值X₂，…X_n-1，第n深度的土壤二氧化碳浓度值X_n，以及相应的第二时间T₂，…，第n时间T_n。例如，假设n＝3，则重复执行步骤b)至c)两次(即3-1＝2)，这样，可以得到X₂、X₃、T₂、T₃。

e)利用上述的各二氧化碳浓度值、测定的时间、深度，计算不同深度土壤层的二氧化碳通量。

在所述计算中，应当按照以下公式计算第n-x深度至第n深度土壤层的二氧化碳通量F_h：

$F_h(\mathrm{mg}/m^2\·\mathrm{hr})=k\·\mathrm{\ΔX}\frac{V}{S\·\mathrm{\ΔT}}$

其中，k为换算系数，x是小于等于n的正整数，V是第n深度的测量孔的体积，S是第n深度的测量孔的表面积，ΔX＝|X_n-x-X_n|为二氧化碳浓度变化量，ΔT是T_n-x时间至T_n时间的时间累计。

综上所述，一台便携式红外线分析仪可以测量不同土壤深度0-200公分(每10公分一个刻化单位)的n＝20个样点值；也可以测定任意深度(小于等于200公分)土壤二氧化碳的通量，以及测定同一深度土壤二氧化碳在一段时间内的连续观测值。

4.计算

设土壤二氧化碳通量为F(mg/m².hr)，某一深度H_n(m)的柱状孔体积为V(m³)、表面积为S(m²)，时间为ΔT(hr)，则：

$F_h(\mathrm{mg}/m^2\·\mathrm{hr})=k\·\mathrm{\ΔX}\frac{V}{S\·\mathrm{\ΔT}}$

$=k\·\mathrm{\ΔX}\·\frac{R^2\mathrm{\π}\·H}{(R^2\mathrm{\π}+2\mathrm{R\π}\·H)\·\mathrm{\ΔT}}$

$=k\·\mathrm{\ΔX}\frac{R\·H}{(R+2\·H)\·\mathrm{\ΔT}}---\left(1\right)$

本装置的钻杆直径是0.03米，所以代入(1)式，得：

$F_b(\mathrm{mg}/m^2.\mathrm{hr})=k\·\mathrm{\ΔX}\frac{0.015H}{(0.015+2H)\·\mathrm{\ΔT}}---\left(2\right)$

式中k为换算系数为1.80(25℃，1个标准大气压)

ΔX＝X_n-1-X_n

S＝S₁+S₂，其中S₁为孔的底面积，S₂为孔壁面积

5.计算案例

某一草原土壤样地的测量数据见表1.

表1.二氧化碳浓度值实际测量数据表

单位：ppm；假定每10公分深的时间ΔT＝2分钟。

根据给定的计算公式(2)，计算地下60～70公分深度的土壤二氧化碳通量如下：

$F_{60~70}(\mathrm{mg}/m^2.\mathrm{hr})=k\·\mathrm{\ΔX}\frac{0.015H}{(0.015+2H)\·\mathrm{\ΔT}}$

$=1.8\×(1266-948)\×\frac{0.015\×0.1}{(0.015+2\×0.1)\×2}\×60$

$=119.8(\mathrm{mg}/m^2.\mathrm{hr}).$

Claims (2)

1.一种土层二氧化碳通量的原位测定方法，包括以下步骤：

a)用进气管(13)将测量探头(2)与红外线式二氧化碳浓度分析仪(1)相连接，然后测定土壤表面的二氧化碳浓度值X₀，并记录此测定的时间T₀；

b)利用钻孔工具(3)向地下土壤层钻取一个深度H_n的测量孔，然后从地下土壤层取出钻孔工具(3)；

c)将连接红外线式二氧化碳浓度分析仪(1)的测量探头(2)放入所述深度H_n的测量孔中，测定该深度H_n的土壤二氧化碳浓度值X_n，并记录从取出钻孔工具(3)到测定的时间T_n；

d)利用上述的二氧化碳浓度值X₀和X_n、时间T₀和T_n、深度H_n，计算深度H_n的土壤层的二氧化碳通量；

其中，按照以下公式计算深度H_n的土壤层的二氧化碳通量F_h：

$F_h({\mathrm{mg}/m}^2\·\mathrm{hr})=k\·\mathrm{\ΔX}\frac{V}{S\·\mathrm{\ΔT}}$

其中，k为换算系数，V是深度H_n的测量孔的体积，S是深度H_n的测量孔的表面积，ΔX＝X₀-X_n为二氧化碳浓度变化量，ΔT是时间T₀至时间T_n的时间累计。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤c)还包括，在完成土壤二氧化碳浓度值X_n的测定之前，长时间测量该深度H_n的土壤二氧化碳浓度值，以便观测和持续记录该深度的土壤二氧化碳浓度随时间变化的情况。

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