CN102053145A - 一种根系co2原位自动测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种根系CO2原位自动测定方法,该方法是利用气体采样管分层埋入土壤需要观测的深度,地表土壤呼吸室安装在其上部土壤表面,通过单片机控制电磁岛阀和抽气泵,分别将所有层次抽提到的气体送入到CO2分析器进行测量,可以自动的实现用一个红外CO2分析器测量和记录多个测量点的呼吸,该方法可同时接入11个测量管路进行抽提取样,并可以同时接入辅助的环境传感器,以供研究者对数据的相关性进行分析,单片机将采集到的数据存贮在存贮器芯片中,以供研究人员进行阶段性数据分析。该方法可将气体抽提分为两组,用于对两组实验进行长期自动对比测定。因而,该方法可广泛应用于野外植物根系呼吸的动态监测,数据的一致性好,设备投入少。
Description
技术领域
本发明涉及一种根系CO2原位自动测定方法,利用该方法可以实现土壤呼吸和植物根系呼吸的原位自动测量,可计算出根系CO2转换速率、土壤CO2呼吸速率,进行土壤CO2显量与潜量的研究。
背景技术
目前土壤碳被公认为全球迷失碳的“黑洞”,土地利用变化对土壤呼吸过程具有影响,任何土地利用的轻微变化均对土壤CO2通量造成巨大影响,土壤CO2通量测定和土壤呼吸机理研究是世界性的难题与热点。早期传统的呼吸测量方法是将土壤内埋入抽气管,人工抽取气体再放入采样袋,带回实验室用光谱仪进行分析,该方法实验周期长,存贮过程变化多,人工操作误差大,不便于大量的数据采集,不能实现长期连续观测。特别是植物根系呼吸是土壤呼吸的主要过程,如何测定根系呼吸对土壤呼吸的贡献率是个世界性难题。另一种方法是直接将CO2探头加采集气管后埋入土壤中,分层埋入多只探头,由于试验的需要,做CO2通量观测,往往需要剖面分层埋设,一般在四层以上,同时为了验证实验的可靠性,需要做多个重复,一个完整实验则需要10-20只传感器,CO2传感器本身价格昂贵,一般需要几十万的投入。同时这种方法也有弊端,如湿气过大,影响CO2分析器测量的准确性,传感器直接埋入土壤中,也极易受到灌溉、降雨的影响,传感器容易浸水损坏。而且由于大量使用CO2传感器,由于每个传感器都存在着一致性的误差,数据的一致性受到影响,这种方法的测定结果精确性值得商榷。
目前已经使用的许多土壤CO2通量原位测定技术及装置,只能反映土壤与大气界面的通量,不能细化土壤呼吸的分量,导致对土壤呼吸机理无法深入研究,而且需要一台完整的CO2分析仪配合,不能实现多个实验区域的重复对比观测。由于需要人工操作,使用不便,暴露出许多缺点和弊端。实验证明,土层CO2测定在土壤层结构被扰动后,需要长时间来平衡,不适宜于野外便携式测量。因此,研发不同土地利用方式下根系CO2原位自动测定方法显得尤为必要。
发明内容
本发明目的在于,提供一种根系CO2原位自动测定方法,该方法是利用气体采样管分层埋入土壤需要观测的深度,地表土壤呼吸室安装在其上部土壤表面,通过单片机控制电磁岛阀和抽气泵,分别将所有层次抽提到的气体送入到CO2分析器进行测量,可以自动的实现用一个红外CO2分析器测量和记录多个测量点的呼吸,该方法可同时接入11个测量管路进行抽提取样,并可以同时接入辅助的环境传感器,以供研究者对数据的相关性进行分析,单片机将采集到的数据存贮在存贮器芯片中,以供研究人员进行阶段性数据分析。该方法可将气体抽提分为两组,用于对两组实验进行长期自动对比测定。因而,该方法可广泛应用于野外植物根系呼吸的动态监测,数据的一致性好,设备投入少。
本发明所述的一种根系CO2原位自动测定方法,该方法中所涉及的装置为定位杆、气体收集头、土壤水分温度探头、呼吸室、排气管、电磁阀、CO2分析器、闭路气室、过滤器、质量流量传感器、CO2吸收器、数据存贮器、通信接口、液晶显示器显示和键盘、单片机、环境传感器、脉冲宽度调速器、气体采样泵、管路温湿度传感器、大气采样管、电磁岛阀和根系气体采样管,具体操作按下列步骤进行:
a、将所述的装置放置在观测点,将两根定位杆(1)和(3)分别埋入土壤中,八根气体采样管(27)由定位杆(1)和(3)通过气体收集头(2)内引出与电磁阀岛(26)上的相对应的八个接口连接,电磁岛阀(26)通过电缆与单片机(19)连接,电磁岛阀(26)通过出气管(24)与气体采样泵(22)的进气口连接,气体采样泵(22)通过脉冲宽度调速器(21)与单片机(19)的PWM输出接口连接;两个土壤呼吸室(5)和(7)安装在定位杆上方土壤表面,并通过两根采集导管将土壤呼吸室(5)和(7)接入到相对应的电磁阀岛(26)接口上;大气采样管(25)接入到相对应的电磁阀岛(26)接口上,定时工作,当到达预定的时间,测量开始:
b、大气采样测量:
单片机(19)控制电磁阀岛(26)的大气采样管(25)选通,启动气泵(22)开始抽气,抽取的气体先经气管(24)进入温湿度传感器(23)进行测量,测量值记录在单片机(19)内,温湿度传感器(23)输出的气体由三通一侧进入电磁阀(9)上,单片机(19)控制电磁阀(9)使管路内的气体由排气管(6)排出,三通的另一路气体经气室分析器(11)排出,以达到快速更新系统中气体残留,按预设时间排气后,关闭电磁阀(9),所有的气体经过滤器(12)以滤除水分和杂质后传输到质量流量传感器(13),流量传感器(13)的电信号输入到单片机(19),单片机会根据需要的流量控制脉冲宽度调速器(21)来调整气泵(22)的转速,以达到最佳的测量流量;在对大气采样管(25)和呼吸室(5)和(7)的气体进行低浓度CO2测量前,单片机(19)首先通过三通电磁阀(14)将气体切换到CO2吸收器(15),对CO2分析器(10)进行校准,并将所测的当前值VCREF记录下来,完成校准后,单片机(19)控制三通电磁阀(14)关闭CO2吸收器(15)通路,切换到CO2分析器(10)进行测量,将测量结果送入到单片机(19),单片机将按VCREF值校准记录并保存,即完成大气测量;
c、土壤呼吸测量:
单片机(19)控制电磁阀岛(26)切换到呼吸室(5)上,先进行抽提以对管路进行换气,完成换气后,单片机(19)控制呼吸室(5)的电机将呼吸室上盖关闭,并将气体经由流量传感器(13)送入到CO2分析器(10)进行测量,单片机(19)根据流量计算呼吸速率,同时将CO2测量值和速率记录,完成测量后单片机(19)控制呼吸室(5)电机打开上盖,完成呼吸(5)的测量,继续用单片机(19)控制呼吸室(7)的电机将呼吸室上盖关闭,并将气体经由流量传感器(13)送入到CO2分析器(10)进行测量,单片机(19)根据流量计算呼吸速率,同时将CO2测量值和速率记录,完成测量后单片机(19)控制呼吸室(7)电机打开上盖,完成呼吸(7)的测量;
d、根系呼吸测量:
单片机(19)控制电磁阀岛(26)切换到第一路根系采样管(27)上,气体首先经温湿度传感器(23)进行测量,又经过滤器(12)滤除杂质和水气后,经流量传感器(13)测量流量,最后送入到CO2分析器(10)进行测量,这个过程不需要再校准,在对根系采样气体测量前,均需要从大气采样管(25)吸入对比CO2含量的大气对测量管路进行清理,并通过旁路电磁阀(9)快速排出;
e、环境因子测量:
单片机(19)将环境因子传感器(20)的信号进行多路数据采集器采集转换后记录;
f、数据显示和传输:
所有测量过程数据均通过液晶显示器显示器(18)实时显示,单片机(19)控制将最终的测量结果存贮到的数据存贮器(16)中,与单片机相连接的RS232通信接口和RS485接口(17),以实现计算机的通信和控制。
步骤a中的气体收集头(2)分别安装在定位杆(1)、(3)中,呼吸室(5)和(7)的电动上盖控制线与单片机(19)连接。
步骤b气体采样泵(22)与温湿度传感器(23)连接,温湿度传感器(23)通过三通一端与旁路电磁阀(9)一端连接,另一端与过滤器(12)连接,电磁阀(9)通过电缆与单片机(19)连接;质量流量传感器(13)一端与过滤器(12)连接,另一端与三通电磁阀(14)连接,质量流量传感器(13)通过电缆与单片机(19)连接;二氧化碳吸收器(15)的上下端口分别与三通电磁阀(14)连接,三通电磁阀(14)的另一端直接与采样气体的气室(11)连接,三通电磁阀(14)通过电缆与单片机(19)连接。
气室(11)内装有二氧化碳分析器(10),二氧化碳分析器(10)通过电缆与单片机(19)连接,在气室(11)的上部由气管通过三通(8)与排气管(6)连接。
步骤e和f中在单片机(19)的上端连接液晶显示器(18)和环境因子传感器(20),单片机(19)的下端连接土壤水分温度传感器(4)、数据存贮器(16)和通信接口(17)。
本发明所述的一种根系CO2原位自动测定方法,该方法是利用气体采样管分层埋入土壤需要观测的深度,地表土壤呼吸室安装在其上部土壤表面,通过单片机控制电磁岛阀和抽气泵,分别将所有层次抽提到的气体送入到CO2分析器进行测量,该方法可同时接入11个测量管路进行抽提取样,并可以同时接入辅助的环境传感器,以供研究者对数据的相关性进行分析。单片机将采集到的数据存贮在存贮器芯片中,以供研究人员进行阶段性数据分析。该技术可将气体抽提分为两组,用于对两组实验进行长期自动对比测定。因而,该技术可广泛应用于野外植物根系呼吸的动态监测。
本发明所述方法将多个气体抽提管埋入不同深度的土壤中,多个气管接入到一个电磁阀岛上,通过单片机来进行选通,单独设置一路气管与近地表的大气相连,以抽提参考气体和对气路换气;气体的抽提是由单片机控制脉冲宽度调速器与取样泵连接,可以根据需要由程序控制流量;气体通过温湿度传感器,将所抽提气体的温湿度值由单片机记录;气体管路中的空气过滤器,以滤除杂质和阻止水分子进;气体管路中的质量流量传感器,可实时测量每个管路的流量,将信号送入到单片机,单片机可根据预设值,通过脉冲宽度调速器对泵的转速进行调整,以达到各路气体流量一致;气体管路中的CO2吸收器,作为零点的校正用,它通过一个三通电磁阀来切换。需要测量的气体最终送入到闭路CO2分析器进行测量,并将测量结果送入到单片机进行存贮,最终的气体排放到大气中;气体管路中的三通排气电磁阀,在对每路气体测量之前,更换管路气体时,大流量的气体通过该三通电磁阀旁路排到大气中,以清除管路中滞留气体。
本发明所述方法的最大优点是充分考虑了根系呼吸、土壤呼吸与大气之间的吸收和排放,以及CO2通量与环境因子的关系,克服了现有测量技术测量要素单一,野外操作不方便,不能原位长期自动观测的缺点,实现了CO2迁移规律的综合观测,极大地推进了土壤CO2通量研究。
附图说明
图1为本发明所述装置结构示意图
具体实施方式
实施例
本发明所述的方法是通过以下方案来实现:利用安装在土壤中不同深度的气体采样管、地表的呼吸室、大气采样管和测量控制装置,控制和测量装置由一个单片机来实现,通过对各个气体采样管进行切换分别测量出CO2的含量,同时记录环境因子,对土壤碳的循环,根系碳排放,与环境的相关性,实现了与CO2交换界面的原位自动观测,该方法中所涉及的装置为定位杆、气体收集头、土壤水分温度探头、呼吸室、排气管、电磁阀、CO2分析器、闭路气室、过滤器、质量流量传感器、CO2吸收器、数据存贮器、通信接口、液晶显示器显示和键盘、单片机、环境传感器、脉冲宽度调速器、气体采样泵、管路温湿度传感器、大气采样管、电磁岛阀和根系气体采样管,具体操作按下列步骤进行:
a、将所述的装置放置在观测点,将两根定位杆1和3分别埋入土壤中,气体收集头2分别安装在定位杆1、3中,八根气体采样管27由定位杆1和3通过气体收集头2内引出与电磁阀岛26上的相对应的八个接口连接,电磁岛阀26通过电缆与单片机19连接,电磁岛阀26通过出气管24与气体采样泵22的进气口连接,气体采样泵22通过脉冲宽度调速器21与单片机19的PWM输出接口连接;两个土壤呼吸室5和7安装在定位杆上方土壤表面,并通过两根采集导管将土壤呼吸室5和7接入到相对应的电磁阀岛26接口上,呼吸室5和7的电动上盖控制线与单片机19连接;大气采样管25接入到相对应的电磁阀岛26接口上,定时工作,当到达预定的时间,测量开始:
b、大气采样测量:
气体采样泵22与温湿度传感器23连接,温湿度传感器23通过三通一端与旁路电磁阀9一端连接,另一端与过滤器12连接,电磁阀9通过电缆与单片机19连接;质量流量传感器13一端与过滤器12连接,另一端与三通电磁阀14连接,质量流量传感器13通过电缆与单片机19连接;二氧化碳吸收器15的上下端口分别与三通电磁阀14连接,三通电磁阀14的另一端直接与采样气体的气室11连接,气室11内装有二氧化碳分析器10,二氧化碳分析器10通过电缆与单片机19连接,在气室11的上部由气管通过三通8与排气管6连接,三通电磁阀14通过电缆与单片机19连接;使用时,单片机19控制电磁阀岛26的大气采样管25选通,启动气泵22开始抽气,抽取的气体先经气管24进入温湿度传感器23进行测量,测量值记录在单片机19内,温湿度传感器23输出的气体由三通一侧进入电磁阀9上,单片机19控制电磁阀9使管路内的气体由排气管6排出,三通的另一路气体经气室分析器(11)排出,以达到快速更新系统中气体残留,按预设时间排气后,关闭电磁阀9,所有的气体经过滤器12以滤除水分和杂质后传输到质量流量传感器13,流量传感器13的电信号输入到单片机19,单片机会根据需要的流量控制脉冲宽度调速器21来调整气泵22的转速,以达到最佳的测量流量;在对大气采样管25和呼吸室5和7的气体进行低浓度CO2测量前,单片机19首先通过三通电磁阀14将气体切换到CO2吸收器15,对CO2分析器10进行校准,并将所测的当前值VCREF记录下来,完成校准后,单片机19控制三通电磁阀14关闭CO2吸收器15通路,切换到CO2分析器10进行测量,将测量结果送入到单片机19,单片机将按VCREF值校准记录并保存,即完成大气测量;
c、土壤呼吸测量:
单片机19控制电磁阀岛26切换到呼吸室5上,先进行抽提以对管路进行换气,完成换气后,单片机19控制呼吸室5的电机将呼吸室上盖关闭,并将气体经由流量传感器13送入到CO2分析器10进行测量,单片机19根据流量计算呼吸速率,同时将CO2测量值和速率记录,完成测量后单片机19控制呼吸室5电机打开上盖,完成呼吸5的测量,继续用单片机19控制呼吸室7的电机将呼吸室上盖关闭,并将气体经由流量传感器13送入到CO2分析器10进行测量,单片机19根据流量计算呼吸速率,同时将CO2测量值和速率记录,完成测量后单片机19控制呼吸室7电机打开上盖,完成呼吸7的测量;
d、根系呼吸测量:
单片机19控制电磁阀岛26切换到第一路根系采样管27上,气体首先经温湿度传感器23进行测量,又经过滤器12滤除杂质和水气后,经流量传感器13测量流量,最后送入到CO2分析器10进行测量,这个过程不需要再校准,在对根系采样气体测量前,均需要从大气采样管25吸入对比CO2含量的大气对测量管路进行清理,并通过旁路电磁阀9快速排出;
e、环境因子测量:
单片机19的上端连接环境因子传感器20,将环境因子传感器20的信号进行多路数据采集器采集转换后记录;
f、数据显示和传输:
在单片机19的上端连接液晶显示器18,单片机19的下端连接土壤水分温度传感器4、数据存贮器16和通信接口17所有测量过程数据均通过液晶显示器显示器18实时显示,单片机19控制将最终的测量结果存贮到的数据存贮器16中,与单片机相连接的RS232通信接口和RS485接口17,以实现计算机的通信和控制。
Claims (5)
1.一种根系CO2原位自动测定方法,其特征在于该方法中所涉及的装置为定位杆、气体收集头、土壤水分温度探头、呼吸室、排气管、电磁阀、CO2分析器、闭路气室、过滤器、质量流量传感器、CO2吸收器、数据存贮器、通信接口、液晶显示器显示和键盘、单片机、环境传感器、脉冲宽度调速器、气体采样泵、管路温湿度传感器、大气采样管、电磁岛阀和根系气体采样管,具体操作按下列步骤进行:
a、将所述的装置放置在观测点,将两根定位杆(1)和(3)分别埋入土壤中,八根气体采样管(27)由定位杆(1)和(3)通过气体收集头(2)内引出与电磁阀岛(26)上的相对应的八个接口连接,电磁岛阀(26)通过电缆与单片机(19)连接,电磁岛阀(26)通过出气管(24)与气体采样泵(22)的进气口连接,气体采样泵(22)通过脉冲宽度调速器(21)与单片机(19)的PWM输出接口连接;两个土壤呼吸室(5)和(7)安装在定位杆上方土壤表面,并通过两根采集导管将土壤呼吸室(5)和(7)接入到相对应的电磁阀岛(26)接口上;大气采样管(25)接入到相对应的电磁阀岛(26)接口上,定时工作,当到达预定的时间,测量开始:
b、大气采样测量:
单片机(19)控制电磁阀岛(26)的大气采样管(25)选通,启动气泵(22)开始抽气,抽取的气体先经气管(24)进入温湿度传感器(23)进行测量,测量值记录在单片机(19)内,温湿度传感器(23)输出的气体由三通一侧进入电磁阀(9)上,单片机(19)控制电磁阀(9)使管路内的气体由排气管(6)排出,按预设时间排气后,关闭电磁阀(9),所有的气体经过滤器(12)以滤除水分和杂质后传输到质量流量传感器(13),流量传感器(13)的电信号输入到单片机(19),单片机会根据需要的流量控制脉冲宽度调速器(21)来调整气泵(22)的转速,以达到最佳的测量流量;在对大气采样管(25)和呼吸室(5)和(7)的气体进行低浓度CO2测量前,单片机(19)首先通过三通电磁阀(14)将气体切换到CO2吸收器(15),对CO2分析器(10)进行校准,并将所测的当前值VCREF记录下来,完成校准后,单片机(19)控制三通电磁阀(14)关闭CO2吸收器(15)通路,切换到CO2分析器(10)进行测量,将测量结果送入到单片机(19),单片机将按VCREF值校准记录并保存,即完成大气测量;
c、土壤呼吸测量:
单片机(19)控制电磁阀岛(26)切换到呼吸室(5)上,先进行抽提以对管路进行换气,完成换气后,单片机(19)控制呼吸室(5)的电机将呼吸室上盖关闭,并将气体经由流量传感器(13)送入到CO2分析器(10)进行测量,单片机(19)根据流量计算呼吸速率,同时将CO2测量值和速率记录,完成测量后单片机(19)控制呼吸室(5)电机打开上盖,完成呼吸(5)的测量,继续用单片机(19)控制呼吸室(7)的电机将呼吸室上盖关闭,并将气体经由流量传感器(13)送入到CO2分析器(10)进行测量,单片机(19)根据流量计算呼吸速率,同时将CO2测量值和速率记录,完成测量后单片机(19)控制呼吸室(7)电机打开上盖,完成呼吸(7)的测量;
d、根系呼吸测量:
单片机(19)控制电磁阀岛(26)切换到第一路根系采样管(27)上,气体首先经温湿度传感器(23)进行测量,又经过滤器(12)滤除杂质和水气后,经流量传感器(13)测量流量,最后送入到CO2分析器(10)进行测量,这个过程不需要再校准,在对根系采样气体测量前,均需要从大气采样管(25)吸入对比CO2含量的大气对测量管路进行清理,并通过旁路电磁阀(9)快速排出;
e、环境因子测量:
单片机(19)将环境因子传感器(20)的信号进行多路数据采集器采集转换后记录;
f、数据显示和传输:
所有测量过程数据均通过液晶显示器显示器(18)实时显示,单片机(19)控制将最终的测量结果存贮到的数据存贮器(16)中,与单片机相连接的RS232通信接口和RS485接口(17),以实现计算机的通信和控制。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于步骤a中的气体收集头(2)分别安装在定位杆(1)、(3)中,呼吸室(5)和(7)的电动上盖控制线与单片机(19)连接。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于步骤b气体采样泵(22)与温湿度传感器(23)连接,温湿度传感器(23)通过三通一端与旁路电磁阀(9)一端连接,另一端与过滤器(12)连接,电磁阀(9)通过电缆与单片机(19)连接;质量流量传感器(13)一端与过滤器(12)连接,另一端与三通电磁阀(14)连接,质量流量传感器(13)通过电缆与单片机(19)连接;二氧化碳吸收器(15)的上下端口分别与三通电磁阀(14)连接,三通电磁阀(14)的另一端直接与采样气体的气室(11)连接,三通电磁阀(14)通过电缆与单片机(19)连接。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于气室(11)内装有二氧化碳分析器(10),二氧化碳分析器(10)通过电缆与单片机(19)连接,在气室(11)的上部由气管通过三通(8)与排气管(6)连接。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于步骤e和f中在单片机(19)的上端连接液晶显示器(18)和环境因子传感器(20),单片机(19)的下端连接土壤水分温度传感器(4)、数据存贮器(16)和通信接口(17)。
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