CN102252876B - 一种缓冲式土壤气体取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缓冲式土壤气体取样装置，属于土壤实验装置技术领域。该装置由注射器，阀门，抽气口，抽气导管，箱体，气囊，水封槽，基座组成。由于其在箱体上增设了气囊，故在整个贮存、取样过程中箱体内外的气压通过气囊缓冲调节后始终保持平衡状态，防止了箱体向外或向内的漏气，保持了箱体内贮存气体的质量；同时也克服了土壤气体自然释放受抑制的难题，提高了对土壤释放气体测定数据的可靠性。本装置设计合理，操作简单，成本低廉，可广泛用于农田、裸地、草原等温室气体排放的收集作业。

Description

一种缓冲式土壤气体取样装置

技术领域

本发明涉及土壤实验装置技术领域，尤其涉及一种田间土壤释放气体的取样装置。

背景技术

大气中温室气体浓度的增加而引起的全球气候变暖已是当今世界面临的一个重要的环境问题。目前，科学家们把观测到的全球温室效应归咎于几种气体，包括二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)等。农业是一个重要的温室气体的来源，如土壤中的有机物质经微生物分解后，即以CO₂形式释放入大气；CH₄可在长期淹水的农田中经发酵作用而产生；全球一半以上的N₂O来自土壤的硝化和反硝化过程。为了更好地了解气候变化的方向与趋势，必须尽量准确地估算出CO₂、CH₄和N₂O等温室气体的排放量，以便及时制定更好的减排和适应气候变化的措施，以减缓气候变化的影响。

静态箱法是目前用于测定CO₂、CH₄和N₂O等温室气体通量的最为普遍的方法之一。此方法所使用的密闭箱一般由注射器，阀门，抽气口，抽气导管，箱体，水封槽，基座等组成。在地表面盖上此箱，贮存并测定箱体内一个时段内气体的变化，根据箱口面积、箱体积和时间，即可计算出气体的排放速率。与其它方法相比，静态箱法有制作简单、装配方便等优点。但是，该方法的明显缺点是关闭盖子以后，在土壤释放气体及取样的过程中，箱体内部的气压会发生改变，详见附录1。这种改变可能明显影响箱体内外大气之间的气体交换而使测得的排放通量值偏离实际情况；另外，箱体内的气压发生变化后也会在一定程度上影响土壤气体的释放速率。在研究中也发现，因为土壤中的N₂O释放量较低，通常仅为0.007-0.905μg.g^-1.d^-1，故利用现有的静态箱法测得的N₂O通常没有一定的规律。因此，研究开发一种能缓冲调节密闭箱体内气压变化的取样装置，对于提高各类生态系统排放(吸收)温室气体的测量准确性，从而正确、客观地评价各类陆地生态系统对大气中主要温室气体浓度变化的贡献具有重要的意义。

发明内容

本发明目的是，针对现有土壤气体取样装置因缺乏缓冲气压结构而易造成箱体正向或反向漏气及土壤气体释放易受箱体内存气压抑制的缺陷，提供一种能自行缓冲调节箱体贮存气体气压，杜绝箱体正向或反向漏气及土壤气体释放易受箱体内存气压抑制，从而使被测地块所取气样的测量结果更接近真实值的土壤气体取样装置。

本发明的原理是，在现有装置的基础上用箱体将被测地面罩起来，在保持箱体内空气与外界没有交换的情况下，通过增设气囊的膨胀、收缩来缓冲调节箱体内贮存气体的气压变化：当土壤气体释放致使箱体内气压升高时，气囊向外膨胀以使箱体内、外气压保持平衡；当人为取样致使箱体内气压逐步减小，气囊也会随之逐步收缩直至缩进箱体内呈反膨胀状，以使箱体内、外气压仍然保持平衡；本发明通过上述土壤气体释放增压和人为取样减压及气囊缓冲平衡这三者间一段时间的活动后，既防止了常规装置箱体内因气压过大或过小而导致产生向外溢气或向内进气降低气样质量的弊端，又能从箱体内被测气体真实浓度的变化数据获得该气体的界面交换通量。同时通过试验明确，所述增设气囊其最大膨胀容积应该是≥实验所设取样次数×每次取气样体积。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种缓冲式土壤气体取样装置，该装置由注射器，三向阀门，抽气口，抽气导管，箱体，气囊，水封槽，基座组成；其中，注射器用于抽取箱体内的气体；抽气口设于箱体的顶面；抽气导管的上端与三向阀门的下端相连接，抽气导管的下端穿过抽气口伸入至箱体的中间部位；箱体为一宽度与高度为1∶2，有顶面与周壁而无底面的圆型或四边型箱体；在箱体的顶面或周壁上设置有1至多个气囊，该气囊的最大膨胀容积是≥实验所设取样次数×每次取气样体积；基座为没有顶面和底面只有周壁的刚性框，其型状与箱体相匹配，其上端设有凹型的水封槽。

所述气囊是一不透气，质地轻薄，柔软且伸缩性良好的由橡胶薄膜或塑胶薄膜制备而成的膜囊。

缓冲式土壤气体取样装置的应用方法，在采取土壤气体时，先将基座的下端插入土壤地表以下3-5cm处，再将箱体的下端座入基座上端的水封槽内，在挤净气囊中空气呈干瘪状态的同时在水封槽内加水进行密封；当基座内的土壤通过呼吸释放气体时，箱体内的气体浓度逐步增加、气压随之升高后，气体也逐步进入至气囊内致使气囊膨胀；按设定间隔时间分次从箱体内抽取气样后，箱体内的气体浓度逐步减少、气压降低，气囊也随之相应收缩，当气囊收缩至起始状态而持续抽取气样时，则气囊回吸到箱体内呈反膨胀状，以仍保持箱体内外气压的平衡；根据收集后的气体样品用气相色谱法测得所含CO₂、甲烷和氧化亚氮的浓度。

本发明的有益效果是：

1、本发明装置在箱体的顶面或侧面所设置的气囊，在箱体内与大气之间无压差时呈干瘪状态，有压差时则能呈现正向或反向的膨胀而传递负压。因此，在整个取样过程中箱体内外的气压通过气囊缓冲调节后始终保持平衡状态，从而有效地防止了箱体向外或向内漏气的现象，也就保持了箱体内贮存气体质量的真实性，从而保证了对土壤释放气体测定数据的可靠性。

2、本发明装置的另一优点是，箱体内外的气压通过气囊缓冲调节后也有效解决了常规装置随着箱体内气体浓度和压力的增加，导致土壤气体自然释放受抑制的难题，从而也确保了对土壤释放气体测定数据的可靠性。

3、众所周知土壤中的N₂O释放量是非常低的，当装置密封性不好时，哪怕微量的空气进入密封箱内，则对其影响都较大，因而很难准确测定其释放量；而改进后的装置凭借气囊对箱体内气压变化的缓冲作用，有效保持了水封槽较好的密封性，避免了箱体内外气体的交流，从而更易准确测定出N₂O的释放量。

附图说明

图1缓冲式土壤气体取样装置的结构示意图

注：注射器1，三向阀门2，抽气口3，抽气导管4，箱体5，气囊6，水封槽7，基座8

图2室内模拟土壤不同取样装置(第一次)取样气体测定浓度曲线图

图3室内模拟土壤不同取样装置(第二次)取样气体测定浓度曲线图

图4室外土壤不同取样装置取样气体测定浓度曲线图

具体实施方式

通过以下实施例并结合附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不受以下具体内容的限制。

实施例1：(一种圆型缓冲式土壤气体取样装置)

参见图1所示，该缓冲式土壤气体取样装置由注射器1，三向阀门2，抽气口3，抽气导管4，箱体5，气囊6，水封槽7，基座8组成；其中，注射器1用于抽取箱体5内的贮存气体；抽气口3为设于箱体5顶面的一个小孔，该孔的周边用硅胶塞封紧；抽气导管4为一根PVC管，其上端与三向阀门2的下端相连接，其下端穿过抽气口3伸入至箱体5的中间部位，以获箱体5中部的气样；箱体5为一宽度与高度为1∶2，有顶面与周壁而无底面的圆型箱体；在箱体5的周壁设置2个气囊6，气囊为一不透气，质地轻薄，柔软且伸缩性良好的由橡胶薄膜制备而成的的膜囊，该气囊的最大膨胀体积是≥实验所设取样次数×每次取样体积；基座8为一没有顶面和底面只有周壁的刚性框，其型状与箱体5相匹配；在基座8的上端设有凹型的水封槽7。

实施例2：(一种方型缓冲式土壤气体取样装置)

本例中，抽气导管4为一根不锈钢小管；箱体5为一宽度与高度为1∶2，的方型箱体；在箱体5的顶面与侧壁上各设置有1个气囊6，气囊6为由塑胶薄膜制备而成的膜囊；该装置的其余部件、结构、要求同于实施例1。

实施例3：(室内模拟土壤不同取样装置测定效果对比试验)

改进前的土壤取样装置：即常规的(无气囊)土壤取样装置；

改进后的土壤取样装置：采用实施例1的装置，其中，两气囊的最大膨胀体积是≥实验所设取样次数×每次取样体积，本实施例两气囊最大膨胀体积≥240ml；

本例采用室内土壤模拟方法，分别将改进前、后土壤气体取样装置的基座8平稳插入土壤后将四周压实，并静置30min；取样前分别将箱体5下端座入基座8上端的水封槽7内后(改进后箱体上的气囊需挤净空气呈干瘪状态)，立刻向水封槽7内注满自来水进行密封，以阻断箱体内外气体的流通，为消除扰动干扰，静止5分钟后始开始取第一次气样(设为0min)；取样时间为2010年2月3日上午9时始，每间隔15min(即0、15、30和45min)用注射管1从箱体内抽取60ml气样，共抽取4次，每次取样后注入气体取样袋内封存；收集完毕后的样品用气相色谱法测定所含CO₂、甲烷和氧化亚氮的浓度，实验共进行二次(参见图2、3所示)。

实施例4：(室外土壤采用不同取样装置测定效果对比试验)

本例中，所采用的土壤气体取样装置和具体的取样步骤方法同于实施例3；

取样时间：2009年9月25日上午10时30分始，每间隔15min(即0、15、30和45min)用注射管1从箱体5内抽取60ml气样，并注入气体取样袋内封存；收集完毕后的样品用气相色谱法测定所含CO₂、甲烷和氧化亚氮的浓度(参见图4所示)。

从实施例3和实施例4所取得的试验数据可以看出，用原装置取样的样品数据波动较大，特别是微量气体(氧化亚氮)的数据波动极大(因土壤中的N₂O释放量本身就很低，原装置密封性不好，有微量的空气进入密封箱内即造成N₂O含量变化较大，且每次取样中，空气进入装置的量很难确定，因此造成测试的数据呈波动状)，而改进后装置所取样品数据整体呈平缓的变化趋势，这表明原装置在取样过程中，由于箱体内气体浓度降低、气压下降，使水封槽内的部分水被吸入到箱体内，随之外界大气通过水封槽进入到箱体内，从而导致箱体内气体浓度与成分发生变化，致使数据波动较大；而改进后的装置则凭借气囊对箱体内气压变化的缓冲作用，保持了水封槽较好的密封性，避免了箱体内外气体的交流，从而使样品数据更加可靠，试验结果更具说服力。

试验中气体能量的计算公式为：

气体通量(F)为负值时表示土壤从大气中吸收该气体，正值时表示土壤向大气中排放该气体。

式中，F为气体通量(Flux)，ρ为试验时温度下的气体密度，Δm和Δc分别是Δt时间内取样箱中变化的气体质量和混合比浓度，h、A、V分别为箱高、底面积和体积。

附录1：

通过克拉伯龙方程式PV＝nRT及阿佛加德罗定律(同温同体积的气体，其物质的量与压强成正比)进行理论推算，其中大气压P为1.01325×10⁵帕，密闭箱的体积为20cm×20cm×50cm＝20000cm³＝20L；R为常数8314帕·升/摩尔·K；T为273.15K；根据克拉伯龙方程式PV＝nRT算得试验初期箱体内的气体约为0.8924mol；算得抽取1次60ml后，根据n₁/n₂＝v₁/v₂，算得抽取的60ml气体的摩尔数为0.0027mol，箱体内剩余气体摩尔数＝(初始气体摩尔数-初始气体摩尔数×抽取气体体积/箱体体积，算得箱体内剩余气体摩尔数约为0.8897mol，根据PV＝nRT算得抽取气体后，箱体内的气压为1.0102×10⁵帕，较试验初期箱体内气压减少0.0031×10⁵帕，蓄水槽内的水液面形成高度差，根据液体压强的计算公式P＝ρgh(其中ρ为1.0×10³千克/米³，g为9.8N/kg)算得蓄水槽内形成的高度差约为0.032m，即3.2cm；当抽取第2次时，箱体内的气体初始摩尔数为0.8897mol，抽取60ml后箱体内的气体摩尔数为0.8870mol(计算方法同抽取第一次)，根据PV＝nRT算得抽取气体后，箱体内的气压为1.0072×10⁵帕，箱体内气压较初始时减少0.00605×10⁵帕，蓄水槽内的水液面形成高度差，根据液体压强的计算公式P＝ρgh(其中ρ为1.0×10³千克/米³，g为9.8N/kg)算得蓄水槽内形成的高度差约为0.62m，即6.2cm；以此类推，算得蓄水槽在抽取第三个、第四个60ml时内外水液面的高度差分别应为9.3cm和12.5cm。

Claims (3)

1.一种缓冲式土壤气体取样装置，其特征在于该装置由注射器(1)，三向阀门(2)，抽气口(3)，抽气导管(4)，箱体(5)，气囊(6)，水封槽(7)，基座(8)组成；其中，注射器(1)用于抽取箱体(5)内的气体；抽气口(3)设于箱体(5)的顶面；抽气导管(4)的上端与三向阀门(2)的下端相连接，抽气导管(4)的下端穿过抽气口(3)伸入至箱体(5)的中间部位；箱体(5)为一有顶面与周壁而无底面的直径与高度为1∶2的圆型或长度、宽度与高度为1∶1∶2的四边型箱体；在箱体(5)的顶面或周壁上设置有1至多个气囊(6)，该气囊(6)的最大膨胀容积是≥实验所设取样次数×每次取气样体积；基座(8)为没有顶面和底面只有周壁的刚性框，其型状与箱体(5)相匹配，其上端设有凹型的水封槽(7)。

2.按权利要求1所述的取样装置，其特征在于所述的气囊(6)是一不透气，质地轻薄，柔软且伸缩性良好的由橡胶薄膜或塑胶薄膜制备而成的膜囊。

3.一种如权利要求1所述的缓冲式土壤气体取样装置的应用方法，其特征在于：在采取土壤气体时，先将基座(8)的下端插入土壤地表以下3-5cm处，再将箱体(5)的下端座入基座(8)上端的水封槽(7)内，在挤净气囊(6)中空气呈干瘪状态的同时在水封槽(7)内加水进行密封；当基座(8)内的土壤通过呼吸释放气体时，箱体(5)内的气体浓度逐步增加、气压随之升高后，气体也逐步进入至气囊(6)内致使气囊膨胀；按设定间隔时间分次从箱体(5)内抽取气样后，箱体(5)内的气体浓度逐步减少、气压降低，气囊(6)也随之相应收缩，当气囊(6)收缩至起始状态而持续抽取气样时，则气囊(6)回吸到箱体(5)内呈反膨胀状，以仍保持箱体(5)内外气压的平衡；根据收集后的气体样品用气相色谱法测得所含CO₂、甲烷和氧化亚氮的浓度。

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