CN102662034A - 多通道双循环土壤碳排放δ13C观测系统 - Google Patents

多通道双循环土壤碳排放δ13C观测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生态学研究领域，提供一种多通道双循环土壤碳排放δ13C观测系统，该系统由气体分析系统和电路控制系统组成。气体分析系统包括排放箱、箱盖、采样管、气泵、三通电磁阀、多通道电磁阀、δ13C分析仪、单片机组成。电路控制系统由包括电源、控制线、开关、触点按照既定电路连接而成。该系统实现了多通道之间的自动切换与循环观测，消除了“死气”对观测结果的干扰，节省了每个通道的观测时间，提高了土壤碳排放δ13C观测的效率和准确性。

Description

多通道双循环土壤碳排放δ13C观测系统
技术领域
本发明涉及生态学研究领域，具体的说是一种多通道双循环土壤碳排放δ13C观测系统。
技术背景
土壤碳排放是指土壤产生和向大气释放CO2的过程，它包括土壤微生物呼吸、植物根系呼吸、土壤动物呼吸和含碳物质的化学氧化作用等几个生物学和非生物学部分。全球每年因土壤呼吸排放到大气中的CO2量约为68PgC，远高于因燃料燃烧而释放到大气中的碳量。因此，土壤碳排放对大气CO2浓度变化有着重要影响。土壤碳排放发生的任何变化都将进一步影响到全球的碳循环，是决定陆地生态系统碳平衡的主要因子。了解土壤碳排放与影响因子之间的关系，对于估计和预测陆地生态系统碳循环变化有着非常重要的意义。
稳定性碳同位素在自然界主要有两种类型，即12C和13C，其中绝大部分是12C(98.9％)，而13C仅占1.1％，一般用该同位素摩尔数相对于标准物质中的同位素摩尔数的相对比值来表示，即用δ符号表示同位素比值，单位为千分之一(‰)。由于同位素分馏效应的存在，植物根系的自养呼吸排放的和土壤微生物、动物异养呼吸排放的具有不同的δ13C值。利用土壤碳排放过程中的碳稳定性同位素的变化特征，可以解决过去常规方法无法解决的很多问题，已经成为研究生态系统碳交换机理的最为有效的技术手段之一。
目前，直接测定土壤碳排放的方法有静态箱法、动态箱法和微气象法，并结合碱液吸收法、红外气体分析法、气相色谱法等实现对土壤碳排放速率的测定。但上述方法只关注了土壤CO2排放速率，而未关注土壤碳释放δ13C特征。由于自养呼吸和异养呼吸具有不同的δ13C特征，可以实现对土壤CO2来源的分析。并且在观测仪器方面有诸多限制和不足，如不能进行连续观测、不能多点同时观测、由于管道残气影响观测准确性等等，特别是当多个观测点的距离较大时，上述限制会显得更加突出。
发明内容
为了分析土壤碳排放、自养呼吸和异养呼吸的δ13C特征、实现多点同时自动观测、提高观测效率和频率、提高观测的准确性，本发明提供一种多通道双循环土壤碳排放δ13C观测系统。
为了实现这一目的，本发明提供如下解决方案：
一种多通道双循环土壤碳排放δ13C观测系统，该系统由气体分析系统和电路控制系统组成。气体分析系统包括排放箱11、21和31，箱盖12、22和32，采样管13、23、33、16、26、36、17、27、37、51和52，气泵14、24、34和42，三通电磁阀15、25和35，多通道电磁阀41，δ13C分析仪43，单片机44组成。电路控制系统包括电源7，控制线62、63和64，开关81、82、83和84，触点91、92和93连接而成。
排放箱11上安装有箱盖12，排放箱11两侧开孔，安装采样管13形成回路，采样管13上安装气泵14，开启气泵14时，气体在排放箱11和采样管13内循环。采样管13上安装有三通电磁阀15，三通电磁阀15的一个通道与采样管16连接，采样管16连接多通道电磁阀41的一个通道，多通道电磁阀41由采样管52与δ13C分析仪43连接，分析仪43又由采样管51与多通道电磁阀41连接，采样管51上安装气泵42，多通道电磁阀41的一个通道又由采样管17连接在采样管13上，形成气流回路。由排放箱21、箱盖22、采样管23、气泵24、三通电磁阀25连接形成的循环回路由采样管26、27连接在多通道电磁阀41上；由排放箱31、箱盖32、采样管33、气泵34、三通电磁阀35连接形成的循环回路由采样管36、37连接在多通道电磁阀41上。并可根据实际需要增加通道数量。
δ13C分析仪43测定的δ13C数据由数据线61输送到单片机44储存，并由单片机44通过控制线62与多通道电磁阀41连接，多通道电磁阀41的通道间切换时间由单片机44通过控制线62控制。
观测系统接通电源7后，多通道电磁阀41、气泵42、δ13C分析仪43、单片机44开始工作，单片机44通过控制线62控制多通道电磁阀41切换，多通道电磁阀41通过控制线64控制开关84连接的触点91、92或93。当多通道电磁阀41切换到采样管16、17通道时，开关84连接触点91，箱盖12关闭，三通电磁阀15开启采样管16通道，形成排放箱11-气泵14-三通电磁阀15-采样管16-多通道电磁阀41-采样管52-δ13C分析仪43-采样管51-多通道电磁阀41-采样管17-采样管13-排放箱11的气体回路，开始观测。经过一段时间T1后，由单片机44通过控制线63控制开关81、82、83连通，箱盖22关闭，气泵24开启；又经过一段时间T2后，单片机44通过控制线62控制多通道电磁阀41切换到采样管26、27通道，同时单片机44通过控制线63控制开关81、82、83断开，多通道电磁阀41通过控制线64控制开关84连接触点92，箱盖12打开，三通电磁阀15切换到采样管13通道，气泵24关闭，三通电磁阀25开启采样管26通道，形成排放箱21-气泵24-三通电磁阀25-采样管26-多通道电磁阀41-采样管52-δ13C分析仪43-采样管51-多通道电磁阀41-采样管27-采样管23-排放箱21的气体回路，开始观测。经过一段时间T1后，由单片机44通过控制线63控制开关81、82、83连通，箱盖32关闭，气泵34开启；又经过一段时间T2后，单片机44通过控制线62控制多通道电磁阀41切换到采样管36、37通道，同时单片机44通过控制线63控制开关81、82、83断开，多通道电磁阀41通过控制线64控制开关84连接触点93，箱盖22打开，三通电磁阀25切换到采样管23通道，气泵34关闭，三通电磁阀35开启采样管36通道，形成排放箱31-气泵34-三通电磁阀35-采样管36-多通道电磁阀41-采样管52-δ13C分析仪43-采样管51-多通道电磁阀41-采样管37-采样管33-排放箱31的气体回路，开始观测。经过一段时间T1后，由单片机44通过控制线63控制开关81、82、83连通，箱盖12关闭，气泵14开启；又经过一段时间T2后，单片机44通过控制线62控制多通道电磁阀41切换到采样管16、17通道，同时单片机44通过控制线63控制开关81、82、83断开，多通道电磁阀41通过控制线64控制开关84连接触点91，箱盖32打开，三通电磁阀35切换到采样管33通道，气泵14关闭，三通电磁阀15开启采样管16通道，完成多通道之间的自动切换与循环观测。
所述时间T1、T2，T1+T2为通道间切换的时间，即对每个排放箱进行观测的时间，T2为每个通道气体的预混时间，采样管13、23、33越长，T2越长，气泵14、24、34功率越小，T2越长。时间T1、T2根据观测需要由单片机44输入，并由自动程序控制。
所述采样管13、23、33的口径大于采样管16、26、36、17、27、37、51、52的口径。
所述气泵14、24、34的功率大于气泵42的功率。
附图说明
图1是本发明的气体分析系统结构示意图；
图2为本发明的电路控制系统结构示意图；
图中：11、21、31为排放箱，12、22、32为箱盖，13、23、33、16、26、36、17、27、37、51、52为采样管，14、24、34、42为气泵，15、25、35为三通电磁阀，41为多通道电磁阀，43为δ13C分析仪，44为单片机，61为数据线，62、63、64为控制线，7为电源，81、82、83、84为开关，91、92、93为触点。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案：
一种多通道双循环土壤碳排放δ13C观测系统，该系统由气体分析系统和电路控制系统组成。气体分析系统由排放箱11、21、31，箱盖12、22、32，采样管13、23、33、16、26、36、17、27、37、51、52，气泵14、24、34、42，三通电磁阀15、25、35，多通道电磁阀41，δ13C分析仪43，单片机44组成。电路控制系统由电源7，控制线62、63、64，开关81、82、83、84，触点91、92、93按照既定电路连接而成。
排放箱11上安装有箱盖12，排放箱11两侧开孔，安装采样管13形成回路，采样管13上安装气泵14，开启气泵14时，气体在排放箱11和采样管13内循环。采样管13上安装有三通电磁阀15，三通电磁阀15的一个通道与采样管16连接，采样管16连接多通道电磁阀41的一个通道，多通道电磁阀41由采样管52与δ13C分析仪43连接，分析仪43又由采样管51与多通道电磁阀41连接，采样管51上安装气泵42，多通道电磁阀41的一个通道又由采样管17连接在采样管13上，形成气流回路。由排放箱21、箱盖22、采样管23、气泵24、三通电磁阀25连接形成的循环回路由采样管26、27连接在多通道电磁阀41上；由排放箱31、箱盖32、采样管33、气泵34、三通电磁阀35连接形成的循环回路由采样管36、37连接在多通道电磁阀41上。并根据实际需要增加通道数量。
δ13C分析仪43测定的δ13C数据由数据线61输送到单片机44储存，并由单片机44通过控制线62与多通道电磁阀41连接，多通道电磁阀41的通道间切换时间由单片机44通过控制线62控制。
观测系统接通电源7后，多通道电磁阀41、气泵42、δ13C分析仪43、单片机44开始工作，单片机44通过控制线62控制多通道电磁阀41切换，多通道电磁阀41通过控制线64控制开关84连接的触点。当多通道电磁阀41切换到采样管16、17通道时，开关84连接触点91，箱盖12关闭，三通电磁阀15开启采样管16通道，形成排放箱11-气泵14-三通电磁阀15-采样管16-多通道电磁阀41-采样管52-δ13C分析仪43-采样管51-多通道电磁阀41-采样管17-采样管13-排放箱11的气体回路，开始观测。经过一段时间T1后，由单片机44通过控制线63控制开关81、82、83连通，箱盖22关闭，气泵24开启；又经过一段时间T2后，单片机44通过控制线62控制多通道电磁阀41切换到采样管26、27通道，同时单片机44通过控制线63控制开关81、82、83断开，多通道电磁阀41通过控制线64控制开关84连接触点92，箱盖12打开，三通电磁阀15切换到采样管13通道，气泵24关闭，三通电磁阀25开启采样管26通道，形成排放箱21-气泵24-三通电磁阀25-采样管26-多通道电磁阀41-采样管52-δ13C分析仪43-采样管51-多通道电磁阀41-采样管27-采样管23-排放箱21的气体回路，开始观测。经过一段时间T1后，由单片机44通过控制线63控制开关81、82、83连通，箱盖32关闭，气泵34开启；又经过一段时间T2后，单片机44通过控制线62控制多通道电磁阀41切换到采样管36、37通道，同时单片机44通过控制线63控制开关81、82、83断开，多通道电磁阀41通过控制线64控制开关84连接触点93，箱盖22打开，三通电磁阀25切换到采样管23通道，气泵34关闭，三通电磁阀35开启采样管36通道，形成排放箱31-气泵34-三通电磁阀35-采样管36-多通道电磁阀41-采样管52-δ13C分析仪43-采样管51-多通道电磁阀41-采样管37-采样管33-排放箱31的气体回路，开始观测。经过一段时间T1后，由单片机44通过控制线63控制开关81、82、83连通，箱盖12关闭，气泵14开启；又经过一段时间T2后，单片机44通过控制线62控制多通道电磁阀41切换到采样管16、17通道，同时单片机44通过控制线63控制开关81、82、83断开，多通道电磁阀41通过控制线64控制开关84连接触点91，箱盖32打开，三通电磁阀35切换到采样管33通道，气泵14关闭，三通电磁阀15开启采样管16通道，完成多通道之间的自动切换与循环观测。
所述时间T1、T2，T1+T2为通道间切换的时间，即对每个排放箱进行观测的时间，T2为每个通道气体的预混时间，采样管13、23、33越长，T2越长，气泵14、24、34功率越小，T2越长。时间T1、T2根据观测需要由单片机44输入，并由自动程序控制。
所述采样管13、23、33的口径大于采样管16、26、36、17、27、37、51、52的口径。
所述气泵14、24、34的功率大于气泵42的功率。
本发明的有益效果体现在以下几个方面：
通过对土壤碳排放、自养呼吸和异养呼吸的δ13C观测，可以为区分自养呼吸和异养呼吸来源提供解决方案；
通过对电路开关的控制，实现了多通道之间的自动切换与循环观测；
通过控制待测通道气体预混，节省了每个通道的观测时间，可以提高观测效率和频率；
通过控制待测通道气体预混，消除了“死气”对观测结果的干扰，提高了观测的准确性。
上述实施方案的描述仅作为本发明一种多通道双循环土壤碳排放δ13C观测系统技术方案的一种实施例提出，不作为对系统结构和功能的单一限制条件。

Claims (6)

1.一种多通道双循环土壤碳排放δ13C观测系统，该系统由气体分析系统和电路控制系统组成；
气体分析系统包括排放箱(11)、(21)和(31)，箱盖(12)、(22)和(32)，采样管(13)、(23)、(33)、(16)、(26)、(36)、(17)、(27)、(37)、(51)和(52)，气泵(14)、(24)、(34)和(42)，三通电磁阀(15)、(25)和(35)，多通道电磁阀(41)，δ13C分析仪(43)，单片机(44)组成；
电路控制系统包括电源(7)，控制线(62)、(63)和(64)，开关(81)、(82)、(83)和(84)，触点(91)、(92)和(93)连接而成。
2.如权利要求1所述观测系统，其特征在于：
排放箱(11)上安装有箱盖(12)，排放箱(11)两侧开孔，安装采样管(13)形成回路，采样管(13)上安装气泵(14)，开启气泵(14)时，气体在排放箱(11)和采样管(13)内循环；采样管(13)上安装有三通电磁阀(15)，三通电磁阀(15)的一个通道与采样管(16)连接，采样管(16)连接多通道电磁阀(41)的一个通道，多通道电磁阀(41)由采样管(52)与δ13C分析仪(43)连接，分析仪(43)又由采样管(51)与多通道电磁阀(41)连接，采样管(51)上安装气泵(42)，多通道电磁阀(41)的一个通道又由采样管(17)连接在采样管(13)上，形成气流回路；
由排放箱(21)、箱盖(22)、采样管(23)、气泵(24)、三通电磁阀(25)连接形成的循环回路由采样管(26)、(27)连接在多通道电磁阀(41)上；由排放箱(31)、箱盖(32)、采样管(33)、气泵(34)、三通电磁阀(35)连接形成的循环回路由采样管(36)、(37)连接在多通道电磁阀(41)上；
δ13C分析仪(43)测定的δ13C数据由数据线(61)输送到单片机(44)储存，并由单片机(44)通过控制线(62)与多通道电磁阀(41)连接，多通道电磁阀(41)的通道间切换时间由单片机(44)通过控制线(62)控制。
3.如权利要求1-2所述观测系统，其特征在于：
接通电源(7)后，多通道电磁阀(41)、气泵(42)、δ13C分析仪(43)、单片机(44)开始工作，单片机(44)通过控制线(62)控制多通道电磁阀(41)切换，多通道电磁阀(41)通过控制线(64)控制开关(84)连接的触点；当多通道电磁阀(41)切换到采样管(16)、(17)通道时，开关(84)连接触点(91)，箱盖(12)关闭，三通电磁阀(15)开启采样管(16)通道，形成排放箱(11)-气泵(14)-三通电磁阀(15)-采样管(16)-多通道电磁阀(41)-采样管(52)-δ13C分析仪(43)-采样管(51)-多通道电磁阀(41)-采样管(17)-采样管(13)-排放箱(11)的气体回路，开始观测；
经过一段时间T1后，由单片机(44)通过控制线(63)控制开关(81)、(82)、(83)连通，箱盖(22)关闭，气泵(24)开启；又经过一段时间T2后，单片机(44)通过控制线(62)控制多通道电磁阀(41)切换到采样管(26)、(27)通道，同时单片机(44)通过控制线(63)控制开关(81)、(82)、(83)断开，多通道电磁阀(41)通过控制线(64)控制开关(84)连接触点92，箱盖(12)打开，三通电磁阀(15)切换到采样管(13)通道，气泵(24)关闭，三通电磁阀(25)开启采样管(26)通道，形成排放箱(21)-气泵(24)-三通电磁阀(25)-采样管(26)-多通道电磁阀(41)-采样管(52)-δ13C分析仪(43)-采样管(51)-多通道电磁阀(41)-采样管(27)-采样管(23)-排放箱(21)的气体回路，开始观测；
经过一段时间T1后，由单片机(44)通过控制线(63)控制开关(81)、(82)、(83)连通，箱盖(32)关闭，气泵(34)开启；又经过一段时间T2后，单片机(44)通过控制线(62)控制多通道电磁阀(41)切换到采样管(36)、(37)通道，同时单片机(44)通过控制线(63)控制开关(81)、(82)、(83)断开，多通道电磁阀(41)通过控制线(64)控制开关(84)连接触点(93)，箱盖(22)打开，三通电磁阀(25)切换到采样管(23)通道，气泵(34)关闭，三通电磁阀(35)开启采样管(36)通道，形成排放箱(31)-气泵(34)-三通电磁阀(35)-采样管(36)-多通道电磁阀(41)-采样管52-δ13C分析仪(43)-采样管(51)-多通道电磁阀(41)-采样管(37)-采样管(33)-排放箱(31)的气体回路，开始观测；
经过一段时间T1后，由单片机(44)通过控制线(63)控制开关(81)、(82)、(83)连通，箱盖(12)关闭，气泵(14)开启；又经过一段时间T2后，单片机(44)通过控制线(62)控制多通道电磁阀(41)切换到采样管(16)、(17)通道，同时单片机(44)通过控制线(63)控制开关(81)、(82)、(83)断开，多通道电磁阀(41)通过控制线(64)控制开关(84)连接触点(91)，箱盖(32)打开，三通电磁阀(35)切换到采样管(33)通道，气泵(14)关闭，三通电磁阀(15)开启采样管(16)通道，完成多通道之间的自动切换与循环观测。
4.如权利要求3所述观测系统，其特征在于：
时间T1、T2，T1+T2为通道间切换的时间，即对每个排放箱进行观测的时间，T2为每个通道气体的预混时间，采样管(13)、(23)、(33)越长，T2越长，气泵(14)、(24)、(34)功率越小，T2越长。
5.如权利要求1-3任一所述观测系统，其特征在于：
采样管(13)、(23)、(33)的口径大于采样管(16)、(26)、(36)、(17)、(27)、(37)、(51)、(52)的口径。
6.如权利要求1-3任一所述观测系统，其特征在于：
气泵(14)、(24)、(34)的功率大于气泵(42)的功率。
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