CN102879231B - 一种不同深度土壤的温室气体采集装置和原位观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的不同深度的土壤温室气体排放采集装置，包括2个以上的圆储气管长度不同的气体采集器。其结构简单，使用方便，适用于水分不饱和土壤和非生长季水分饱和土壤不同深度处温室气体的采集，并且能够连续采集CO2、N2O和CH4等气体。采集气体时的环境扰动小，降低了气体采集过程中的影响因素，操作简单，采集的温室气体更具有单位面积排放强度的代表性。可连续多年对土壤温室气体排放进行观测；并可观测冻结过程中温室气体累积并通过土壤融化过程的排放状况。可广泛应用于农田、草原、湿地等各种土壤不同深度的温室气体排放的观测和研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种不同深度土壤的温室气体采集装置和原位观测方法。
背景技术
全球环境变化，特别是气候变暖已引起全世界的广泛关注。CO2、CH4和N2O是主要的温室气体，大气中CO2、CH4和N2O除来自人类活动排放外，陆地生态系统也是重要的排放源。关于温室气体排放的监测主要集中在植物生长季，多采用静态箱法采集温室气体，所采集的气体是植被及地表气体的释放。这种采集气体的方法没有区分土壤不同深度处温室气体的产生和排放特征。因此，研制一套适用于不同土壤深度的温室气体采集的装置和采集方法，观测温室气体排放特征及其与土壤性质的关系，对控制和调节温室气体具有重要意义，也对全面认识温室气体的排放通量和影响机理至关重要。（参考文献：① Dong Y S, Zhang S, Qi Y C, et al. Fluxes of CO2, N2O and CH4 from a typical temperate grassland in Inner Mongolia and its daily variation [J]. Chinese Science Bulletin, 2000, 45(17): 1590-1594. ② 宋长春, 张丽华, 王毅勇, 等. 淡水沼泽湿地CO2、CH4和N2O排放通量年际变化及其对氮输入的响应[J]. 环境科学, 2006, 27(12): 2369-2375.）。
发明内容
为了解决已有技术存在的仅能够采集植被及土壤表面温室气体的问题，本发明提供了一种不同深度土壤的温室气体采集装置和原位观测方法。该方法适用于生长季水分不饱和土壤以及非生长季水分饱和土壤不同深度的温室气体的采集与观测。
一种不同深度的土壤温室气体排放采集装置，其包括2个以上的采集器，每个采集器的圆储气管的长度不同，长度依据采集气体的土壤深度确定；
采集器的构成如下：圆储气管，接口管箍通过螺纹把顶盖与圆储气管的上端密闭连接；导管穿过顶盖并与顶盖密封，风扇固定在导管的一端并置于圆储气管内前取气管进口的下部，电线穿过导管与风扇连接，用蓄电池通过风扇电线向风扇16供电，导管上端连同电线密封；上端开口的温度测量管穿过顶盖并与顶盖密封，该温度测量管内置入温度计，测量圆储气管内的温度；
前取气管18穿过顶盖并与顶盖密封，并且，前取气管进口深入到圆储气管的中上部；前取气管的另一端与后取气管密闭连接；前取气管与后取气管连接的一端装有截止阀，该截止阀可以打开或关闭前取气管；后取气管的出气端与负压单向阀连接；三通管的三个端口分别与负压单向阀出气口、气泵进出气共用口和正压单向阀进气口密闭连接相通；正压单向阀进口安装气体流量计，真空铝塑复合气袋与正压单向阀出气口密闭连通；圆储气管的下部有多个集气孔，集气孔的外面缠绕尼龙纱网；圆储气管的下端通过螺纹与锥形管密闭连接；锥形管可以使圆储气管顺畅的进入土壤中。
本发明提供的一种不同深度土壤的温室气体排放采集装置的原位观测的方法，其步骤如下：
（1）依据采集气体的土壤深度，用与圆储气管直径相同的金属管打孔，然后将多个圆储气管长度不同的采集器分别安插到待测土壤的相应位置，圆储气管的管壁四周用土封严；
（2）打开电源，用蓄电池向风扇供电，开启截止阀，使土壤温室气体排放采集装置的风扇处于工作状态；运行10 min后开始采集气体；
（3）采集气体样时，在30 min时段内，分别于0 min、10 min、20 min和30 min，分别进行以下操作：启动气泵，负压单向阀开启，气泵运行1分钟，把截止阀至的气体，通过气泵的排气阀排放；关闭气泵的排气阀，通过气泵使得取气管，以及三通管内充满圆储气管内的气体，并使内压力为正压，负压单向阀关闭，正压单向阀开启，如此反复，通过气泵向真空铝塑复合气袋注入气体200 mL；注入气体量由正压单向阀进口的流量计确定；气体样品密封储存，立即带回实验室，用岛津GC-14A气相色谱仪测定，结果在显示器上显示或打印；
（4）采样频次为每月2次以上；
（5）同步通过置入上端开口的温度测量管内的温度计测量圆储气管内的温度；还通过温度计测量环境气温和土壤温度。
有益效果：1. 本发明提供的不同深度的土壤温室气体排放采集装置，包括2个以上的圆储气管长度不同的气体采集器。其结构简单，使用方便，适用于水分不饱和土壤和非生长季水分饱和土壤不同深度处温室气体的采集，并且能够连续采集CO2、N2O和CH4等气体。2. 本发明提供的不同深度土壤的温室气体排放采集装置的环境扰动小，降低了气体采集过程中的影响因素，操作简单，采集的气体更具有单位面积排放强度的代表性。3. 可连续多年对土壤温室气体排放进行观测；并可观测冻结过程中温室气体累积并通过土壤融化过程的排放状况。可广泛应用于各种土壤不同深度的温室气体排放的观测和研究。
附图说明
图1是土壤温室气体采集装置结构示意图的主视图。
图2是土壤温室气体采集装置结构示意图的俯视图。
图3是不同深度土壤温室气体采集装置布设示意图。
图4是湿地不同深度土壤的温室气体CH4的排放特征曲线图。
图5是湿地不同深度土壤的温室气体N2O的排放特征曲线图。
具体实施方式
实施例1 如图1、2所示，一种不同深度的土壤温室气体排放采集装置，其包括2个以上的采集器，每个采集器的圆储气管12的长度不同，长度依据采集气体的土壤深度确定；采集器的构成如下：一个圆储气管12，圆储气管12的长度依据采集气体的土壤深度确定；接口管箍11通过螺纹把顶盖10与圆储气管12的上端密闭连接；导管19穿过顶盖10并与顶盖10密封，风扇16固定在导管19的下端并置于圆储气管12内的前取气管18进口17的下部，电线9穿过导管19与风扇16连接，用蓄电池通过风扇电线9向风扇16供电；导管19上端连同电线9密封；上端开口的温度测量管20穿过顶盖10并与顶盖10密封，该温度测量管内置入温度计；该温度测量管内可以置入温度计测量圆储气管12内的温度；
前取气管18穿过顶盖10并与顶盖10密封，并且前取气管18进口17深入到圆储气管12的中上部；前取气管18的另一端与后取气管7密闭连接；前取气管18与后取气管7连接的一端装有截止阀8，该截止阀8可以打开或关闭前取气管18；后取气管7的出气端与负压单向阀6连接，三通管2的三个端口分别与负压单向阀6出气口、气泵1进出气共用口和正压单向阀4进气口密闭连接相通，正压单向阀4进口安装气体流量计3，500 mL真空铝塑复合气袋5与正压单向阀4出气口密闭连通；
圆储气管12的下部有多个集气孔13，集气孔13的外面缠绕尼龙纱网14；圆储气管12的下端通过螺纹与锥形管15密闭连接；锥形管15可以使圆储气管12顺畅的进入土壤中。
本实施例一共采用6个土壤温室气体排放采集装置，其中圆储气管12的长度分别为 40 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm和150 cm；圆储气管12采用内直径10.0 cm，管壁厚0.32 mm的聚氯乙烯（PVC）管；前取气管18为直径为8.0 mm，管壁厚0.16 mm的聚氯乙烯（PVC）管，长度依据采样深度确定；后取气管7为与前取气管管径相同的橡胶软管；导管19为直径8.0 mm，管壁厚0.16 mm的聚氯乙烯（PVC）管，长度依据采样深度确定；温度测量管20的管径与水银温度计的直径相一致，以便于密封。
集气孔13共布设40个，集气孔13的孔径为5.0 mm，均匀布设在圆储气管12的下部；尼龙纱网14的网眼是0.5 mm×0.5 mm；地面上的露出的圆储气管12的管段长度均为30 cm。
利用上述本发明提供的不同深度土壤的温室气体排放采集装置，于2006年10月至2007年5月在黑龙江省三江平原小叶章苔草湿地进行了不同深度土壤的温室气体排放的观测。
一种不同深度土壤的温室气体排放采集装置的原位观测方法，其步骤如下：
（1）依据三江平原沼泽湿地土壤冻深，如图3所示，依据植物及表层土壤22、冻层或中层土壤23、未冻层或下层土壤24，设定监测冻层深10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm和120 cm土壤的温室气体排放状况，土壤未冻结之前，在选定的监测点位，采用下述的方法进行布设与观测：
依据采集气体的土壤深度，用与圆储气管12直径相同的金属管打孔，然后将6个圆储气管12长度不同的采集器分别安插到待测土壤的相应位置，圆储气管12的管壁四周用土封严；
（2）打开电源，用12 V蓄电池向风扇供电，开启截止阀8，使土壤的温室气体排放采集装置的风扇处于工作状态；运行10 min后开始采集气体；
（3）采集气体样时，在30 min时段内，分别于0 min、10 min、20 min和30 min，分别进行以下操作：启动气泵1，负压单向阀6开启， 气泵1运行1分钟，把截止阀8至的气体，通过气泵1的排气阀排放；关闭气泵1的排气阀，通过气泵1使得取气管7，以及三通管2内充满圆储气管12内的气体，并使内压力为正压，负压单向阀6关闭，正压单向阀4开启，如此反复，通过气泵1向500 m L真空铝塑复合气袋5注入气体200 mL；注入气体量由正压单向阀4进口的流量计3确定；气体样品密封储存，立即带回实验室，用岛津GC-14A气相色谱仪测定，结果在显示器上显示或打印；
（4）采样频次为每月2次以上；
（5）同步通过置入上端开口的温度测量管20内的温度计测量圆储气管12内的温度；还通过温度计测量环境气温和土壤温度。
采集期间结果：CH4气体表现为排放浓度较高；在土壤20 cm深处出现低值，其体积浓度为1045–1560 ppb；然后逐渐增大，最高值出现在土壤80 cm深度，其体积浓度为2040–2145 ppb；80 cm深度以下的浓度变化比较平稳。
与CH4相比，N2O气体浓度的变化趋势相反，具体表现为N2O气体浓度较低；土壤20 cm–40 cm深度处浓度最高，其体积浓度为350–1220 ppb，采集初期浓度较低；80 cm以下深度处气体浓度变化趋于平稳。
检测结果如图4、图5所示。图4是湿地不同深度土壤的温室气体CH4的排放特征曲线图；图5是湿地不同深度土壤的温室气体N2O的排放特征曲线图。图3是不同深度土壤的温室气体排放采集装置布设示意图。其中，21是土壤温室气体采集装置地上露出部分，22是植物及表层土壤，23是冻层或中层土壤，24是未冻层或下层土壤。
Claims (2)
1. 一种不同深度的土壤温室气体排放采集装置，其特征在于，其包括2个以上的采集器，每个采集器的圆储气管（12）的长度不同，长度依据采集气体的土壤深度确定；采集器的构成如下：圆储气管(12)，接口管箍(11)通过螺纹把顶盖(10)与圆储气管(12)的上端密闭连接；导管(19)穿过顶盖(10)并与顶盖(10)密封，风扇(16)固定在导管(19)的一端并置于圆储气管(12)内前取气管(18)进口(17)的下部，电线(9)穿过导管(19)与风扇(16)连接，用蓄电池通过风扇电线(9)向风扇(16)供电，导管(19)上端连同电线(9)密封；上端开口的温度测量管(20)穿过顶盖(10)并与顶盖(10)密封，该温度测量管内置入温度计；
前取气管(18)穿过顶盖(10)并与顶盖(10)密封，并且，前取气管(18)进口(17)深入到圆储气管(12)的中上部；前取气管(18)的另一端与后取气管(7)密闭连接；前取气管(18)与后取气管(7)连接的一端装有截止阀(8)；后取气管(7)的出气端与负压单向阀(6)连接；三通管(2)的三个端口分别与负压单向阀(6)出气口、气泵(1)进出气共用口和正压单向阀(4)进气口密闭连接相通；正压单向阀(4)进口安装气体流量计(3)，真空铝塑复合气袋(5)与正压单向阀(4)出气口密闭连通；
圆储气管（12）的下部有多个集气孔（13），集气孔（13）的外面缠绕尼龙纱网（14）；圆储气管（12）的下端通过螺纹与锥形管（15）密闭连接。
2.如权利要求1所述的一种不同深度土壤的温室气体排放采集装置的原位观测方法，其步骤如下：
（1）依据采集气体的土壤深度，用与圆储气管（12）直径相同的金属管打孔，然后将多个圆储气管（12）长度不同的采集器分别安插到待测土壤的相应位置，圆储气管（12）的管壁四周用土封严；
（2）打开电源，用蓄电池向风扇（16）供电，开启截止阀（8），使土壤温室气体排放采集装置的风扇（16）处于工作状态；运行10 min后开始采集气体；
（3）采集气体样时，在30 min时段内，分别于0 min、10 min、20 min和30 min，分别进行以下操作：启动气泵（1），负压单向阀（6）开启，运行1分钟;
把截止阀(8)至取气管(7)，以及三通管(2)内的气体，通过气泵(1)的排气阀排放；关闭气泵(1)的排气阀，通过气泵(1)使得取气管(7)，以及三通管(2)内充满圆储气管(12)内的气体，并使内压力为正压，负压单向阀（6）关闭，正压单向阀（4）开启，如此反复，通过气泵（1）向真空铝塑复合气袋（5）注入气体200 mL；注入气体量由正压单向阀（4）进口的流量计（3）确定；气体样品密封储存，立即带回实验室，用岛津GC-14A气相色谱仪测定，结果在显示器上显示或打印；
（4）采样频次为每月2次以上；
（5）同步通过置入上端开口的温度测量管（20）内的温度计测量圆储气管（12）内的温度；还通过温度计测量环境气温和土壤温度。
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Granted publication date: 20141029 Termination date: 20170904 |
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