CN102901657A - 压力平衡式土壤气体采集便携装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压力平衡式土壤气体采集便携装置，其包括气体收集箱和气体抽取装置，气体收集箱主要包括顶盖、采集箱和底座，顶盖中设有第一活塞，底座包括夹角可调的上下两部分。气体采集过程中，通过第一活塞的上下移动使得采集箱内外压力平衡，减少采集箱内压力变化对土壤气体排放量的影响，保证观测精度，缩短观测时间，特别是采样面积小、密封性能好。通过将底座设计为角度可调的上底座和下底座，本发明还可应用于具有一定角度的坡面环境。此外，本发明还具有取材方便、易于拆卸和携带、操作简单等优点。

Description

压力平衡式土壤气体采集便携装置

技术领域

本发明涉及一种可用于实验室控制条件、野外、农田的土壤呼吸通量的采集和观测系统，尤其涉及一种适用于普通农田土壤、坡面土壤、温室大棚等设施农业土壤和盆栽环境压力的平衡式土壤气体采集装置。

背景技术

通量是指单位时间内通过单位面积的物质的量。土壤呼吸通量则是指单位面积和单位时间内土壤排放的气体质量的变化。土壤呼吸通量是研究土壤微生物过程、温室气体排放和气候变化的重要依据。

土壤呼吸的研究多采用密闭式静态箱。传统意义上的静态箱法是：利用气体通量原理，采用容积和底面积均已知的化学性质稳定的箱体直接插入地面或嵌套在底座上，每隔一段时间对箱内待测气体的浓度测量一次，根据浓度随时间的变化率来计算被罩地面待测气体的排放通量。静态箱法相对操作简便、造价适中、测试简单，目前被广泛应用于地表不同植被类型条件下温室土壤呼吸通量的测定。

观测装置的体积、密闭性等特性与应用静态箱法进行气体通量的采集和观测精度密切相关。箱体的体积大小与采样的代表性和采样时间长短密切相关，箱体体积大虽然采样的代表性好，然而操作时间的延长造成观测界面和箱体内环境的变化同样会引起一定的实验误差。箱体法的底座与箱体密封，控制外界气体不得进入观测箱体内，然而，如果箱体较大且观测时间长，及或者在高温季节注水槽内水分的蒸发都会造成箱体密闭性变差从而影响实验精度，例如申请号为971119015的中国发明专利申请提供的“一种测量农田温室气体排放量的方法”。由于用水进行密封，在有坡度的地面进行观测时也会带来操作不便，例如专利号为2009200993964的中国专利提供的“农田温室气体采样装置”。此外，若采用直接插入地面的箱体进行观测，这类观测箱往往在压入地面后箱体与土壤接触面在夯入时造成土壤挤压，观测微环境发生改变也会造成实验误差，例如申请号为20111011591185的中国发明专利申请提供的“一种缓冲式土壤气体采样装置”。因此，有必要对原静态箱法的气体通量的采集和观测系统进行改进，使之操作更加简便、灵活、高效，降低实验误差，提高工作效率和观测精度至关重要。

目前使用的箱法通量采集和观测装置通常包括底座和箱体两个部分，不锈钢底座在开始观测前埋入土壤中，箱体根据实验需要加在底座上安装观测。传统的静态箱除了体积大、较为笨重、搬运不便外、不锈钢箱体的加工成本较高之外，各种实验误差因素也降低了观测精度，例如箱体内外气压不平衡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平衡式土壤气体采集装置，以解决现有技术存在的携带不变、实验误差因素较多等问题。

为了实现上述目的，本发明提供的压力平衡式土壤气体采集便携装置包括气体收集箱和气体抽取装置，气体收集箱包括顶盖、采集箱和底座，顶盖包括顶板和呈圆柱状的第一筒体，顶板密封于第一筒体的上端，第一筒体的内部设有第一活塞，顶板的中心设有一通孔，一细绳的一端固定于第一活塞的中心，细绳的另一端穿过该通孔与一配重块连接，顶板上还设有立柱，立柱的上端设有定滑轮，细绳架设于定滑轮上，配重块受到的重力等于第一活塞受到的重力、第一活塞和第一筒体的内壁之间的摩擦力、细绳和定滑轮之间的摩擦力之和；采集箱为呈圆柱状的筒体，第一筒体的下端与采集箱的上端密封连接，采集箱的侧壁上穿过一抽气管，抽气管和气体抽取装置连接；采集箱的内部设有用于扰动气体的风扇；底座包括上底座和下底座，上底座和下底座也为呈圆柱状的筒体，上底座的上端面设有第一环形槽，采集箱的下端密封地插入第一环形槽中，上底座的下部外侧设有球台状的第一环形凸起；下底座上部的内侧设有球台状的第二环形槽，第一环形凸起密封且可转动地嵌入第二环形槽中，下底座下端的外侧为楔形面以便于底座插入土壤。

本发明用于土壤呼吸通量的观测，在气体采集过程中，通过第一活塞的上下移动使得采集箱内外压力平衡，可以减少采集箱内压力变化对土壤气体排放量的影响，保证观测精度，缩短观测时间，采样面积小、密封性能好。通过将底座设计为角度可调的上底座和下底座，本发明还可用于具有一定角度的坡面环境。此外，本发明还具有取材方便、易于拆卸和携带、操作简单、精度高等优点，适合于实验室和田间野外的气体通量的采集和观测，可用于田间试验、盆栽试验、温室控制试验和坡面环境。

附图说明

图1为本发明优选实施例的气体收集箱的结构示意图；

图2为本发明优选实施例的气体抽取装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1和图2分别示出了本发明优选实施例的气体收集箱、气体抽取装置5的适宜性结构，如图示，气体收集箱包括顶盖1、采集箱3和底座7。顶盖1包括顶板11和呈圆柱状的第一筒体12，顶板11密封于第一筒体12的上端。顶盖1可以使用PVC材料制作，第一筒体12的长度可以根据需要设计为不同的长度，例如通常一次性气体采样量为10ml时，可以将第一筒体12的长度设计为20mm，如果通常一次性气体采样量为50ml，可以将第一筒体12的长度设计为100mm。第一筒体12的内部设有第一活塞2，顶板11上的中心设有一通孔（未标记），直尺21的一端垂直地固定于第一活塞2的中心，直尺21的另一端穿过该通孔并连接于细绳24的一端，细绳24的另一端与配重块26连接。立柱22垂直地固定于顶板11上，立柱22的上端设有定滑轮23，细绳24架设于定滑轮23上，配重块26受到的重力等于第一活塞2受到的重力、第一活塞2和第一筒体12的内壁之间的摩擦力、细绳24和定滑轮23之间的摩擦力之和，这样可以使配重块26始终处于平衡状态，若采集箱3中的气压发生变化，第一活塞2立即发生上下移动，配重块26将随之移动。直尺21则可以反映出第一活塞2移动的距离。进一步地，可以在直尺21的一侧设置突起，突起上设置刻度，使直尺21与其旁边的突起形成类似于游标卡尺的精密读数装置，精度至少可达0.1mm。

野外使用时，风吹可能导致配重块26摆动，因此本优选实施例设置了第一导向管25，第一导向管25垂直地固定于顶板11上，配重块26位于第一导向管25中，配重块26的外形和第一导向管25的内壁吻合，第一活塞2上下移动时，即使外界有风吹，第一导向管25也可以防止配重块26摆动。为了使第一活塞2和配重块26严格地进行竖直方向的移动，需要使顶盖1和采集箱3的轴线垂直于水平面，为了便于观察顶盖1和采集箱3的轴线是否垂直于水平面，顶板11上还设有气泡水平仪111。

采集箱3为呈圆柱状的筒体，第一筒体12的下端内侧设有精密的内螺纹121，采集箱3的上端外侧设有精密的外螺纹31，内螺纹121和外螺纹啮合，从而实现第一筒体12与采集箱3的密封连接。采集箱3的侧壁上穿过一抽气管51，抽气管51和气体抽取装置5连接。为了提高抽取气体的效率，抽气管51的端口固定于一球面板50的中心圆孔。在其他实施例中，第一筒体12与采集箱3之间也可以使用密封圈进行密封连接。

另外，采集箱3的内部设有用于扰动气体的风扇65、66，以使得土壤释放的气体与采集箱3中的气体均匀混合。为了实时检测采集箱3中的气体温度，采集箱3中设有温度传感器4，温度传感器4通过信号线41向外输出温度信号。

底座7包括上底座71和下底座73，上底座71和下底座73也为呈圆柱状的筒体。上底座71的上部外侧设有一个截面呈L形的环体70，环体70与上底座71的外侧壁围合形成第一环形槽701。第一环形槽701中设有环形垫片702，这样采集箱3的下端插入第一环形槽701（或者说环形垫片702）中时，采集箱3的下端和第一环形槽701之间的密封性得到加强，并且稳定性提升。而在现有技术中，第一环形槽701中注满水，然后将采集箱3的下端插入第一环形槽中，这样仅可以采集平坦地面的土壤释放的温室气体，对于具有一定坡度的地形，则无法采集。为了使得本优选实施例可以更方便地应用于具有一定坡度的地形，上底座71的下部外侧设有球台状的第一环形凸起72，也即第一环形凸起72的外部轮廓呈球台状；下底座73上部的内侧设有球台状的第二环形槽730，也即第二环形槽730内壁的轮廓呈球台状。第一环形凸起72密封且可转动地嵌入第二环形槽730中，这样第一环形凸起72和第二环形槽730之间可以实现万向节的效果，根据需要调整上底座71和下底座73之间的夹角，通过观察气泡水平仪111，始终使顶盖1和采集箱3的轴线垂直于水平面，进而使第一活塞2和配重块26严格地进行竖直方向的移动，不发生偏离。

通过调整上底座71和下底座73之间的夹角，使顶盖1和采集箱3的轴线垂直于水平面时，为了防止上底座71和下底座73之间的夹角发生改变，本优选实施例还包括穿过下底座73上部的固定螺栓75，固定螺栓75的内端抵接于第一环形凸起72，调整上底座71和下底座73之间的夹角之后，拧紧固定螺栓75，使固定螺栓75紧紧地抵住第一环形凸起72，就可以固定上底座71和下底座73之间的相对位置。

另外，下底座73下端的外侧为楔形面74以便于下底座73插入土壤。

进一步地，在本优选实施例中，上底座71的内外环高度不同，内环高度长于外环可保证观测土体不致漏气，夯入和取出底座7相对容易，且圆形的下底座73夯入土壤后，下底座73的内壁与土壤的契合性比传统的方形底座更好，保证观测的微环境扰动更小。

在本优选实施例中，风扇65、66为两个，两个风扇65、66分别设于一驱动杆64的两端，为了简化附图，驱动杆64的支撑结构未示出。驱动杆64的中部固定一齿轮63，齿条62与齿轮63啮合，齿条62的一端穿过采集箱3的侧壁，且采集箱3上设有套设在齿条62外部的软套61。齿条62的另一端与滑块69连接，滑块69可滑动地设于第二导向管67中，第二导向管67的一端固定于采集箱3的内壁，滑块69和采集箱3的内壁之间设有弹簧68。在应用时，按压软套61，齿条62受压，驱动齿轮63转动，齿轮63带动驱动杆64及两个风扇65、66转动，同时齿条62推动滑块69移动，并挤压弹簧68。接着，松开软套61，弹簧68复位，释放能量，推动齿条62反方向移动，齿条62直接或间接驱动齿轮63、驱动杆64和两个风扇65、66反方向移动。

如图2所示，本优选实施例中，气体抽取装置5包括第一接头53、第二接头54、抽气筒。第一接头53呈圆柱形，第二接头54的一端设有深槽（未标记），第一接头53紧密地插入深槽中。第一接头53中设有沿第一接头53的轴向设置的第一气流通道531、第二气流通道532，第一气流通道531的一端与抽气管51的一端口510连接，第二气流通道532的一端与一管道52的端口520连接，管道52的另一端用于与气体存储装置或气体分析装置连接。第二接头54中设有第三气流通道541。转动第一接头53时，第一气流通道531、第二气流通道532能够与第三气流通道541的同一端分别对应，也即，第一气流通道531的端口533与第三气流通道541的端口542对应时，第二气流通道532的端口534紧紧的抵接在深槽的底部与外界隔绝；第二气流通道532的端口534与第三气流通道541的端口542对应时，第一气流通道531的端口533紧紧的抵接在深槽的底部与外界隔绝。抽气筒包括圆筒56、第二活塞57和手柄58，第二活塞57与手柄58连接，第二活塞57可滑动地设于圆筒56中，第三气流通道541的另一端口543通过管道55连接于圆筒56。

当需要从采集箱3抽取气体时，将第一气流通道531的端口533与第三气流通道541的端口542对应，通过手柄58向外拉动第二活塞57。通过管道52输出气体时，转动第一接头53，将第二气流通道532的端口534与第三气流通道541的端口542对应，推动手柄58，驱动第二活塞57排出圆筒56中的气体。当需要在圆筒56中保存气体时，转动第一接头53，将第三气流通道541的端口542旋转至第一气流通道531的端口533、第二气流通道532的端口534之间，使第三气流通道541的端口542的处于堵塞密封状态。

为了防止经常使用之后，第一接头53从第二接头54的深槽中脱落，或者第一接头53和第二接头54的深槽侧壁、底面之间产生间隙，在本优选实施例中，第一接头53的侧壁上设有环形浅槽535，深槽的内壁上设有第二环形凸起544，第二环形凸起544嵌入环形浅槽535中。

在应用本优选实施例时，将下底座73夯入土壤中，尽量保证上底座71的上表面水平，否则就需要松开固定螺栓75，转动上底座73，调整上底座71和下底座73之间的角度，待上底座71的上表面水平时，拧紧固定螺栓75，这样本优选实施例不但可以应用于平坦地面，而且可以应用于具有一定坡度的土壤。

接着，将顶盖1套在采集箱3上，通过上下移动配重块26，调节好采集箱3的体积，为进一步避免顶盖1漏气，可在顶盖3下缘涂抹适当的凡士林或加装密封圈。

然后，将采集箱3嵌套在上底座71的第一环形槽701中，保证采集箱3下缘与环形垫片702密封接触，且采集箱3与地面垂直。可采用加装密封圈或涂抹凡士林的方式进行再次密封。

接着，按压软套61，使风扇65、66搅动气体，使第一气流通道531的端口533与第三气流通道541的端口542对应，轻轻抽拉手柄58。若将抽取的气体通过管道52输送至气体存储装置，则可以在此后每隔一定时间间隔抽取一定体积的气体。若仅抽取一次气体，则在抽取之后，拆卸抽气管51即可。

综上所述，本发明针对目前普通土壤温室气体采样装置便携性、移动性较差的问题，提供一种便携式土壤温室气体采集装置，其包括用于气压调整的活塞、配重块等以及可以调整夹角的上底座和下底座。实验表明，本发明具有便携性强、结构精巧、气密性良好、对土壤的扰动少、适应地形广等优点，采样过程中可以保持采样箱内压力基本不变，非常适合在野外田间、坡面、温室大棚及盆栽环境中进行原位、多点测量。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种压力平衡式土壤气体采集便携装置，其特征在于，包括气体收集箱和气体抽取装置（5），气体收集箱包括顶盖（1）、采集箱（3）和底座（7），顶盖（1）包括顶板（11）和呈圆柱状的第一筒体（12），顶板（11）密封于第一筒体（12）的上端，第一筒体（12）的内部设有第一活塞（2），顶板（11）的中心设有一通孔，一细绳（24）的一端固定于第一活塞（2）的中心，细绳（24）的另一端穿过该通孔与一配重块（26）连接，顶板（11）上还设有立柱（22），立柱（22）的上端设有定滑轮（23），细绳（24）架设于定滑轮（23）上，配重块（26）受到的重力等于第一活塞（2）受到的重力、第一活塞（2）和第一筒体（12）的内壁之间的摩擦力、细绳（24）和定滑轮（23）之间的摩擦力之和；

采集箱（3）为呈圆柱状的筒体，第一筒体（12）的下端与采集箱（3）的上端密封连接，采集箱（3）的侧壁上穿过一抽气管（51），抽气管（51）和气体抽取装置（5）连接；采集箱（3）的内部设有用于扰动气体的风扇（65，66）；

底座（7）包括上底座（71）和下底座（73），上底座（71）和下底座（73）也为呈圆柱状的筒体，上底座（71）的上端面设有第一环形槽（701），采集箱（3）的下端密封地插入第一环形槽（701）中，上底座（71）的下部外侧设有球台状的第一环形凸起（72）；下底座（73）上部的内侧设有球台状的第二环形槽（730），第一环形凸起（72）密封且可转动地嵌入第二环形槽（730）中，下底座（73）下端的外侧为楔形面（74）以便于下底座（73）插入土壤。

2.根据权利要求1的压力平衡式土壤气体采集便携装置，其特征在于，还包括直尺（21），直尺（21）的一端垂直地固定于第一活塞（2）的中心，直尺（21）的另一端穿过该通孔并连接于细绳（24）的一端。

3.根据权利要求1的压力平衡式土壤气体采集便携装置，其特征在于，还包括第一导向管（25），第一导向管（25）垂直地固定于顶板（11）上，配重块（26）位于第一导向管（25）中以防止配重块（26）受风吹而摆动。

4.根据权利要求1的压力平衡式土壤气体采集便携装置，其特征在于，顶板（11）上还设有气泡水平仪（111）。

5.根据权利要求1的压力平衡式土壤气体采集便携装置，其特征在于，第一环形槽（701）中设有环形垫片（702）以增加采集箱（3）的下端和第一环形槽（701）之间的密封性。

6.根据权利要求1的压力平衡式土壤气体采集便携装置，其特征在于，风扇（65，66）为两个，两个风扇（65，66）分别设于一驱动杆（64）的两端，驱动杆（64）的中部固定一齿轮（63），一齿条（62）与齿轮（63）啮合，齿条（62）的一端穿过采集箱（3）的侧壁，且采集箱（3）上设有套设在齿条（62）外部的软套（61），齿条（62）的另一端与一滑块（69）连接，滑块（69）可滑动地设于一第二导向管（67）中，第二导向管（67）的一端固定于采集箱（3）的内壁，滑块（69）和采集箱（3）的内壁之间设有一弹簧（68）。

7.根据权利要求1的压力平衡式土壤气体采集便携装置，其特征在于，采集箱（3）中还设有温度传感器（4）。

8.根据权利要求1的压力平衡式土壤气体采集便携装置，其特征在于，气体抽取装置（5）包括第一接头（53）、第二接头（54）、抽气筒，第一接头（53）呈圆柱形，第二接头（54）的一端设有深槽，第一接头（53）紧密地插入该深槽中，第一接头（53）中设有沿第一接头（53）的轴向设置的第一气流通道（531）、第二气流通道（532），第一气流通道（531）的一端与抽气管（51）连接，第二接头（54）中设有第三气流通道（541）；转动第一接头（53）时，第一气流通道（531）、第二气流通道（532）能够与第三气流通道（541）的同一端分别对应；抽气筒包括圆筒（56）、第二活塞（57）和手柄（58），第二活塞（57）与手柄（58）连接，第二活塞（57）可滑动地设于圆筒（56）中，第三气流通道（541）的另一端通过管道（55）连接于圆筒（56）。

9.根据权利要求8的压力平衡式土壤气体采集便携装置，其特征在于，第一接头（53）的侧壁上设有环形浅槽（535），深槽的内壁上设有第二环形凸起（544），第二环形凸起（544）嵌入环形浅槽（535）中。

10.根据权利要求1的压力平衡式土壤气体采集便携装置，其特征在于，还包括穿过下底座（73）上部的固定螺栓（75），固定螺栓（75）的内端抵接于第一环形凸起（72）以固定上底座（71）和下底座（73）之间的相对位置。

Images