CN103383318B - 土壤中二氧化碳气体采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种土壤中二氧化碳气体采集装置，该装置包括用于搜集土壤中释放的二氧化碳气体的气室罩和用于抽采所述气室罩中气体的储气瓶；所述气室罩底部敞口，顶部连接有采气管，所述采气管底部与所述气室罩内部连通，且采气管上可拆卸地安装有第一阀门；所述储气瓶底部具有导管，所述导管上安装有第二阀门，所述导管与所述第一阀门可拆卸地连接，所述储气瓶上设有抽气管、压力表、温度计和密封塞，所述抽气管上设有第三阀门。本发明提供的气体采集装置结构简单紧凑、操作简便、制作成本低、易于携带、便于野外采样、可采集不同深度土壤中释放的CO₂气体。

Description

土壤中二氧化碳气体采集装置

技术领域

本发明涉及气体样品采集技术，尤其涉及一种土壤中二氧化碳气体采集装置。

背景技术

土壤中CO₂的释放是陆地生态系统碳循环的重要组成部分。全球土壤是一个巨大的碳库，其碳贮量约为1500Pg，1Pg=10¹⁵g，分别是陆地植被和大气的两倍和三倍。据估计，全球土壤每年向大气释放碳68～77Pg，是化石燃料排放碳量的十倍以上。土壤CO₂的释放即使发生较小的变化也会等于或超过由于土地利用改变和（或）化石燃料燃烧而进入大气的CO₂年输入量。

全球气候变化,特别是由于温室气体引起的气候变暖已受到了全世界的广泛关注。正是由于人类的活动，包括对土壤的破坏，导致CO₂通量的变化，人类活动是大气中CO₂浓度急剧上升和地球变暖的重要原因。

CO₂在土壤这种多孔介质中传输的特性使得精确测量土壤CO₂通量非常困难。CO₂的传输只有在存在浓度梯度（扩散）和压力梯度（质量流量）的条件下才发生。目前，在实验室和野外条件下最常用土壤CO₂气体的采集方法有动态气室法、静态气室法、气相色谱法等等，这些土壤CO₂气体采集方法，存在野外便携性差、仪器成本价值高等局限性，特别是仅限于采集地表土壤及植被气体的释放，不能够采集和观测土壤不同深度处CO₂气体释放特征，也不便于推算土壤CO₂气体释放速率和通量，因此，研制一套便携性强、造价低，适用于野外不同深度土壤CO₂气体采集装置，对于研究土壤CO₂气体释放特征和机理，推算土壤CO₂气体释放速率和通量，探讨土壤CO₂排放对全球气候变化影响具有重要的意义。

发明内容

本发明提供一种土壤中二氧化碳气体采集装置，用于克服现有技术中的 缺陷，便于采集不同深度土壤中的二氧化碳气体，并能够为土壤中二氧化碳的释放速率和通量提供检测参数，结构简单，成本较低且便于携带。

本发明提供一种土壤中二氧化碳气体采集装置，该装置包括用于搜集土壤中释放的二氧化碳气体的气室罩和用于抽采所述气室罩中气体的储气瓶；所述气室罩底部敞口，顶部连接有采气管，所述采气管底部与所述气室罩内部连通，且采气管上可拆卸地安装有第一阀门；所述储气瓶底部具有导管，所述导管上安装有第二阀门，所述导管与所述第一阀门可拆卸地连接，所述储气瓶上设有抽气管、压力表、温度计和密封塞，所述抽气管上设有第三阀门。

其中，所述气室罩底部设有橡胶套。

进一步地，所述导管与所述储气瓶一体成形。

其中，所述采气管与所述气室罩之间螺纹连接。

其中，所述第一阀门安装在所述采气管顶部，所述第一阀门一端与所述采气管螺纹连接，所述第一阀门另一端与所述导管螺纹连接。

进一步地，所述导管内放置有干燥剂。

特别是，所述气室罩为半球形容器，该半球形容器的平面部分形成所述气室罩底面。

本发明提供的土壤中二氧化碳气体采集装置，采集气体前一天，将气室罩与采气管安装好并预先埋设于土壤中，以尽可能减少由于安装气室罩对土壤的扰动。在实验室中预先将储气瓶内抽成真空，并记录压力表读数，并将内部真空状态的储气瓶带到野外，将第一阀门安装到采气管上，再将储气瓶底部的导管与第一阀门连接，打开第一阀门与第二阀门，由于气室罩与储气瓶之间具有压差，气室罩内的气体自然向储气瓶内流动，到规定的时间，关闭第一阀门与第二阀门，再次记录压力表读数和温度计读数，根据计算公式能得到标准状态下采样体积，在实验室中通过试验能够获得CO₂总量及CO₂气体浓度，进而推算出土壤CO₂气体的释放速率，估算出土壤释放CO₂的通量，结构简单紧凑、操作简便、制作成本低、易于携带、便于野外采样、可采集不同深度土壤中释放的CO₂气体。

附图说明

图1为本发明实施例提供的气体采集装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的气体采集装置的使用状态示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明实施例提供一种土壤中二氧化碳气体采集装置，该装置包括用于搜集土壤中释放的二氧化碳气体的气室罩1和用于抽采气室罩1中气体的储气瓶2；气室罩1底部敞口，顶部连接有采气管3，采气管3底部与气室罩1内部连通，且采气管3上可拆卸地安装有第一阀门10；储气瓶2底部具有导管4，导管4上安装有第二阀门20，导管4与第一阀门10可拆卸地连接，储气瓶2上设有抽气管21、压力表22、温度计23和密封塞24，抽气管21上设有第三阀门30。

使用前，在野外根据需采集的土壤深度，选择适合长度的采气管3，采气管3与气室罩1之间优选为螺纹连接，安装方便，且密封性较好，采气管3与气室罩1上方的内螺纹连接到一块，并在连接处涂上密封玻璃胶，组装好后，将气室罩1与采气管3提前一天进行预埋，用土壤填埋气室罩1至气室罩1与采气管3连接处上方，尽可能减少人为活动对土壤扰动，隔绝气体泄露。

在实验室内将第二阀门20关闭，将抽气管与真空泵连通，打开抽气管21上的第三阀门30，将储气瓶2内的气体压力抽到-0.08Mpa以下，关上第三阀门30，记下此时的压力表22读数P1，将储气瓶2带到野外现场后，将储气瓶2与事先预埋好的气体采集装置通过第一阀门连接，这里的第一阀门为一两通阀，该两通阀一端与采气管可拆卸地连接，另一端与储气瓶的导管可拆卸地连接；采气管3与导管4之间可以采用螺纹连接，并在连接处涂上密封玻璃胶，然后，分别打开第一阀门10和第二阀门20，当达到所需的气体采集时间时，关闭第一阀门10和第二阀门20，记下采样后压力表22读数P2和温度计读数t，需要再次采集气体时，将另一准备好的储气瓶的导管连接在第一阀门上，并打开第一阀门和第二阀门，记录采气时间，达到所需的气体采集时间时，关闭第一阀门10和给储气瓶上的第二阀门，并记录采样参数；第一阀门10、第二阀门20和第三阀门30均可采用手动阀门，第一阀门为二通阀，标准状态下采样体积Vn用下面的气体计算公式计算：

$\mathrm{Vn}=\frac{(P2-P1)\×V\×273}{\mathrm{Ps}\×(273+t)}$

Vn－标准状态下采样体积，单位L；

P1－采样前储气瓶内压力，单位Kpa；

P2－采样后储气瓶内压力，单位Kpa；

Ps－标准大气压，单位Kpa；

t－储气瓶内平均温度，单位℃；

V－储气瓶体积，单位L。

从公式可看出，标准状态下采样体积Vn只与采样前后压力P1、P2及储气瓶内平均温度t和标准大气压Ps有关，而与采样时间、环境大气压无关。

利用本发明，完成土壤CO₂气体采集后，将储气瓶2带回实验室，可利用针管注射器通过密封塞24将NaOH或KOH溶液注入储气瓶2内摇匀，待吸收结束后用稀HCl滴定NaOH或KOH，进而计算出在碱溶液吸收剂中的CO₂总量。也可用注射器通过密封塞5抽取储气瓶2内CO₂气体样品，再将注射器插入到气相色谱或红外气体分析仪注射口内，分析其CO₂气体浓度。根据土壤CO₂气体浓度、采集时间、采集体积、气室罩接触的土壤面积，进而推算出土壤CO₂气体的释放速率，估算出土壤释放CO₂的通量。

本发明实施例提供的气体采集装置采样时无需电源；结构简单紧凑、操作简便、制造成本低、气体计量准确；可实现持续的对土壤中释放的CO₂气体进行采集；也可带回实验室通过碱溶液吸收法、气相色谱或红外气体分析仪计算测定土壤释放CO₂浓度，易于携带、便于野外采样、可采集不同深度土壤中释放的CO₂气体，能完成对森林、山地、草原和人工重构土壤的不同深度CO₂气体的采集。

为了进一步地增加气室罩与土壤之间的密封性，气室罩底部设有橡胶套11，以增强密封效果。

为了方便操作，第一阀门10安装在采气管3顶部，第一阀门10一端与采集管螺纹连接，另一端与导管4之间螺纹连接。

为了除去采集在气室罩1内的水份，提高测试的准确率，在导管4内放置有干燥剂5。

为了能够使气室罩1底部更加稳定的放置于土壤内，防止气室罩和采气管倾斜或歪倒，气室罩1为半球形容器。将气室罩插入至土壤中时，由于半 球形容器能够倒扣插入土壤中，并将土壤围置与其内部并与气室罩充分接触，从而增加了气室罩与采气管的稳定性，并可更加准确的将气室罩内土壤释放的二氧化碳气体搜集在采气管中。与土壤接触面积较大，并且稳定性较高，同时顶部收缩易于气体向采气管内流通。气室罩的容积可根据测试需要进行设置。

储气瓶为硬塑料或玻璃材质；两通阀为硬塑料，且上下口设有内螺纹；采气管和气室罩为硬塑料或轻质铝合金；上述材质适宜于长时间埋设于野外，不受腐蚀，同时，成本也较低，并能满足使用要求；储气瓶和两通阀、采气管、气室罩的连接部位均涂玻璃胶密封；采气管的长度可根据采样需要设计长度，采样管上设有刻度，且上下口设有外螺纹；储气瓶为球形，气室罩为半球形，储气瓶的直径与气室罩的直径相等并与采气管的直径比例为5:1，便于参数的计算。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种土壤中二氧化碳气体采集装置，其特征在于，该装置包括用于搜集土壤中释放的二氧化碳气体的气室罩和用于抽采所述气室罩中气体的储气瓶；所述气室罩底部敞口，顶部连接有采气管，所述采气管底部与所述气室罩内部连通，且采气管上可拆卸地安装有第一阀门；所述储气瓶底部具有导管，所述导管上安装有第二阀门，所述导管与所述第一阀门可拆卸地连接，所述储气瓶上设有抽气管、压力表、温度计和密封塞，所述抽气管上设有第三阀门。

2.根据权利要求1所述的土壤中二氧化碳气体采集装置，其特征在于，所述气室罩底部设有橡胶套。

3.根据权利要求1所述的土壤中二氧化碳气体采集装置，其特征在于，所述导管与所述储气瓶一体成形。

4.根据权利要求1所述的土壤中二氧化碳气体采集装置，其特征在于，所述采气管与所述气室罩之间螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的土壤中二氧化碳气体采集装置，其特征在于，所述第一阀门安装在所述采气管顶部，所述第一阀门一端与所述采气管螺纹连接，所述第一阀门另一端与所述导管螺纹连接。

6.根据权利要求1-5任一所述的土壤中二氧化碳气体采集装置，其特征在于，所述导管内放置有干燥剂。

7.根据权利要求6所述的土壤中二氧化碳气体采集装置，其特征在于，所述气室罩为半球形容器。