CN104374901A

CN104374901A - 多功能小型碳汇测量同化箱装置

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Publication number: CN104374901A
Application number: CN201410640610.8A
Authority: CN
Inventors: 陈爱军; 郭明明; 李东升; 叶兰芝; 冷国强; 林昊然
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2034-11-13
Also published as: CN104374901B

Abstract

本发明公开了一种多功能小型碳汇测量同化箱装置。本发明中箱体为圆柱型，分成顶盖、上箱体、下箱体、底板四个部分。制冷系统中，换热器安装在下箱体内箱壁上，其进出水端口接通水嘴接头后与通水管道相连，通水管道与水箱相连。气体调节系统中，通气管道由进气阀门、排气阀门和PVC管构成，分为进气管道和排气管道；鼓风机与进气管道相连，排气管道安装在箱体另一侧；气泵与环形气孔管道相连。浇灌系统中，水箱与通水管道相连，通水管道与环形滴头相连。监测系统中，监测控制单元通过信号管道、航空接头与箱内的传感器相连，传感器安装在传感器支架上。本发明在气体交换时不会对短期的气体波动做出敏感反应，具有密闭性好，自动化程度高优点。

Description

多功能小型碳汇测量同化箱装置

技术领域

本发明涉及一种碳汇同化箱装置，尤其是涉及一种多功能小型碳汇测量同化箱装置。

背景技术

全球气候变化问题日益突出，它将导致生态系统退化、自然灾害频发等全球性灾难，直接威胁到人类的生存和发展。其中温室效应是引起全球气候变化的一个重要原因，而二氧化碳的过量排放是引起温室效应的主要原因，因此在经济发展的同时降低经济增长所带来的二氧化碳排放量，探索低碳发展道路已经成为全球共识。

森林碳汇是指森林植物吸收大气中的CO₂并将其固定在植被或土壤中，从而减少该气体在大气中的浓度。碳汇计量是对森林碳汇能力的评价。国内外研究学者对森林碳汇计量进行了大量的研究，目前森林碳汇计量的主要方法有：样地清查法、涡度相关法。样地清查法计量误差大，只能静态测量，凭经验选取经验值或换算因子，容易忽视其他因素；涡度相关法系统复杂，数据处理繁琐，对仪器精度和操作人员要求高。为了克服以上方法的缺点，有学者提出了箱式法：将被测植物及其所需的生长环境密封在箱体中，通过测定单位时间箱体内气体浓度的变化来研究植物的碳汇量。早在上世纪70年代日本武田友四郎研制的大型同化箱用于测定水稻的光合作用。美法等发达国家在上世纪70～80年代已应用红外线吸收法和小封闭室技术（类似于小型同化箱）测定森林群落CO₂浓度变化，来推算群落总呼吸量。也有学者采用透明箱，测定生态系统与大气间的CO₂交换量。国内利用大型同化箱测定草原群落的光合、呼吸作用。但这些同化箱只适用于平坦地区的农田及草原，不适合在森林生态系统中应用。传统的同化箱装置主要由金属框架和透明塑料膜构成，未能充分考虑箱内外的温度、气体流动等环境差异，属于开路或半开路式系统，箱体存在密封效果不佳的缺点。此外，传统的箱式法参数测定需要人工操作，难以长期连续自动观测。

发明内容

针对传统同化箱装置的不足，本发明提供了一种碳汇测量精度较高、自动化程度高、操作方便的多功能小型碳汇测量同化箱装置。

为实现以上技术目的，本发明所采用的技术方案是：

该系统由同化箱箱体、制冷系统、气体调节系统、浇灌系统、监测系统五个部分组成。

所述同化箱箱体为圆柱形，由顶盖、上箱体、下箱体、底板四大部分组成。利用金属锁扣和密封条分别将上箱体与下箱体以及下箱体与底板紧密的连接在一起，既方便箱体的安装和拆卸，也保证了箱体的密闭性；利用金属锁扣将底板固定在推车上，保证设备移动或实验过程中的稳固性；箱体材料选用透光率高、散热性好的亚克力板。

所述制冷系统包括换热器、水箱、冷水机。将两个换热器安装在下箱体内箱壁，其进出水端口接通铜质水嘴接头后与通水管道一端相连，通水管道另一端与水箱相连，水箱与冷水机相连，构成一个完整的制冷系统。本方案采用水冷循环的降温方法，即利用冷水机送出的冷水在换热器中流动带走热量，又回到冷水机中，经过处理后又变为冷水，如此循环，使箱内外温度一致。换热器散热功率高达1000W，能很好地解决同化箱箱内温度过高的问题。

所述气体调节系统包括气泵、排气管道、环形气孔管道、进气阀门、排气阀门、进气管道、鼓风机。本方案中设计了两个通气管道，一个是进气管道，一个是排气管道，由进气阀门和排气阀门分别与PVC管连接构成；气泵与环形气孔管道相连用于箱内气体混匀，鼓风机与进气管道相连，结合排气管道用于箱体内外气体交换。

所述灌溉系统包括水箱、通水管道、环形滴头。水箱与通水管道相连，再连接环形滴头，构成完整的浇灌系统，保证了水分、养料直接均匀地施到被测植物根系层，较准确地实现了自动控制灌水量。

所述监测系统包括航空接头、监测控制单元、信号管道、橡胶手套、传感器支架、光照度传感器、CO₂浓度传感器、温湿度传感器、树径传感器、叶厚传感器、精密电子秤。监测控制单元通过信号管道、航空接头与箱内光照度传感器、CO₂浓度传感器、温湿度传感器、树径传感器、叶厚传感器、精密电子秤相连，各传感器安装在传感器支架上。其中环境参数精密测量仪用于测量箱内的环境参数，即光照度、CO₂浓度、温湿度；通过气体调节系统改变箱内的主要环境参数使之与箱外的大气环境相似；再通过植物参数精密测量仪测量树径变化量、叶片厚度、植物重量。另外，在下箱体内箱壁上安装了橡胶手套作为系统的辅助设备，以便于调整箱内被测植物或传感器位置。

本发明的有益效果是：具有较高测量精度，可得到较为可靠的测量数据，且移动方便，便于测量者选取不同的测量地点；可实现独立自主地参数测量并存储，无需操作人员在场操作，自动化程度高；所有系统利用移动电源供电，具有轻便、小巧，便于移动使用的优点。

附图说明

图1为多功能小型碳汇测量同化箱装置的示意图。

图中：1、橡胶手套；2、CO₂浓度传感器；3、温湿度传感器；4、进气管道；5、鼓风机；6、光照度传感器；7、树径传感器；8、叶厚传感器；9、顶盖；10、传感器支架；11、被测植物；12、上箱体；13、排气管道；14、下箱体；15、通水管道；16、第一水箱；17、冷水机；18、第二水箱；19、换热器；20、精密电子秤；21、气泵；22、底板；23、监测控制单元。

图2为同化箱箱体的主视图。

图中：9、顶盖；12、上箱体；14、下箱体；22、底板；24、密封条；25、金属锁扣。

图3为制冷系统结构图。

图中：17、冷水机；18、第二水箱；19、第一换热器；26、第二换热器。

图4为气体调节系统示意图。

图中：4、进气管道；5、鼓风机；9、顶盖；12、上箱体；13、排气管道；14、下箱体；21、气泵；22、底板；27、排气阀门；28、环形气孔管道；29、进气阀门。

图5为监测及灌溉系统示意图。

图中：1、橡胶手套；2、CO₂浓度传感器；3、温湿度传感器；6、光照度传感器；7、树径传感器；8、叶厚传感器；9、顶盖；10、传感器支架；11、被测植物；12、上箱体；14、下箱体；15、通水管道；16、第一水箱；20、精密电子秤；22、底板；23、监测控制单元；30、信号管道；31、环形滴头；32、航空插头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，为多功能小型碳汇测量同化箱装置的示意图，呈现了同化箱装置的连接方式。本装置包括同化箱箱体、制冷系统、气体调节系统、浇灌系统、监测系统五个部分。将单株被测植物置于同化箱内的精密电子秤上，利用金属锁扣将其密闭；利用浇灌系统为植株提供充足的养料和水分；整个装置由CO₂浓度传感器、温湿度传感器、光照度传感器实时监测同化箱内的环境参数，即CO₂浓度、温湿度、光照度；通过气体调节系统改变箱内的主要环境参数使之与箱外的大气环境相似；再利用树径传感器、叶厚传感器、精密电子秤实时测量树径变化量、叶片厚度、植物重量，从而结合植物的主要生理参数和环境参数研究植物微观林木的碳汇机理，探索关键参数的量值的溯源路径。

以下结合图2、图3、图4、图5对同化箱装置进行详细阐述。

如图2所示，同化箱箱体为圆柱形，由顶盖9、上箱体12、下箱体14、底板22四大部分组成。利用密封条24和4个金属锁扣25将上下箱体紧密的连接在一起，4个金属锁扣25连接下箱体14与底板22，方便箱体的安装和拆卸，也保证了箱体的密闭性；再利用4个金属锁扣25将底板22固定在推车上，保证设备移动或实验过程中的稳固性；箱体材料选用透光率高、散热性好的亚克力板。

如图3所示，制冷系统包括第一换热器19、第二换热器26、第二水箱18、冷水机17。将第一换热器19和第二换热器26安装在下箱体内箱壁上，其进出水端口接通铜质水嘴接头后与通水管道相连，通水管道与第二水箱18相连，第二水箱18与冷水机17相连，构成一个完整的制冷系统。本方案采用水冷循环的降温方法，即利用冷水机17送出的冷水在第一换热器19和第二换热器26中流动带走热量，又回到冷水机17中，经过处理后又变为冷水，如此循环，使箱内外温度一致。

如图4所示，气体调节系统包括气泵21、排气管道13、环形气孔管道28、进气阀门29、排气阀门27、进气管道4、鼓风机5。本方案中设计了两个通气管道，一个是进气管道4，一个是排气管道13，由进气阀门29和排气阀门27分别与PVC管构成；气泵21与环形气孔管道28相连用于箱内气体混匀，鼓风机5与进气管道4相连，结合排气管道13用于箱体内外气体交换。

如图5所示，包含了浇灌系统和监测系统。其中浇灌系统包括第一水箱16、通水管道15、环形滴头31、被测植物11。第一水箱16与通水管道15相连，再连接环形滴灌头31，构成完整的浇灌系统，保证了水分、养料直接均匀地施到被测植物11根系层，较准确地实现了自动控制灌水量。监测系统包括航空接头32、监测控制单元23、信号管道30、传感器支架10、CO₂浓度传感器2、温湿度传感器3、光照度传感器6、树径传感器7、叶厚传感器8、精密电子秤20。监测控制单元23通过信号管道30、航空接头32与箱内CO₂浓度传感器2、温湿度传感器3、光照度传感器6、树径传感器7、叶厚传感器8、精密电子秤20相连，各传感器安装在传感器支架10上。其中环境参数精密测量仪用于测量箱内的环境参数，即光照度、CO₂浓度、温湿度；通过比较箱内外环境参数适时调整箱内所测参数，使箱内外的环境相似；再通过植物参数精密测量仪测量树径变化量、叶片厚度、植物重量。另外，在下箱体内箱壁上安装了橡胶手套1作为系统的辅助设备，以便于调整箱内被测植物11和传感器位置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims

1. 多功能小型碳汇测量同化箱装置，包括箱体、制冷系统、气体调节系统、浇灌系统、监测系统；其特征在于：单株被测植物置于同化箱内的精密电子秤上，利用金属锁扣和密封条将同化箱箱体固定并密封；利用浇灌系统为被测植物提供充足的养料和水分；整个装置由监测系统中的CO₂浓度传感器、温湿度传感器、光照度传感器实时监测同化箱内的环境参数，即CO₂浓度、温湿度、光照度；通过制冷系统和气体调节系统改变箱内的主要环境参数使之与箱外的大气环境相似；利用监测系统中的树径传感器、叶厚传感器、精密电子秤实时测量植物的主要生理参数，包括树径变化量、叶片厚度、植物重量，结合植物的主要生理参数和环境参数确定植物微观林木的碳汇机理。

2.根据权利要求1所述的多功能小型碳汇测量同化箱装置，其特征在于：同化箱箱体为圆柱形，由顶盖、上箱体、下箱体、底板四大部分组成；顶盖和上箱体通过胶水粘合固定，上箱体与下箱体以及下箱体与底板都是通过锁扣和密封条实现固定并密封。

3.根据权利要求2所述的多功能小型碳汇测量同化箱装置，其特征在于：制冷系统包括换热器、通水管道、水箱、冷水机；将两个换热器安装在下箱体内箱壁，其进出水端口接通铜质水嘴接头后与通水管道一端相连，通水管道另一端与水箱相连，水箱与冷水机相连，构成一个完整的制冷系统。

4.根据权利要求2所述的多功能小型碳汇测量同化箱装置，其特征在于：气体调节系统包括气泵、排气管道、环形气孔管道、进气阀门、排气阀门、进气管道、鼓风机；通气管道由进气阀门和排气阀门分别与PVC管连接构成，分为进气管道和排气管道；鼓风机与进气管道相连，排气管道安装在箱体另一侧；箱体内的气泵与环形气孔管道相连。

5.根据权利要求2所述的多功能小型碳汇测量同化箱装置，其特征在于：灌溉系统包括水箱、通水管道、环形滴头；箱体外的水箱与通水管道相连，通水管道与箱体内设置在被测植物上的环形滴头连接，构成完整的浇灌系统。

6.根据权利要求2所述的多功能小型碳汇测量同化箱装置，其特征在于：监测系统包括航空接头、监测控制单元、信号管道、橡胶手套、传感器支架；监测控制单元通过信号管道、航空接头与箱内的传感器信号连接，各传感器安装在传感器支架上，在下箱体内箱壁上安装有橡胶手套。