CN104502163B - 一种可调深度土壤二氧化碳采集装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调深度土壤二氧化碳采集装置及其使用方法，所述采集装置从上到下依次包括储气装置、联接装置、伸缩装置和气室装置，所述储气装置包括气室罩，所述气室罩顶端设置有固定长度的固定采气管，在固定采气管上端设置有长度可以伸缩的伸缩管，锁紧套将伸缩管固定锁紧在固定采气管上；在伸缩管上设置两通连接管，两通连接管上设置有控制其开启与关闭的球型密封阀门，两通连接管下端连接伸缩管，上端连接储气瓶。所述使用方法包括：步骤一：现场抽真空；步骤二：检查泄漏；步骤三：安装与调节高度；若P1读数变化差距小于5%，则进行步骤四；步骤四：收集CO₂气体；步骤五：换算标准状态下采样体积Vn。

Description

一种可调深度土壤二氧化碳采集装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种可调深度土壤二氧化碳采集装置，以及该装置的使用方法，属于气体样品采集技术领域。

背景技术

土壤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，分别是陆地植被和大气的2倍和3倍。据估计，全球土壤每年向大气释放碳68～77Pg/a，是化石燃料排放碳量的10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，存在野外便携式性差、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土壤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。

中国专利CN201310275313.3和CN201320388370.8公开了一种用于不同深度土壤二氧化碳气体采集装置，该装置具有便携性强、造价低等特点。但其还存在以下缺陷：

1、该装置中的采气管为固定长度，在该专利技术方案中根据需要采集的不同深度选择合适长度的采气管，但在实际使用时，一旦选定某一长度的采气管后，就无法进行更换，需要重新选择另一合适长度的采气管安装好并预先埋设于土壤中，再继续重复等待一天；

2、土质不同、土壤深度不同直接影响土壤CO₂气体释放量，影响土壤CO₂气体释放速率和通量；

3、在该专利技术方案中，在实验室内将储气瓶抽取真空并记下此时压力表的读数P1，但在实际使用过程中，实验室内获取的读数P1与野外作业时数据有一定误差，这不仅仅受限于野外的海拔高度、温度等影响，还有可能是中间运输振动等发生泄漏因素，因此实验室内获取的读数P1是不精确的。

发明内容

本发明正是针对现有技术存在的不足，提供一种可调深度土壤二氧化碳采集装置以及该采集装置使用方法。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种可调深度土壤二氧化碳采集装置，所述采集装置从上到下依次包括储气装置、联接装置、伸缩装置和气室装置，所述储气装置包括：球状的储气瓶，在储气瓶上设置有用于抽成真空的抽气管以及用于CO₂气体测定的橡胶密封塞，在储气瓶下端管道内设置有用于气体干燥的干燥剂以及控制下端气体进入储气瓶的密封阀门，在储气瓶顶端设置有温度计和真空压力表，所述采集装置还包括半球状的气室罩，所述气室罩顶端设置有固定长度的固定采气管，在固定采气管上端设置有长度可以伸缩的伸缩管，锁紧套将伸缩管固定锁紧在固定采气管内部；在伸缩管上设置两通连接管，两通连接管上设置有控制其开启与关闭的球型密封阀门，两通连接管下端连接伸缩管，上端连接储气瓶。

作为上述技术方案的改进，所述固定采气管端口上端设置有弹性环，在弹性环外部套装锁紧套，锁紧套挤压压缩弹性环及其内部安装的伸缩管。

作为上述技术方案的改进，所述弹性环包括环体，在环体中心部位设置有容纳伸缩管的锁环中心孔，在环体上端设置有若干圆周均匀分布的开口片及开口槽，且开口片和开口槽间隔分布，在环体上端外壁设置有锁环斜面，在环体下端外壁设有外螺纹。

作为上述技术方案的改进，所述锁紧套包括套体，套体为中空结构，其内部设置有用来容纳弹性环的上型腔以及用来容纳固定采气管的下型腔；所述上型腔内壁上设置有内斜面和内螺纹；所述内斜面与锁环斜面配合，所述内螺纹与外螺纹配合。

作为上述技术方案的改进，所述固定采气管端口部设在有压缩状态的密封圈。

作为上述技术方案的改进，所述伸缩管上还设置有可以读取伸缩管顶端与气室罩之间间距的刻度标尺。

作为上述技术方案的改进，在气室罩最下端设置有与土壤直接接触的橡胶圈。

作为上述技术方案的改进，所述使用方法包括以下步骤：

步骤一：现场抽真空；

首先，在采集地区，抽真空前，关闭密封阀门，将抽气管与真空泵连通，开启抽气管上的阀门，将储气瓶内的气体压力抽到-0.08Mpa以下，关上抽气管上的阀门，记下此时的真空压力表的读数P1；

步骤二：检查泄漏；

每隔1min，读取真空压力表的读数，并与读数P1比较，若连续两次读数与P1差距小于5%，则记录下最后一次读数P2和储气瓶内温度t1；

步骤三：安装与调节高度；

完成伸缩管和固定采气管安装，锁紧套将伸缩管锁紧在固定采气管上，根据实际需要调节好伸缩管长度，读取伸缩管上刻度h1，两通连接管上下两端连接处涂有密封玻璃胶，连接气室和储气瓶，完成采集装置的安装；安装期间，若P1读数变化差距大于5%，则重复步骤一和步骤二，重新安装采集装置并抽真空，若P1读数变化差距小于5%，则进行步骤四；

步骤四：收集CO₂气体；

将采集装置预埋24h以上，让土壤掩埋至气室罩与固定采样管连接处上方即可，期间尽可能减少人为活动对土壤扰动，使采集装置充分收集CO₂气体，当达到所需的气体采集时间时，打开密封阀门和球型密封阀门，让CO₂气体充分进入储气瓶内，待真空压力表读数稳定后，读取真空压力表的读数P3和储气瓶内气体温度t2，再关闭密封阀门和球形密封阀门；

步骤五：换算标准状态下采样体积Vn；

其标准状态下采样体积Vn用下面的气体计算公式计算：

式中：

Vn—标准状态下采样体积，L；

P2—稳定状态下采样前压力，Kpa；

P3—稳定状态下采样后压力，Kpa；

Ps—标准大气压，Kpa；

t—储气瓶内平均温度，℃；

V—储气瓶体积，L。

作为上述技术方案的改进，所述使用方法还包括：

步骤六：估算土壤释放CO₂的通量；

完成土壤CO₂气体采集后，将储气瓶带回实验室，可利用针管注射器通过橡胶塞将NaOH或KOH溶液注入储气瓶内摇匀，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；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以及伸缩管上刻度标尺h1，推算出土壤CO₂气体的释放速率，估算出土壤释放CO₂的通量。

作为上述技术方案的改进，所述使用方法还包括：

步骤六：估算土壤释放CO₂的通量；

用注射器通过橡胶塞抽取储气瓶内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以及伸缩管上刻度标尺h1，推算出土壤CO₂气体的释放速率，估算出土壤释放CO₂的通量。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

本发明所述采集装置，设置长度可变化的伸缩管，实现深度调节，提高采集装置的适用性，提高测算精度。此外，在野外现场作业，读取相关读数，其精度更加准确可靠，并将土壤深度纳入CO₂气体的释放速率和土壤释放CO₂的通量考虑因素，更加科学。

附图说明

图1为本发明所述采集装置结构示意图（伸缩管未打开）；

图2为本发明所述采集装置结构示意图（伸缩管打开）；

图3为本发明所述固定采气管与伸缩管安装结构示意图；

图4为图3中的I处局部放大图；

图5为本发明所述弹性环主视图；

图6为图5的俯视图；

图7为本发明所述锁紧套结构示意图；

图中：

1—储气瓶、2—抽气管、3—温度计、4—真空压力表、5—橡胶密封塞、6—干燥剂、7—密封阀门、8—两通连接管、9—球型密封阀门、10—固定采气管、11—气室罩、12—橡胶圈、13—伸缩管、14—锁紧套、141—套体、142—上型腔、143—下型腔、144—内斜面、145—内螺纹、15—密封圈、16—刻度标尺、17—弹性环、171—环体、172—锁环中心孔、173—开口片、174—开口槽、175—锁环斜面、176—外螺纹。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

如图1和图2所示，本发明所述采集装置从上到下依次包括储气装置、联接装置、伸缩装置和气室装置，所述储气装置包括：玻璃制的球状的储气瓶1，在储气瓶1上设置有用于抽成真空的抽气管2以及用于CO₂气体测定的橡胶密封塞5，在储气瓶1下端管道内设置有用于气体干燥的干燥剂6以及控制下端气体进入储气瓶1的密封阀门7。在储气瓶1顶端设置有温度计3和真空压力表4，温度计3用于测量储气瓶1内气体温度，真空压力表4用来测量储气瓶1内压力。

本发明所述气室装置包括半球状的气室罩11，在气室罩11顶端设置有固定长度的固定采气管10，在固定采气管10内部设置有长度可以伸缩的伸缩管13，伸缩管13可以在固定采气管10内部上下伸缩，锁紧套14将伸缩管13固定锁紧在固定采气管10上，防止其长度变化。在伸缩管13上设置两通连接管8，两通连接管8上设置有球型密封阀门9，球型密封阀门9控制两通连接管8的开启与关闭。两通连接管8下端连接伸缩管13，上端连接储气瓶1。两通连接管8上下两端设置有螺纹，通过螺纹分别与伸缩管13或储气瓶1连接，便于拆卸与安装。

如图3所示，为本发明所述固定采气管10与伸缩管13安装结构示意图，图4为图3中的I处局部放大图。伸缩管13设置在中空的固定采气管10内部，固定采气管10端口部设在有压缩状态的密封圈15，防止伸缩管13与固定采气管10之间的泄漏。在固定采气管10端口上端还设置有弹性环17，在弹性环17外部套装锁紧套14，锁紧套14与弹性环17螺纹配合在一起，并压缩弹性环17及其内部安装的伸缩管13，让伸缩管13无法在固定采气管10中移动，进而实现伸缩管13的锁紧固定。

如图5所示，为本发明所述弹性环17主视图，图6为图5的俯视图。本发明所述弹性环17包括环体171，在环体171中心部位设置有容纳伸缩管13的锁环中心孔172，在环体171上端设置有若干圆周均匀分布的开口片173及开口槽174，且开口片173和开口槽174间隔分布，这样让开口片173具有一定的弹性。在环体171上端外壁设置有锁环斜面175，在环体171下端外壁设有外螺纹176。

如图7所示，为本发明所述锁紧套14结构示意图。本发明所述锁紧套14包括套体141，套体141为中空结构，其内部设置有上型腔142、下型腔143。上型腔142用来容纳弹性环17，下型腔143用来容纳固定采气管10。所述上型腔内壁上设置有内斜面144和内螺纹145，内斜面144与锁环斜面175配合，内螺纹145与外螺纹176配合。

本发明所述锁紧套14与弹性环17配合时，向下旋转锁紧套14，内螺纹145与外螺纹176首先啮合在一起，此时内斜面144在锁环斜面175上，当锁紧套14继续向下运动时，内斜面144逐渐挤压锁环斜面175，迫使开口片173向中心靠拢，进而挤压设置在弹性环17中部的伸缩管13，最终让伸缩管13安装锁紧在固定采气管10上。当需要时，反向旋转锁紧套14，开口片173逐渐远离伸缩管13，这样伸缩管13又可以在固定采气管10内部移动。

本发明所述采集装置，伸缩管13上设置有刻度标尺16，通过刻度标尺16可以读取伸缩管13顶端与气室罩11之间的间距，且该间距可以根据实际需要任意调节，这样有利于操作人员控制采集装置的高度，利于CO₂气体采集。这样不仅便于快速读数，且便于人为操作。此外，根据土壤的土质不同和客观实际情况，一般伸缩管13顶端与气室罩11之间的间距控制在1.2米范围内。深度太大，土壤中CO₂气体变化不大，且植物根系一般也很难达到1.2米以下土层，测定其CO₂气体含量实际使用意义也不大。

本发明所述采集装置，在气室罩11最下端设置有橡胶圈12，橡胶圈12与土壤直接接触，一方面提高采集装置的密封性，另一方面对气室罩11起到保护作用，提高其使用寿命，防止发生微裂纹等损伤。

本发明所述采集装置，伸缩管13可以在固定采气管10内上下升降，可调节高度较大，为了提高该采集装置的便利性，可以将采集装置拆卸成上半部分与下半部分，伸缩管13以上部分组装在一起，伸缩管13以下部分组装在一起，这样不仅安装方便，且操作安全。

本发明所述采集装置，气室罩11、固定采气管10可采用不锈钢等硬质材质制成，伸缩管13、锁紧套14、弹性环17可以采用塑料材质制成，提高其使用安全性，结构可靠，且使用寿命长。

利用本发明所述采集装置，可以完成对森林、山地、草原和人工重构土壤等不同深度CO₂气体的采集。其使用方法如下：

步骤一：现场抽真空；

首先，在采集地区，抽真空前，关闭密封阀门7，将抽气管2与真空泵连通，开启抽气管2上的阀门，将储气瓶1内的气体压力抽到-0.08Mpa以下，关上抽气管2上的阀门，记下此时的真空压力表4的读数P1，读数P1的作用主要用来判断气密性；

步骤二：检查泄漏；

每隔1min，读取真空压力表4的读数，并与读数P1比较，若连续两次读数与P1差距小于5%，则记录下最后一次读数P2和储气瓶1内温度t1；

步骤三：安装与调节高度；

完成伸缩管13和固定采气管10安装，锁紧套14将伸缩管13锁紧在固定采气管10上，根据实际需要调节好伸缩管13长度，读取伸缩管13上刻度h1，两通连接管8上下两端连接处涂有密封玻璃胶，连接气室和储气瓶，完成采集装置的安装；安装期间，若P1读数变化差距大于5%，则重复步骤一和步骤二，重新安装采集装置并抽真空，若P1读数变化差距小于5%，则进行步骤四；

步骤四：收集CO₂气体；

将采集装置预埋24h以上，让土壤掩埋至气室罩11与固定采样管10连接处上方即可，期间尽可能减少人为活动对土壤扰动，使采集装置充分收集CO₂气体，当达到所需的气体采集时间时，打开密封阀门7和球型密封阀门9，让CO₂气体充分进入储气瓶1内，待真空压力表4读数稳定后，读取真空压力表4的读数P3和储气瓶1内气体温度t2，再关闭密封阀门7和球形密封阀门9；

步骤五：换算标准状态下采样体积Vn；

其标准状态下采样体积Vn用下面的气体计算公式计算：

式中：

Vn—标准状态下采样体积，L；

P2—稳定状态下采样前压力，Kpa；

P3—稳定状态下采样后压力，Kpa；

Ps—标准大气压，Kpa；

t—储气瓶内平均温度，℃，可通过t2与t1换算得出；

V—储气瓶体积，L。

从公式可看出，标准状态下采样体积Vn只与稳定状态下采样前后表压力P2、P3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。但实际上采样时间、环境大气压直接影响CO₂气体浓度及其释放速率，这会影响CO₂气体测量的精度。

步骤六：估算土壤释放CO₂的通量；

完成土壤CO₂气体采集后，将储气瓶1带回实验室，可利用针管注射器通过橡胶塞5将NaOH或KOH溶液注入储气瓶1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。

或者，用注射器通过橡胶塞5抽取储气瓶1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11接触的土壤面积以及伸缩管13上刻度标尺h1，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。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种可调深度土壤二氧化碳采集装置，所述采集装置从上到下依次包括储气装置、联接装置、伸缩装置和气室装置，所述储气装置包括：球状的储气瓶（1），在储气瓶（1）上设置有用于抽成真空的抽气管（2）以及用于CO₂气体测定的橡胶密封塞（5），在储气瓶（1）下端管道内设置有用于气体干燥的干燥剂（6）以及控制下端气体进入储气瓶（1）的密封阀门（7），在储气瓶（1）顶端设置有温度计（3）和真空压力表（4），所述采集装置还包括半球状的气室罩（11），其特征在于，所述气室罩（11）顶端设置有固定长度的固定采气管（10），在固定采气管（10）上端设置有长度可以伸缩的伸缩管（13），锁紧套（14）将伸缩管（13）固定锁紧在固定采气管（10）内部；在伸缩管（13）上设置两通连接管（8），两通连接管（8）上设置有控制其开启与关闭的球型密封阀门（9），两通连接管（8）下端连接伸缩管（13），上端连接储气瓶（1）；

所述固定采气管（10）端口上端设置有弹性环（17），在弹性环（17）外部套装锁紧套（14），锁紧套（14）挤压压缩弹性环（17）及其内部安装的伸缩管（13）；

所述弹性环（17）包括环体（171），在环体（171）中心部位设置有容纳伸缩管（13）的锁环中心孔（172），在环体（171）上端设置有若干圆周均匀分布的开口片（173）及开口槽（174），且开口片（173）和开口槽（174）间隔分布，在环体（171）上端外壁设置有锁环斜面（175），在环体（171）下端外壁设有外螺纹（176）。

2.根据权利要求1所述的一种可调深度土壤二氧化碳采集装置，其特征在于，所述锁紧套（14）包括套体（141），套体（141）为中空结构，其内部设置有用来容纳弹性环（17）的上型腔（142）以及用来容纳固定采气管（10）的下型腔（143）；所述上型腔（142）内壁上设置有内斜面（144）和内螺纹（145）；所述内斜面（144）与锁环斜面（175）配合，所述内螺纹（145）与外螺纹（176）配合。