CN104535522B - 潮间带湿地co2通量测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种潮间带湿地CO₂通量测量装置，它包括红外气体分析仪和与红外气体分析仪相连的气路通道以及用于放置两者的升降架，气路通道包括透明的触水罩和防浪管，触水罩的下边缘均匀分布若干尖角，触水罩侧壁上设有刻度，触水罩设有水平仪，防浪管的另一端与碳通量气室接触罩相连，防浪管通过固定环与升降架一边角的升降杆相连，升降架包括桌面和桌腿，桌腿包括固定段和位于固定段内部的伸缩段，伸缩段的前端设有尖端，固定段与伸缩段通过锁紧装置相连。通过本测量装置中的气体通道及升降架与红外线气体分析仪的相互配合，解决了长期以来传统的内陆湿地CO₂通量测量方法难以有效测量潮间带湿地的问题，实现了自动化能力强，操作省时省力，并且能长时间持续测量的目的。

Description

潮间带湿地CO2通量测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及二氧化碳通量研究领域，具体的说是一种针对潮间带湿地CO₂通量测量装置及其测量方法。

背景技术

当今诸如海平面上升、冰川消融、极端气象灾害事件增加等由于全球气温升高而导致的一系列生态环境问题已严重影响到自然生态系统的健康以及人类的生存和生产生活。以CO₂为主的温室气体排放作为影响全球气温升高的主要因素，已越来越受到人们的关注。各国学者在不断呼吁新型能源革命及促进碳减排行动进程的同时，也在积极投入到自然生态系统碳循环研究之中，旨在认识不同生态系统单元自身的碳代谢过程，进一步探究人类活动与生态环境及自然资源的协调发展模式。

湿地作为兼具水陆两重性、具有重要生态服务功能的独特生态系统类型，其在稳定全球气候变化中占有重要地位。湿地土壤和泥炭是陆地上重要的有机碳库，土壤碳密度高，能够相对长期地储存碳，是多种温室气体的源和汇。因此，保护和增强湿地的碳储存功能，对于减少温室气体排放具有十分重要的意义。

近年来，随着人们对于湿地CO₂排放这一生态学过程的日益关注，国内外相关研究呈明显上升的趋势。但目前研究多集中于内陆湿地生态系统的碳排放，而针对滨海湿地，特别是潮间带区域的CO₂通量研究并不多见。潮间带作为海陆生态系统的生态交错区，研究其碳通量时空动态变化特征及相关生态学过程，无论在体量上、空间上还是在生态功能上均具有重要的研究意义。但由于潮间带CO₂通量排放速率的实地测量环境苛刻且多变，对于数据的观察精度要求高，传统的内陆湿地CO₂通量测量方法难以有效实施，而长期以来潮间带碳通量测定仪器及设备的研发相对滞后，以上诸多问题的存在，给目前亟待深入开展的研究带来很大的不便。

发明内容

根据上述不足之处，本实用新型的目的是提供一种自动化能力强、操作省时省力、且改装方便，可进行长时间持续测量的针对潮间带湿地CO₂通量测量装置及其测量方法。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案在于：一种潮间带湿地CO2通量测量装置，它包括红外气体分析仪和与红外气体分析仪相连的气路通道以及用于放置红外气体分析仪及其相连气路通道的升降架，所述的气路通道包括透明的触水罩和与触水罩相连的防浪管，所述触水罩的下边缘均匀分布若干尖角，所述触水罩侧壁上设有刻度，所述触水罩设有水平仪，所述防浪管的另一端与碳通量气室接触罩相连，所述的防浪管通过固定环与升降架一边角的升降杆相连，所述的升降架包括桌面和位于桌面下方边角的桌腿，所述的桌腿包括固定段和位于固定段内部的伸缩段，所述伸缩段的前端设有尖端，所述的固定段与伸缩段通过锁紧装置相连。

通过本测量装置中的气体通道及升降架与红外线气体分析仪的相互配合，解决了长期以来传统的内陆湿地CO₂通量测量方法难以有效测量潮间带湿地的问题，实现了自动化能力强，操作省时省力，并且能长时间持续测量的目的。

优选的是：所述触水罩与防浪管之间和所述防浪管与碳通量气室接触罩为可拆卸连接。可拆卸连接一方面便于选择不同的防浪管以更好的进行试验，另一方面方便收纳，携带方便，同时当气体通道部分损坏时只需要更换部分即可，极大的节约了材料成本。

优选的是：所述的防浪管为伸缩式或者组合式。可以根据潮间带湿地潮水条件调节防浪管的长度以更好的进行气体采集。

优选的是：所述防浪管的两端设有密封垫，保证本设备的气密性。

优选的是：所述的防浪管由内筒和外筒组成，所述内筒和外筒之间中空且密封设置。防浪管的主要功能是作为待测下垫面排放出的CO₂向上部扩散的通道。一方面为了防止在实际滨海潮间带环境中操作时受海风海浪的影响，导致水体灌入气室内引起气体压强和体积的变化，另一方面尽可能的减少在气室测定排放底面积一定的情况下，增加气室容积导致CO₂浓度升高随时间变化的斜率降低，致使测量时间的延长和测量精度的降低，另一方面，中空设计可以更好的隔绝外部温度，由于测量时间长，且潮间带环境温差变化大，降低环境温度的变化对试验结果的影响。

优选的是：所述桌面上部四周设有围栏，所述围栏上方设有遮挡装置。围栏可以起到避免试验设备滑落水中的的危险，保护设备，减少损失，遮挡装置可以遮挡阳光的直射，也是保护了试验设备。

优选的是：所述桌面设有水平仪。通过水平仪可以调整设备的水平度，保证试验的准确性，减少误差。

优选的是：所述固定环由两个半圆环组成，所述两个半圆环一端通过定位环螺栓相连，另一端设有固定销扣，所述的固定环通过螺栓与升降杆相连。固定环的设计可以便于其调节和收纳。

优选的是：所述半圆环外周包裹有软垫。软垫的设计可以提高固定环与防浪管之间的缓冲配合，减少对防浪管的变形损伤。

本发明还提供一种如上所述的潮间带湿地CO₂通量测量装置测定潮间带湿地CO₂通量的方法，其操作步骤为：

(1)将触水罩在测量前至少3个小时放置于待测点，以降低因气路通道对底质的扰动而造成的测量误差，将触水罩和碳通量气室接触罩连接到防浪管的两端，根据触水罩上的水平仪调整触水罩为水平状态；

(2)将防浪管固定环套住防浪管外壁，通过固定销扣进行固定，确保防浪管与固定环之间不会因风流而产生较大的碰撞；

(3)在待定区域旁选择地势平坦的位置放置升降架，将伸缩段的尖端插入潮间带湿地中，调整伸缩段至合适高度，同时调平升降架桌面至水平状态，根据测量需要调整升降杆高度至与固定环相同高度，将固定环与升降杆通过螺栓进行固定连接；

(4)将红外气体分析仪放置于升降架桌面内，将碳通量观测气室平放至碳通量气室接触罩上，连接并调试设备，检查气密性

(5)通过以下公式计算潮间带CO₂通量速率：

式中：F_c为潮间带湿地CO₂通量速率，μmol m^-2s^-1；V_IRGA为红外气体分析仪自身气路与气室体积，cm³；V’为潮间带湿地CO₂通量测量装置的内部体积，cm³；P₀为初始大气压，kPa；W₀为初始水汽摩尔分数，mmol mol^-1；R为气体常数8.314Pa m³，K^-1mol^-1；S为触水罩内缘所围的表面积，cm²；T₀为初始空气温度，℃；为初始水校正CO₂摩尔分数变化率，μmolmol^-1；

(6)装载潮间带湿地CO₂通量测量气室后，对整个CO₂通量观测系统原有的气室体积校正参数进行修改，通过以下公式计算Chamer Offset参数，cm：

ChamberOffset＝V′/S_IRGA

针对LI-COR 8100的103长期观测气室，20cm Survey，其S_IRGA参数值为317.8cm²；针对LI-COR 8100的102长期观测气室，10cm Survey，其S_IRGA参数值为83.7cm²；利用计算机终端对潮间带CO₂通量测定进行参数预设和观测编程，完成自动化测定过程。

本发明的有益效果在于：通过本测量装置中的气体通道及升降架与红外线气体分析仪的相互配合，解决了长期以来传统的内陆湿地CO₂通量测量方法难以有效测量潮间带湿地的问题，实现了自动化能力强，操作省时省力，并且能长时间持续测量的目的，为森林生态系统碳代谢、碳循环等研究提供宝贵的数据。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的气体通路和升降架的结构示意图。

图3是本实用新型的触水罩的结构示意图。

图4是本实用新型的防浪管的结构示意图。

图5是本实用新型的碳通量气室接触罩的结构示意图。

图6是本实用新型的固定环的结构示意图一。

图7是本实用新型的固定环的结构示意图二。

图中，1-触水罩；2-防浪管；3-固定环；4-碳通量气室接触罩；5-红外线气体分析仪；6-升降架；7-遮挡装置；8-围栏；9-桌面；10-固定段；11-伸缩段；12-缩紧装置；13-尖端；14-尖角；15-水平仪；16-外筒；17-内筒；18-定位环螺栓；19-软垫；20-半圆环；21-固定销扣；22-螺栓；23-升降杆；24-密封垫。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示的一种潮间带湿地CO₂通量测量装置，它包括红外气体分析仪5和与红外气体分析仪5相连的气路通道以及用于放置红外气体分析仪5及其相连气路通道的升降架6，气路通道包括透明的触水罩1和与触水罩1相连的防浪管4，触水罩1与防浪管2之间和防浪管2与碳通量气室接触罩4为可拆卸连接，其中，防浪管为伸缩式或者组合式。如图4所示，防浪管2由内筒17和外筒16组成，内筒17和外筒16之间中空且密封设置，防浪管2的两端设有密封垫24。如图3所示，触水罩1的下边缘均匀分布若干尖角，使用时插入底质中以增加气室测量时的稳固程度，触水罩1侧壁上设有刻度，方便实际操作时对罩内水体表面高度以及底质与罩底边缘高度的读取，触水罩设有水平仪。触水罩1是测量气室与待测潮间带水体及底质接触的部分，其主要功能为防止待测区域底质及其上水体与罩体以外空气之间进行交换。如图2所示，防浪管2的另一端与碳通量气室接触罩4相连，防浪管2通过固定环3与升降架6一边角的升降杆21相连，升降架6包括桌面9和位于桌面9下方边角的桌腿，桌腿包括固定段10和位于固定段10内部的伸缩段11，伸缩段11的前端设有尖端13，固定段10与伸缩段11通过锁紧装置12相连。桌面9上部四周设有围栏8，围栏8上方设有遮挡装置7，桌面设有水平仪。如图6、7所示，固定环3由两个半圆环20组成，两个半圆环20一端通过定位环螺栓18相连，另一端设有固定销扣21，固定环3通过螺栓22与升降杆23相连，半圆环20外周包裹有软垫19。

具体的，选用透明PVC材料制作气体通路，其中，触水罩1罩体内径为20cm，底部边缘均匀设置三个尖角14，罩体上端的连接口内径为5cm，外径10cm，以配合防浪管2的结构，防浪管2外筒直径10cm，内筒直径为5cm双管腔结构，其长度可以设计成0.5m、1m或其他，可以根据需要选择使用的长度。碳通量气室接触罩4为防浪管2与LI-COR 8100A或其它便携式土壤碳通量自动观测系统的构件，主要完成气室口径由10cm过渡至20cm的转换功能。升降架6采用四脚方桌型设计，材质采用不锈钢材料。

本发明还提供一种采用如上所述的潮间带湿地CO₂通量测量装置测定潮间带湿地CO₂通量的方法，其操作步骤为：

(1)将触水罩1在测量前至少3个小时放置于待测点，以降低因气路通道对底质的扰动而造成的测量误差，将触水罩1和碳通量气室接触罩4连接到防浪管2的两端，根据触水罩1上的水平仪15调整触水罩1为水平状态；

(2)将防浪管2固定环3套住防浪管外壁，通过固定销扣21进行固定，确保防浪管2与固定环3之间不会因风流而产生较大的碰撞；

(3)在待定区域旁选择地势平坦的位置放置升降架6，将伸缩段11的尖端13插入潮间带湿地中，调整伸缩段11至合适高度，同时调平升降架6桌面至水平状态，根据测量需要调整升降杆23高度至与固定环3相同高度，将固定环3与升降杆23通过螺栓22进行固定连接；

(4)将红外气体分析仪5放置于升降架6桌面内，将碳通量观测气室平放至碳通量气室接触罩4上，连接并调试设备，检查气密性，

(5)通过以下公式计算潮间带CO₂通量速率：

式中：F_c为潮间带湿地CO₂通量速率，μmol m^-2s^-1；V_IRGA为红外气体分析仪自身气路与气室体积，cm³；V’为潮间带湿地CO₂通量测量装置的内部体积，cm³；P₀为初始大气压，kPa；W₀为初始水汽摩尔分数，mmol mol^-1；R为气体常数8.314Pa m³，K^-1mol^-1；S为触水罩内缘所围的表面积，cm²；T₀为初始空气温度，℃；为初始水校正CO₂摩尔分数变化率，μmol mol-¹；

(6)装载潮间带湿地CO₂通量测量气室后，对整个CO₂通量观测系统原有的气室体积校正参数进行修改，通过以下公式计算Chamer Offset参数，cm：

ChamberOffset＝V′/S_IRGA

针对LI-COR 8100的103长期观测气室，20cm Survey，其S_IRGA参数值为317.8cm²；针对LI-COR 8100的102长期观测气室，10cm Survey，其S_IRGA参数值为83.7cm²；利用计算机终端对潮间带CO₂通量测定进行参数预设和观测编程，完成自动化测定过程。

Claims (10)

1.一种潮间带湿地CO₂通量测量装置，它包括红外气体分析仪(5)和与红外气体分析仪(5)相连的气路通道以及用于放置红外气体分析仪(5)及其相连气路通道的升降架(6)，其特征在于：所述的气路通道包括透明的触水罩(1)和与触水罩(1)相连的防浪管(2)，所述触水罩(1)的下边缘均匀分布若干尖角(14)，所述触水罩(1)侧壁上设有刻度，所述触水罩(1)设有水平仪(15)，所述防浪管(2)的另一端与碳通量气室接触罩(4)相连，所述的防浪管(2)通过固定环(3)与升降架(6)一边角的升降杆(23)相连，所述的升降架(6)包括桌面(9)和位于桌面(9)下方边角的桌腿，所述的桌腿包括固定段(10)和位于固定段(10)内部的伸缩段(11)，所述伸缩段(11)的前端设有尖端(13)，所述的固定段(10)与伸缩段(11)通过锁紧装置(12)相连。

2.根据权利要求1所述的潮间带湿地CO₂通量测量装置，其特征在于：所述触水罩(1)与防浪管(2)之间和所述防浪管(2)与碳通量气室接触罩(4)为可拆卸连接。

3.根据权利要求1或2所述的潮间带湿地CO₂通量测量装置，其特征在于：所述的防浪管(2)为伸缩式或者组合式。

4.根据权利要求3所述的潮间带湿地CO₂通量测量装置，其特征在于：所述防浪管(2)的两端设有密封垫(24)。

5.根据权利要求4所述的潮间带湿地CO₂通量测量装置，其特征在于：所述的防浪管(2)由内筒(17)和外筒(16)组成，所述内筒(17)和外筒(16)之间中空且密封设置。

6.根据权利要求1所述的潮间带湿地CO₂通量测量装置，其特征在于：所述桌面(9)上部四周设有围栏(8)，所述围栏(8)上方设有遮挡装置(7)。

7.根据权利要求6所述的潮间带湿地CO₂通量测量装置，其特征在于：所述桌面(9)设有水平仪。

8.根据权利要求1所述的潮间带湿地CO₂通量测量装置，其特征在于：所述固定环(3)由两个半圆环(20)组成，所述两个半圆环(20)一端通过定位环螺栓(18)相连，另一端设有固定销扣(21)，所述的固定环(3)通过螺栓(22)与升降杆(23)相连。

9.根据权利要求8所述的潮间带湿地CO₂通量测量装置，其特征在于：所述两个半圆环(20)外周包裹有软垫(19)。

10.一种采用如权利要求1所述的潮间带湿地CO₂通量测量装置测定潮间带湿地CO₂通量的方法，其特征在于：其操作步骤为：

(1)将触水罩(1)在测量前至少3个小时放置于待测点，以降低因气路通道对底质的扰动而造成的测量误差，将触水罩(1)和碳通量气室接触罩(4)连接到防浪管(2)的两端，根据触水罩(1)上的水平仪(15)调整触水罩(1)为水平状态；

(2)将防浪管固定环(3)套住防浪管(2)外壁，通过固定销扣(21)进行固定，确保防浪管(2)与固定环(3)之间不会因风流而产生较大的碰撞；

(3)在待定区域旁选择地势平坦的位置放置升降架(6)，将伸缩段(11)的尖端(13)插入潮间带湿地中，调整伸缩段(11)至合适高度，同时调平升降架桌面(9)至水平状态，根据测量需要调整升降杆(23)高度至与固定环(3)相同高度，将固定环(3)与升降杆(23)通过螺栓(22)进行固定连接；

(4)将红外气体分析仪(5)放置于升降架桌面(9)内，将碳通量观测气室平放至碳通量气室接触罩(4)上，连接并调试设备，检查气密性；

(5)通过以下公式计算潮间带CO₂通量速率：

$F_c=\frac{10(V_{IRGA}+V^{\′})P_0(1-\frac{W_0}{1000})}{RS(T_0+273.15)}\frac{\∂C^{\′}}{\∂t}$

式中：F_c为潮间带湿地CO₂通量速率，μmol m^-2s^-1；V_IRGA为红外气体分析仪自身气路与气室体积，cm³；V’为潮间带湿地CO₂通量测量装置的内部体积，cm³；P₀为初始大气压，kPa；W₀为初始水汽摩尔分数，mmol mol^-1；R为气体常数8.314Pa m³，K^-1mol^-1；S为触水罩内缘所围的表面积，cm²；T₀为初始空气温度，℃；为初始水校正CO₂摩尔分数变化率，μmol mol^-1；

(6)装载潮间带湿地CO₂通量测量气室后，对整个CO₂通量观测系统原有的气室体积校正参数进行修改，通过以下公式计算Chamer Offset参数，cm：

ChamberOffset＝V′/S_IRGA

针对LI-COR 8100的103长期观测气室，20cm Survey，其S_IRGA参数值为317.8cm²；针对LI-COR 8100的102长期观测气室，10cm Survey，其S_IRGA参数值为83.7cm²；利用计算机终端对潮间带CO₂通量测定进行参数预设和观测编程，完成自动化测定过程。