CN104655801A - 一种用于监测大气与土壤间co2运动过程的气体取样系统及监测方法 - Google Patents

一种用于监测大气与土壤间co2运动过程的气体取样系统及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于监测大气与土壤间CO2运动的气体取样系统及其监测方法。所述取样系统包括隔绝装置和过滤装置；其中所述隔绝装置包括筒体、密封垫、磁铁；所述过滤装置包括气体洗瓶、连接气体洗瓶的进气管和出气管；所述气体洗瓶内碱液为强碱溶液。利用本发明所述气体取样系统结合同位素示踪气体可以形象的揭示大气与土壤间CO2气体运动过程，定量检测发生在大气与土壤间CO2气体的吸收量，是对现有研究方法的改进与创新，对于研究土壤对CO2气体的吸收量和CO2分布情况、监测雨水入渗所导致的土壤中CO2气体整体下移的质量流量过程有着十分重要的意义。

Description

一种用于监测大气与土壤间CO2运动过程的气体取样系统及监测方法
技术领域
本发明涉及土壤环境检测领域，具体涉及一种用于监测大气与土壤间CO2运动的气体取样系统及监测方法。
背景技术
大气与土壤间CO2运动过程一直备受关注。近年来越来越多的研究表明土壤具有吸收大气中CO2的作用，其本质表现为大气中CO2气体向土壤中运动。然而目前还没有有效方法可以直接证明土壤具有吸取CO2气体的作用，特别是涉及土壤吸附CO2的气体量和吸附的CO2在土壤层中分布情况的相关研究较少。因此，为了更深入的研究大气中CO2气体在土壤中运动情况，有必要对现有研究系统及方法进行改进。
发明内容
针对上述研究现状，本发明提供一种简便的用于监测大气与土壤间CO2运动的气体取样系统，以期通过同位素示踪法来研究CO2气体在土壤中的运动过程，定量检测土壤对CO2气体的吸取量，并对雨水入渗土壤所导致土壤中CO2气体整体下移的质量流量过程进行监测。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于监测大气与土壤间CO2运动的气体取样系统，包括隔绝装置和过滤装置；其中，
所述隔绝装置包括筒体、筒体内部的密封垫、吸附于筒体侧壁上部内外两块磁铁；其中所述筒体上下面分别设有顶盖和底盖，所述顶盖上设有进气口、出气口和示踪气体注入孔，且进气口和出气口均设置阀门；
所述过滤装置包括气体洗瓶、连接气体洗瓶的进气管和出气管；所述进气管与出气管分别与所述隔绝装置的出气口与进气口相连。所述气体洗瓶内碱液为强碱溶液。
在本发明所述的气体取样系统中，所述密封垫将筒体分为上下两部分；所述筒体内磁铁与密封垫通过细绳相连，并通过移动筒体外壁的磁铁带动筒体内壁磁铁，进而带动密封垫脱离密封位置，使筒体上下贯通；所述密封垫为橡胶材质，直径与筒体一致，在所述密封垫上部和下部设有相同直径的硅胶密封圈。
在本发明所述的气体取样系统中，所述筒体侧壁下部设有抽气孔，抽气孔设置的具体高度可依据取样实验要求上下调整。
在本发明所述的气体取样系统中，所述进气管上设有抽气泵，所述出气管上设有气体干燥管。所述干燥管内干燥介质为碱石灰、氯化钙等易吸水固体化学物质，用于吸收气体中的水气；
优选的，本发明所述系统中，插入所述筒体、气体洗瓶的竖直管均为玻璃管；所述出气管、进气管均为聚四氟乙烯软管；所述出气管、进气管与竖直管连接部分均为橡胶管。
优选的，本发明所述系统中密封材料具体选择为：所述示踪气体注入孔采用中性玻璃胶封堵；所述顶盖与筒体采用隔绝胶垫密封，使筒体内空气与外界大气隔绝；所述抽气孔采用中性玻璃胶封堵；
优选的，本发明所述系统中所述筒体材质为高强度PVC管，其具有柔韧性好的特点，在打入土壤的过程中不易损坏，能够长期、多次使用。
优选的，为了在土壤中稳固插入筒体，将所述筒体下端边缘设置成环刀状尖端，可采用砂轮磨尖筒体下端边缘。
优选的，所述筒体的底盖采用密封垫与筒体密封相接，并可根据实验需求自由拆卸。
本发明还提供一种利用上述气体取样系统检测大气与土壤间CO2气体运动的监测方法，包括如下步骤：
1)在筒体侧壁设置抽气孔并封堵，将筒体竖直打入待测土壤内以获取所需的原状土，并将筒体一侧开挖相同深度的土坑，把底盖放入坑中，再将筒体平移至底盖上，实现筒体底部密封，再将筒体移回原位，填埋土坑，安装密封垫置于筒体内土壤上表面，放置磁铁并检查是否能够按照要求移动，扣置顶盖密封将其上示踪气体注入孔密封，并将进气口和出气口与过滤装置相连，形成密封系统；
2)打开进气口与出气口阀门，利用抽气泵提供动力使密封系统内气体循环流动；一段时间后，待密封系统中所有CO2气体被过滤装置内碱液吸收，关闭抽气泵以及进气口、出气口的阀门，撤走过滤装置，使筒体完全与外界隔绝；
3)移动筒体外壁上的磁铁带动密封垫脱离密封位置使得筒体上下贯通；由示踪气体注入孔注入一定量的CO2同位素示踪气体，静置12-24h，挖开筒体周围土体，从筒体的抽气口抽气，对所抽气体进行分析。
所述CO2同位素示踪气体具体指可对C元素进行标定的δ13CO2气体。
本发明所述的气体取样系统还可用于监测CO2气体质量流量过程。具体为：
1)在筒体侧壁设置抽气孔并封堵，将筒体竖直打入待测土壤内以获取所需的原状土，将筒体一侧开挖相同深度的土坑，把底盖放入坑中，再将筒体平移至底盖上，盖上顶盖，将带有原状土的筒体小心取出，对筒体内土壤进行灭活处理，在此过程中尽量保持土壤的原始状态，并不从筒体中泄露；
将筒体用顶盖底盖封顶封底后，为尽量避免灭活过程中大量的水分进入钢圈，将整个筒体用毛巾和纱布紧密包裹，包裹层厚度为3-5cm。
2)将带有经过土体灭活处理的筒体埋到原位置，去掉顶盖，静置10-15h，安装密封垫置于筒内土壤表面上，放置磁铁并检查是否能够按照要求移动，扣置顶盖密封将其上示踪气体注入孔密封，并将进气口和出气口与过滤装置相连，形成密封系统；
3)打开进气口与出气口阀门，利用抽气泵提供动力使密封系统内气体循环流动；待密封系统中所有CO2气体被过滤装置内碱液吸收后，关闭抽气泵以及进气口、出气口的阀门，撤走过滤装置，使筒体完全隔绝；
4)移动筒体外壁上的磁铁带动密封垫脱离密封位置使得筒体上下贯通，注入CO2同位素示踪气体静置1-3h后，打开顶盖，在筒体抽气孔抽取少量气体，检测CO2浓度和CO2中δ13C含量，然后实施人工降雨处理，降雨结束后从筒体的抽气孔抽气，测试所抽CO2的浓度和CO2中δ13C含量，以监测雨水入渗所导致土壤中CO2气体整体下移的质量流量变化。
本发明所述气体取样系统具有如下有益效果：
利用本发明所述气体取样系统结合同位素示踪气体可以形象的揭示大气与土壤间CO2气体运动过程，定量检测发生在大气与土壤间CO2气体的吸收量，是对现有研究方法的改进与创新，对于研究土壤对CO2气体的吸收量和CO2分布情况(分布情况通过CO2气体在不同深度土壤剖面的浓度和CO2中δ13C含量体现)、监测雨水入渗所导致的土壤中CO2气体整体下移的质量流量过程有着十分重要的意义。
附图说明
图1是本发明所述用于监测大气与土壤间CO2气体运动的气体取样系统的结构示意图；
附图标记：
1、顶盖；2、筒体；3、底盖；4、抽气孔；5、出气口；6、进气口；7、筒体中部密封垫；8、示踪气体注入孔；9气体洗瓶；10、强力磁铁；11、干燥管；12、抽气泵；13、阀门；14、出气管；15、进气管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
结合图1所示，一种用于监测大气与土壤间CO2运动的气体取样系统，包括隔绝装置和过滤装置；其中，
所述隔绝装置包括筒体2、筒体内部的密封垫7、吸附于筒体侧壁上部内外两块磁铁10；其中所述筒体上下面分别设有直径为10cm顶盖1和底盖3，所述顶盖上设有进气口6、出气口5和示踪气体注入孔8，且进气口和出气口均设置阀门13；
所述过滤装置包括气体洗瓶9、连接气体洗瓶的进气管15和出气管14；所述进气管与出气管分别与所述隔绝装置的出气口与进气口相连。所述气体洗瓶内碱液为强碱溶液
在本发明所述的气体取样系统中，所述密封垫将筒体分为上下两部分；所述筒体内磁铁与密封垫通过细绳相连，并通过移动筒体外壁的磁铁带动筒体内壁磁铁，进而带动密封垫脱离密封位置，使筒体上下贯通；所述密封垫为橡胶材质，直径与筒体一致，在所述密封垫上部和下部设有相同直径的硅胶密封圈。
在本发明所述的气体取样系统中，所述筒体侧壁下部设有抽气孔4，抽气孔设置的具体高度可依据取样实验要求上下调整。
在本发明所述的气体取样系统中，所述进气管上设有抽气泵12，所述出气管上设有气体干燥管11，用于吸收气体中的水气。
本发明所述系统中，插入所述筒体、气体洗瓶的竖直管均为玻璃管；所述出气管、进气管均为聚四氟乙烯软管；所述出气管、进气管与竖直管连接部分均为橡胶管。
本发明所述系统中密封材料具体选择为：所述示踪气体注入孔采用中性玻璃胶封堵；所述顶盖与筒体采用隔绝胶垫密封，使筒体内空气与外界大气隔绝；所述抽气孔采用中性玻璃胶封堵；
本发明所述系统中所述筒体材质为高强度PVC管，直径为10cm，高50cm。
为了在土壤中稳固插入筒体，将所述筒体下端边缘设置成环刀状尖端，可采用砂轮磨尖筒体下端边缘。
实施例2监测方法
利用上述气体取样系统检测大气与土壤间CO2气体运动的监测方法，包括如下步骤：
1)在筒体侧壁设置抽气孔并封堵，将筒体竖直打入待测土壤内以获取所需的原状土，并将筒体一侧开挖相同深度的土坑，把底盖放入坑中，再将筒体平移至底盖上，实现筒体底部密封，再将筒体移回原位，填埋土坑，安装密封垫置筒体内土壤上表面，放置磁铁并检查是否能够按照要求移动，扣置顶盖密封将其上示踪气体注入孔密封，并将进气口和出气口与过滤装置相连，形成密封系统；
2)打开进气口与出气口阀门，利用抽气泵提供动力使密封系统内气体循环流动；一段时间后，待密封系统中所有CO2气体被过滤装置内碱液吸收，关闭抽气泵以及进气口、出气口的阀门，撤走过滤装置，使筒体完全与外界隔绝；
3)如图所示，沿筒体外壁箭头方向移动筒体外壁上的磁铁以牵动内部磁铁的运动，从而使密封垫打开以达到贯通筒体上下部分的目的；由示踪气体注入孔注入一定量的CO2同位素示踪气体，静置12-24h，挖开筒体周围土体，采用长为10cm的针头从筒体的抽气口抽气，以减少对气体的扰动，对所抽气体进行分析。
实施例3监测CO2气体质量流量过程
1)在筒体侧壁设置抽气孔并封堵，将筒体竖直打入待测土壤内以获取所需的原状土，将筒体一侧开挖相同深度的土坑，把底盖放入坑中，再将筒体平移至底盖上，盖上顶盖，将带有原状土的筒体小心取出，对筒体内土壤进行灭活处理，在此过程中尽量保持土壤的原始状态，并不从筒体中泄露；
将筒体用顶盖底盖封顶封底后，为尽量避免灭活过程中大量的水分进入钢圈，将整个筒体用毛巾和纱布紧密包裹，包裹层厚度为3-5cm。
2)将带有经过土体灭活处理的筒体埋到原位置，去掉顶盖，静置10-15h，安装密封垫置于筒内土壤表面上，放置磁铁并检查是否能够按照要求移动，扣置顶盖密封将其上示踪气体注入孔密封，并将进气口和出气口与过滤装置相连，形成密封系统；
3)打开进气口与出气口阀门，利用抽气泵提供动力使密封系统内气体循环流动；待密封系统中所有CO2气体被过滤装置内碱液吸收后，关闭抽气泵以及进气口、出气口的阀门，撤走过滤装置，使筒体完全隔绝；
4)移动筒体外壁上的磁铁带动密封垫脱离密封位置使得筒体上下贯通，注入CO2同位素示踪气体静置1-3h后，打开顶盖，在筒体抽气孔抽取少量气体，检测CO2浓度和CO2中δ13C含量，然后实施人工降雨处理，降雨结束后从筒体的抽气孔抽气，测试所抽CO2浓度和CO2中δ13C含量，以监测雨水入渗所导致土壤中CO2气体整体下移的质量流量变化。
由实施例2、3可知，通过采集并分析土壤中CO2浓度和CO2中δ13C含量实现定量和定位检测大气与土壤间CO2气体运动情况，定量检测土壤对CO2气体的吸取与释放过程，并实现监测雨水入渗所导致的土壤CO2气体整体下移的质量流量过程。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于监测大气与土壤间CO2运动的气体取样系统，其特征在于，包括隔绝装置和过滤装置；其中，
所述隔绝装置包括筒体、筒体内部的密封垫、吸附于筒体侧壁上部内外两块磁铁；其中所述筒体上下面分别设有顶盖和底盖，所述顶盖上设有进气口、出气口和示踪气体注入孔，且进气口和出气口均设置阀门；
所述过滤装置包括气体洗瓶、连接气体洗瓶的进气管和出气管；所述进气管与出气管分别与所述隔绝装置的出气口与进气口相连。所述气体洗瓶内碱液为强碱溶液。
2.根据权利要求1所述的气体取样系统，其特征在于，所述密封垫将筒体分为上下两部分；所述筒体内磁铁与密封垫通过细绳相连，并通过移动筒体外壁的磁铁带动筒体内壁磁铁，进而带动密封垫脱离密封位置，使筒体上下贯通。
3.根据权利要求2所述的气体取样系统，其特征在于，所述密封垫为橡胶材质，直径与筒体一致，在所述密封垫上部和下部设有相同直径的硅胶密封圈。
4.根据权利要求1所述的气体取样系统，其特征在于，所述筒体侧壁下部设有抽气孔，抽气孔设置的具体高度可依据取样实验要求上下调整。
5.根据权利要求1所述的气体取样系统，其特征在于，所述进气管上设有抽气泵，所述出气管上设有气体干燥管。
6.根据权利要求1所述的气体取样系统，其特征在于，插入所述筒体、气体洗瓶的竖直管均为玻璃管；所述出气管、进气管均为聚四氟乙烯软管；所述出气管、进气管与竖直管连接部分均为橡胶管。
7.根据权利要求1所述的气体取样系统，其特征在于，所述示踪气体注入孔采用中性玻璃胶封堵；所述顶盖与筒体采用隔绝胶垫密封，使筒体内空气与外界大气隔绝；所述抽气孔采用中性玻璃胶封堵。
8.根据权利要求1所述的气体取样系统，其特征在于，所述筒体下端边缘设置成环刀状尖端，可采用砂轮磨尖筒体下端边缘。
9.一种利用权利要求1-8任一所述气体取样系统检测大气与土壤间CO2气体运动的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在筒体侧壁设置抽气孔并封堵，将筒体竖直打入待测土壤内以获取所需的原状土，并将筒体一侧开挖相同深度的土坑，把底盖放入坑中，再将筒体平移至底盖上，实现筒体底部密封，再将筒体移回原位，填埋土坑，安装密封垫置于筒体内土壤上表面，放置磁铁并检查是否能够按照要求移动，扣置顶盖密封将其上示踪气体注入孔密封，并将进气口和出气口与过滤装置相连，形成密封系统；
2)打开进气口与出气口阀门，利用抽气泵提供动力使密封系统内气体循环流动；一段时间后，待密封系统中所有CO2气体被过滤装置内碱液吸收，关闭抽气泵以及进气口、出气口的阀门，撤走过滤装置，使筒体完全与外界隔绝；
3)移动筒体外壁上的磁铁带动密封垫脱离密封位置使得筒体上下贯通；由示踪气体注入孔注入一定量的CO2同位素示踪气体，静置12-24h后，挖开筒体周围土体，从筒体的抽气口抽气，对所抽气体进行分析。
10.一种利用权利要求1-8任一所述气体取样系统监测CO2气体质量流量过程的方法，其特征在于，步骤如下：
1)在筒体侧壁设置抽气孔并封堵，将筒体竖直打入待测土壤内以获取所需的原状土，将筒体一侧开挖相同深度的土坑，把底盖放入坑中，再将筒体平移至底盖上，盖上顶盖，将带有原状土的筒体取出，对筒体内土壤进行灭活处理；
2)将灭活处理后的筒体埋到原位置，去掉顶盖，静置10-15h，安装密封垫置于筒内土壤表面上，放置磁铁并检查是否能够按照要求移动，扣置顶盖密封将其上示踪气体注入孔密封，并将进气口和出气口与过滤装置相连，形成密封系统；
3)打开进气口与出气口阀门，利用抽气泵提供动力使密封系统内气体循环流动；待密封系统中所有CO2气体被过滤装置内碱液吸收后，关闭抽气泵以及进气口、出气口的阀门，撤走过滤装置，使筒体完全隔绝；
4)移动筒体外壁上的磁铁带动密封垫脱离密封位置使得筒体上下贯通，注入CO2同位素示踪气体静置1-3h后，打开顶盖，在筒体抽气孔抽取气体，检测CO2气体浓度和CO2中δ13C含量，然后实施人工降雨处理，降雨结束后从筒体的抽气孔抽气，测试所抽CO2气体浓度和CO2中δ13C含量，以监测雨水入渗所导致土壤中CO2气体整体下移的质量流量变化。
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