CN104897873A - 一种开放型土壤碳通量监测仪及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开放型土壤碳通量监测仪及监测方法。该监测仪包括圆筒，所述圆筒的顶部和底部都开口，所述圆筒内壁上设有两个数据采集模块，所述两个数据采集模块分别位于圆筒内壁的顶部和底部，所述数据采集模块包括二氧化碳传感器、温度传感器和大气压强传感器，所述圆筒上还设有中央处理单元和显示屏，所述中央处理单元分别与显示屏以及每个数据采集模块的二氧化碳传感器、温度传感器和大气压强传感器电连接。本发明采用开放式监测，提高了检测精度，且在下雨天能够正常监测。

Description

一种开放型土壤碳通量监测仪及监测方法

技术领域

本发明涉及土壤碳通量监测技术领域，尤其涉及一种开放型土壤碳通量监测仪及监测方法。

背景技术

CO2是大气中主要的温室效应气体，其大量排放已导致全球气候恶化。近年来极端天气事件频频发生，是大自然对人类活动最为严厉的惩罚。碳交易的基础是碳汇计量，建立统一的碳汇计量体系是碳交易有序、健康、公平进行的保障。而在碳汇计量中最复杂、最困难的是地下部分计量，即土壤碳通量计量，土壤碳通量指单位时间通过土壤单位面积的CO2量。土壤是一个巨大的碳库，总储存量达到1394Pg C(1Pg＝1015g)，大约是大气中碳总量(750Pg C)的两倍，是陆地生物碳总储量(560Pg C)的3倍。显然，土壤是大气CO2的主要贡献者之一，也是陆地生态系统固定碳返回大气的主要形式之一。故探索土壤碳的动态变化及其调控机理，不仅对于正确评价中国陆地生态系统碳收支具有重要的战略意义，而且能为碳交易提供关键的技术保障。

现有的土壤碳通量监测仪为密封式监测，将密闭的监测箱体盖在土壤上，根据测量气室内CO2浓度增加率进行计算土壤碳排放量，在监测期间气室中的CO2浓度会逐渐提高，从而抑制土壤CO2的排放，使得测量结果有偏差，而且，这类土壤碳通量监测仪在下雨天不能监测，因为下雨天环境恶劣，会影响监测仪密封性，导致检测仪无法正常监测。

中国专利公开号CN201016922，公开日2008年2月6日，实用新型的名称为土壤二氧化碳通量原位测定装置，该申请案公开了一种土壤二氧化碳通量原位测定装置，它包括预先固定在待测定土壤表层二氧化碳通量的地面上的底圈；测量时密封安装在所述底圈上的开口测量容器；连接所述开口测量容器的二氧化碳分析仪；以及在测量容器内初始二氧化碳浓度值X1后密封所述开口测量容器开口的盖子。其不足之处是，现有土壤碳通量监测仪为密封式监测，测量结果有偏差，在下雨天不能监测。

发明内容

本发明的目的是克服现有土壤碳通量监测仪为密封式监测，检测精度低，在下雨天不能监测的技术问题，提供了一种开放型土壤碳通量监测仪及监测方法，其采用开放式监测，提高了检测精度，且在下雨天能够正常监测。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明的一种开放型土壤碳通量监测仪，包括圆筒，所述圆筒的顶部和底部都开口，所述圆筒内壁上设有两个数据采集模块，所述两个数据采集模块分别位于圆筒内壁的顶部和底部，所述数据采集模块包括二氧化碳传感器、温度传感器和大气压强传感器，所述圆筒上还设有中央处理单元和显示屏，所述中央处理单元分别与显示屏以及每个数据采集模块的二氧化碳传感器、温度传感器和大气压强传感器电连接。

在本技术方案中，将圆筒放置在土壤上，两个数据采集模块每隔时间T采集一次数据并发送到中央处理单元。

根据菲克第二定律可得，公式(3-1)：其中C为二氧化碳的体积浓度，D为扩散系数，x为圆筒内壁的某一高度。

令把β代入公式(3-1)，得到公式(3-2)：

化解公式(3-2)得到公式(3-3)：

将公式(3-2)、公式(3-3)代入公式(3-1)得到公式(3-4)公式(3-4)是个微分方程，通过求解可得菲克第二定律的通解为 $C=A_1{\∫}_0^{\mathrm{\β}}{e}^{-{\mathrm{\β}}^2}\mathrm{d\β}+A_2.$

又令 $f\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^{\mathrm{\β}}{e}^{-{\mathrm{\β}}^2}\mathrm{d\β},$ 则通解为 $C=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\·A_1\·f\left(\mathrm{\β}\right)+A_2.$

二氧化碳气体在圆筒内扩散属于半无限长扩散问题。第一个时间T开始时，圆筒内壁底部的数据采集模块在第一个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度为C_s1，圆筒内壁顶部的的数据采集模块在第一个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度C₀₁，通解计算过程如下：

当t＝0(第一个时间T初始时)且x不等于0(圆筒内壁底部所在平面的上方)时，β→+∞，此时f(β)＝1，C＝C₀₁，代入 $C=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\·A_1\·f\left(\mathrm{\β}\right)+A_2,$ 可得 $C_{01}=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\·A_1+A_2;$

当t＞0且x＝0时，β→0，此时f(β)＝0，C＝C_s1，代入 $C=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\·A_1\·f\left(\mathrm{\β}\right)+A_2,$ 可得A₂＝C_s1；

从而得到第一个时间T内圆筒内x高度处在t时间的二氧化碳体积浓度为C₁(x，t)， $C_1(x,t)=C_{s1}+(C_{01}-C_{s1})\·f\left(\frac{x}{2\sqrt{D\·t}}\right),$ 0≤t≤T，x≥0。

第二个时间T开始时，圆筒内壁底部的数据采集模块在第二个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度为C_s2，第一个时间T结束时圆筒内不同高度x处的二氧化碳体积浓度C₁(x，T)，通解计算过程如下：

当t＝0且x不等于0时，β→+∞，此时f(β)＝1，C＝C₁(x，T)，代入 $C=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\·A_1\·f\left(\mathrm{\β}\right)+A_2,$ 可得 $C_1(x,T)=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\·A_1+A_2;$

当t＞0且x＝0时，β→0，此时f(β)＝0，C＝C_s2，代入 $C=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\·A_1\·f\left(\mathrm{\β}\right)+A_2,$ 可得A₂＝C_s2；

从而得到第二个时间T内圆筒内x高度处在t时间的二氧化碳体积浓度为C₂(x，t)， $C_2(x,t)=C_{s2}+(C_1(x,T)-C_{s2})\·f\left(\frac{x}{2\sqrt{D\·t}}\right),$ 0≤t≤T，x≥0。

依次类推得到第n个时间T内圆筒内不同高度x处在不同时间t的二氧化碳体积浓度为 $C_n(x,t)=C_{\mathrm{sn}}+(C_{n-1}(x,T)-C_{\mathrm{sn}})\·f\left(\frac{x}{2\sqrt{D\·t}}\right),$ 0≤t≤T，x≥0。

中央处理单元通过二氧化碳体积浓度公式计算圆筒内高度x＝K处的平面的上下两侧的浓度差ΔC_n(K，t)＝C_n(K+h，t)-C_n(K-h，t)，其中，高度x＝K处在圆筒内壁底部与顶部之间，h表示一个很小的常数，C_n(K+h，t)表示在圆筒内高度K处的平面上方一段距离的二氧化碳体积浓度，C_n(K-h，t)表示在圆筒内高度K处的平面下方一段距离的二氧化碳体积浓度。

假设在时间段T内在圆筒内高度K处的浓度差不变，中央处理单元根据菲克第一定律计算出在时间t内通过圆筒内高度K处的平面扩散出去的二氧化碳的量为J(t)＝D·ΔC_n(K，t)t∈(0，T)，D为二氧化碳在空气中的扩散系数，对J(t)进行积分得到在第n个时间T内总共扩散出去的二氧化碳的通量为其中，m_n为第n个时间T内扩散出去的二氧化碳的通量，A为圆筒的横截面积。

中央处理单元计算出n个时间T内土壤总的碳通量M＝m₁+m₂+…+m_n，n＝1，2，3……。

中央处理单元将圆筒内壁底部的数据采集模块采集的温度T_s和大气压强P_s代入扩散系数计算公式：计算出扩散系数D_s，其中T为热力学温度，P为压强，μ_A为二氧化碳的分子量，μ_B为空气的分子量，V_A为二氧化碳在正常沸点时液态克摩尔容积，V_B为空气在正常沸点时液态克摩尔容积，将圆筒内壁顶部的的数据采集模块采集的温度T₀和大气压强P₀代入扩散系数计算公式计算出扩散系数D₀，将扩散系数D_s和扩散系数D₀取平均得到扩散系数D。

本技术方案采用开放式监测，在监测期间圆筒中的二氧化碳不会持续积累，不会抑制土壤中二氧化碳的排放，使得检测结果更精确，由于是开放式监测，不需要密封的环境，因此在下雨天能够正常监测。

作为优选，所述圆筒上还设有无线通信模块，所述无线通信模块与中央处理单元电连接。中央处理单元可通过无线通信模块将检测结果发送到远程电脑终端。

作为优选，所述圆筒上还设有GPS模块，所述GPS模块与中央处理单元电连接。GPS模块用于定位当前圆筒的位置，中央处理单元通过无线通信模块将位置信息发送到远程电脑终端。

作为优选，所述数据采集模块还包括湿度传感器，所述湿度传感器与中央处理单元电连接。湿度传感器用于检测环境湿度，对检测数据进行校准。

作为优选，所述数据采集模块还包括光照传感器，所述光照传感器与中央处理单元电连接。光照传感器检测光照强度，对检测数据进行校准。

本发明的一种开放型土壤碳通量监测方法，包括以下步骤：两个数据采集模块每隔时间T采集一次数据并发送到中央处理单元，中央处理单元根据接收到的数据计算出每个间隔时间T内的土壤碳通量，从而计算出土壤总的碳通量M，包括以下步骤：

S1：中央处理单元计算圆筒内不同高度在不同时间的二氧化碳体积浓度，包括以下步骤2

第一个时间T开始时，中央处理单元根据圆筒内壁底部的数据采集模块在第一个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度C_s1和圆筒内壁顶部的数据采集模块在第一个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度C₀₁计算出第一个时间T内圆筒内x高度处在t时间的二氧化碳体积浓度为C₁(x，t)， $C_1(x,t)=C_{s1}+(C_{01}-C_{s1})\·f\left(\frac{x}{2\sqrt{D\·t}}\right),$

$f\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^{\mathrm{\β}}{e}^{-{\mathrm{\β}}^2}\mathrm{d\β},\mathrm{\β}=\frac{x}{2\sqrt{D\·t}},$ 0≤t≤T，

其中，D为二氧化碳在空气中的扩散系数，在第一个时间T结束时，圆筒内不同高度x处的二氧化碳体积浓度为C₁(x，T)；

第二个时间T开始时，中央处理单元根据圆筒内壁底部的数据采集模块在第二个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度C_s2和第一个时间T结束时圆筒内不同高度x处的二氧化碳体积浓度C₁(x，T)计算出第二个时间T内圆筒内x高度处在t时间的二氧化碳体积浓度为C₂(x，t)， $C_2(x,t)=C_{s2}+(C_1(x,T)-C_{s2})\·f\left(\frac{x}{2\sqrt{D\·t}}\right),$

$f\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^{\mathrm{\β}}{e}^{-{\mathrm{\β}}^2}\mathrm{d\β},\mathrm{\β}=\frac{x}{2\sqrt{D\·t}},$ 0≤t≤T，

在第二个时间T结束时，圆筒内不同高度x处的二氧化碳体积浓度为C₂(x，T)；

第n个时间T开始时，中央处理单元根据圆筒内壁底部的数据采集模块在第n个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度C_sn和第n-1个时间T结束时圆筒内不同高度x处的二氧化碳体积浓度C_n-1(x，T)计算出第n个时间T内圆筒内x高度处在t时间的二氧化碳体积浓度为C_n(x，t)， $C_n(x,t)=C_{\mathrm{sn}}+(C_{n-1}(x,T)-C_{\mathrm{sn}})\·f\left(\frac{x}{2\sqrt{D\·t}}\right),$ $f\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^{\mathrm{\β}}{e}^{-{\mathrm{\β}}^2}\mathrm{d\β},\mathrm{\β}=\frac{x}{2\sqrt{D\·t}},$ 0≤t≤T；

S2：中央处理单元计算圆筒内高度x＝K处的平面的上下两侧的浓度差ΔC_n(K，t)＝C_n(K+h，t)-C_n(K-h，t)，其中，高度x＝K处在圆筒内壁底部与顶部之间，h表示一个很小的常数，C_n(K+h，t)表示在圆筒内高度K处的平面上方一段距离的二氧化碳体积浓度，C_n(K-h，t)表示在圆筒内高度K处的平面下方一段距离的二氧化碳体积浓度；

S3：中央处理单元根据菲克第一定律计算出在第n个时间T内总共扩散出去的二氧化碳的通量为J(t)＝D·ΔC_n(K，t)t∈(0，T)，

其中，D为二氧化碳在空气中的扩散系数，m_n为第n个时间T内扩散出去的二氧化碳的通量，A为圆筒的横截面积；

S4：中央处理单元计算出n个时间T内土壤总的碳通量M＝m₁+m₂+…+m_n，n＝1，2，3……。

作为优选，所述二氧化碳在空气中的扩散系数D的计算方法包括以下步骤：中央处理单元将圆筒内壁底部的数据采集模块采集的温度T_s和大气压强P_s代入扩散系数计算公式：计算出扩散系数D_s，其中，T为热力学温度，P为压强，μ_A为二氧化碳的分子量，μ_B为空气的分子量，V_A为二氧化碳在正常沸点时液态克摩尔容积，V_B为空气在正常沸点时液态克摩尔容积，将圆筒内壁顶部的的数据采集模块采集的温度T₀和大气压强P₀代入扩散系数计算公式计算出扩散系数D₀，将扩散系数D_s和扩散系数D₀取平均得到扩散系数D。

本发明的实质性效果是：采用开放式监测，在监测期间圆筒中的二氧化碳不会持续积累，不会抑制土壤中二氧化碳的排放，使得测量更精确，由于是开放式监测，不需要密封的环境，因此在下雨天能够正常监测。

附图说明

图1是本发明的一种电路原理连接框图；

图2是本发明的一种结构示意图。

图中：1、圆筒，2、数据采集模块，3、二氧化碳传感器，4、温度传感器，5、大气压强传感器，6、中央处理单元，7、显示屏，8、无线通信模块，9、GPS模块，10、湿度传感器，11、光照传感器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种开放型土壤碳通量监测仪，如图1、图2所示，包括圆筒1，圆筒1的顶部和底部都开口，圆筒1内壁上设有两个数据采集模块2，两个数据采集模块2分别位于圆筒1内壁的顶部和底部，数据采集模块2包括二氧化碳传感器3、温度传感器4、大气压强传感器5、湿度传感器10和光照传感器11，圆筒1上还设有中央处理单元6、显示屏7、无线通信模块8和GPS模块9，中央处理单元6分别与显示屏7、无线通信模块8、GPS模块9以及每个数据采集模块2的二氧化碳传感器3、温度传感器4、大气压强传感器5、湿度传感器10和光照传感器11电连接。

将圆筒1放置在土壤上，两个数据采集模块2每隔时间T采集一次数据并发送到中央处理单元6。

根据菲克第二定律可得，公式(3-1)：其中C为二氧化碳的体积浓度，D为扩散系数，x为圆筒内壁的某一高度。

令把β代入公式(3-1)，得到公式(3-2)：

化解公式(3-2)得到公式(3-3)：

将公式(3-2)、公式(3-3)代入公式(3-1)得到公式(3-4)公式(3-4)是个微分方程，通过求解可得菲克第二定律的通解为 $C=A_1{\∫}_0^{\mathrm{\β}}{e}^{-{\mathrm{\β}}^2}\mathrm{d\β}+A_2.$

又令 $f\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^{\mathrm{\β}}{e}^{-{\mathrm{\β}}^2}\mathrm{d\β},$ 则通解为 $C=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\·A_1\·f\left(\mathrm{\β}\right)+A_2.$

二氧化碳气体在圆筒内扩散属于半无限长扩散问题。第一个时间T开始时，圆筒内壁底部的数据采集模块在第一个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度为C_s1，圆筒内壁顶部的的数据采集模块在第一个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度C₀₁，通解计算过程如下：

当t＝0(第一个时间T初始时)且x不等于0(圆筒内壁底部所在平面的上方)时，β→+∞，此时f(β)＝1，C＝C₀₁，代入 $C=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\·A_1\·f\left(\mathrm{\β}\right)+A_2,$ 可得 $C_{01}=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\·A_1+A_2;$

当t＞0且x＝0时，β→0，此时f(β)＝0，C＝C_s1，代入 $C=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\·A_1\·f\left(\mathrm{\β}\right)+A_2,$ 可得A₂＝C_s1；

从而得到第一个时间T内圆筒内x高度处在t时间的二氧化碳体积浓度为C₁(x，t)，0≤t≤T，x≥0。

第二个时间T开始时，圆筒内壁底部的数据采集模块在第二个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度为C_s2，第一个时间T结束时圆筒内不同高度x处的二氧化碳体积浓度C₁(x，T)，通解计算过程如下：

当t＝0且x不等于0时，β→+∞，此时f(β)＝1，C＝C₁(x，T)，代入 $C=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\·A_1\·f\left(\mathrm{\β}\right)+A_2,$ 可得 $C_1(x,T)=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\·A_1+A_2;$

当t＞0且x＝0时，β→0，此时f(β)＝0，C＝C_s2，代入 $C=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\·A_1\·f\left(\mathrm{\β}\right)+A_2,$ 可得A₂＝C_s2；

从而得到第二个时间T内圆筒内x高度处在t时间的二氧化碳体积浓度为C₂(x，t)， $C_2(x,t)=C_{s2}+(C_1(x,T)-C_{s2})\·f\left(\frac{x}{2\sqrt{D\·t}}\right),$ 0≤t≤T，x≥0。

依次类推得到第n个时间T内圆筒内不同高度x处在不同时间t的二氧化碳体积浓度为 $C_n(x,t)=C_{\mathrm{sn}}+(C_{n-1}(x,T)-C_{\mathrm{sn}})\·f\left(\frac{x}{2\sqrt{D\·t}}\right),$ 0≤t≤T，x≥0。

中央处理单元通过二氧化碳体积浓度公式计算圆筒内高度x＝K处的平面的上下两侧的浓度差ΔC_n(K，t)＝C_n(K+h，t)-C_n(K-h，t)，其中，高度x＝K处在圆筒内壁底部与顶部之间，h表示一个很小的常数，C_n(K+h，t)表示在圆筒内高度K处的平面上方一段距离的二氧化碳体积浓度，C_n(K-h，t)表示在圆筒内高度K处的平面下方一段距离的二氧化碳体积浓度。

假设在时间段T内在圆筒内高度K处的浓度差不变，中央处理单元根据菲克第一定律计算出在时间t内通过圆筒内高度K处的平面扩散出去的二氧化碳的量为J(t)＝D·ΔC_n(K，t)t∈(0，T)，D为二氧化碳在空气中的扩散系数，对J(t)进行积分得到在第n个时间T内总共扩散出去的二氧化碳的通量为其中，m_n为第n个时间T内扩散出去的二氧化碳的通量，A为圆筒的横截面积。

中央处理单元计算出n个时间T内土壤总的碳通量M＝m₁+m₂+…+m_n，n＝1，2，3……。

中央处理单元将圆筒内壁底部的数据采集模块采集的温度T_s和大气压强P_s代入扩散系数计算公式：计算出扩散系数D_s，其中，T为热力学温度，P为压强，μ_A为二氧化碳的分子量，μ_B为空气的分子量，V_A为二氧化碳在正常沸点时液态克摩尔容积，V_B为空气在正常沸点时液态克摩尔容积，将圆筒内壁顶部的的数据采集模块采集的温度T₀和大气压强P₀代入扩散系数计算公式计算出扩散系数D₀，将扩散系数D_s和扩散系数D₀取平均得到扩散系数D。

GPS模块9用于定位当前圆筒1的位置，中央处理单元6可通过无线通信模块8将检测数据和位置信息发送到远程电脑终端。湿度传感器10用于检测环境湿度，光照传感器11检测光照强度，对检测数据进行校准。本发明采用开放式监测，在监测期间圆筒1中的二氧化碳不会持续积累，不会抑制土壤中二氧化碳的排放，使得测量更精确，由于是开放式监测，不需要密封的环境，因此在下雨天能够正常监测。

本实施例的一种开放型土壤碳通量监测方法，适用于上述的一种开放型土壤碳通量监测仪，包括以下步骤：两个数据采集模块每隔时间T采集一次数据并发送到中央处理单元，中央处理单元根据接收到的数据计算出每个间隔时间T内的土壤碳通量，从而计算出土壤总的碳通量M，包括以下步骤：

S1：中央处理单元计算圆筒内不同高度在不同时间的二氧化碳体积浓度，包括以下步骤：

第一个时间T开始时，中央处理单元根据圆筒内壁底部的数据采集模块在第一个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度C_s1和圆筒内壁顶部的数据采集模块在第一个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度C₀₁计算出第一个时间T内圆筒内x高度处在t时间的二氧化碳体积浓度为C₁(x，t)， $C_1(x,t)=C_{s1}+(C_{01}-C_{s1})\·f\left(\frac{x}{2\sqrt{D\·t}}\right),$

$f\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^{\mathrm{\β}}{e}^{-{\mathrm{\β}}^2}\mathrm{d\β},\mathrm{\β}=\frac{x}{2\sqrt{D\·t}},$ 0≤t≤T，

其中，D为二氧化碳在空气中的扩散系数，在第一个时间T结束时，圆筒内不同高度x处的二氧化碳体积浓度为C₁(x，T)；

第二个时间T开始时，中央处理单元根据圆筒内壁底部的数据采集模块在第二个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度C_s2和第一个时间T结束时圆筒内不同高度x处的二氧化碳体积浓度C₁(x，T)计算出第二个时间T内圆筒内x高度处在t时间的二氧化碳体积浓度为C₂(x，t)， $C_2(x,t)=C_{s2}+(C_1(x,T)-C_{s2})\·f\left(\frac{x}{2\sqrt{D\·t}}\right),$

$f\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^{\mathrm{\β}}{e}^{-{\mathrm{\β}}^2}\mathrm{d\β},\mathrm{\β}=\frac{x}{2\sqrt{D\·t}},$ 0≤t≤T，

在第二个时间T结束时，圆筒内不同高度x处的二氧化碳体积浓度为C₂(x，T)；

第n个时间T开始时，中央处理单元根据圆筒内壁底部的数据采集模块在第n个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度C_sn和第n-1个时间T结束时圆筒内不同高度x处的二氧化碳体积浓度C_n-1(x，T)计算出第n个时间T内圆筒内x高度处在t时间的二氧化碳体积浓度为C_n(x，t)， $C_n(x,t)=C_{\mathrm{sn}}+(C_{n-1}(x,T)-C_{\mathrm{sn}})\·f\left(\frac{x}{2\sqrt{D\·t}}\right),$ $f\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^{\mathrm{\β}}{e}^{-{\mathrm{\β}}^2}\mathrm{d\β},\mathrm{\β}=\frac{x}{2\sqrt{D\·t}},$ 0≤t≤T；

S2：中央处理单元计算圆筒内高度x＝K处的平面的上下两侧的浓度差ΔC_n(K，t)＝C_n(K+h，t)-C_n(K-h，t)，其中，高度x＝K处在圆筒内壁底部与顶部之间，h表示一个很小的常数，C_n(K+h，t)表示在圆筒内高度K处的平面上方一段距离的二氧化碳体积浓度，C_n(K-h，t)表示在圆筒内高度K处的平面下方一段距离的二氧化碳体积浓度；

S3：中央处理单元根据菲克第一定律计算出在第n个时间T内总共扩散出去的二氧化碳的通量为J(t)＝D·ΔC_n(K，t)t∈(0，T)，

其中，D为二氧化碳在空气中的扩散系数，m_n为第n个时间T内扩散出去的二氧化碳的通量，A为圆筒的横截面积；

S4：中央处理单元计算出n个时间T内土壤总的碳通量M＝m₁+m₂+…+m_n，n＝1，2，3……。

作为优选，所述二氧化碳在空气中的扩散系数D的计算方法包括以下步骤：中央处理单元将圆筒内壁底部的数据采集模块采集的温度T_s和大气压强P_s代入扩散系数计算公式：计算出扩散系数D_s，其中T为热力学温度，P为压强，μ_A为二氧化碳的分子量，μ_B为空气的分子量，V_A为二氧化碳在正常沸点时液态克摩尔容积，V_B为空气在正常沸点时液态克摩尔容积，将圆筒内壁顶部的的数据采集模块采集的温度T₀和大气压强P₀代入扩散系数计算公式计算出扩散系数D₀，将扩散系数D_s和扩散系数D₀取平均得到扩散系数D。

Claims (7)

1.一种开放型土壤碳通量监测仪，其特征在于：包括圆筒(1)，所述圆筒(1)的顶部和底部都开口，所述圆筒(1)内壁上设有两个数据采集模块(2)，所述两个数据采集模块(2)分别位于圆筒(1)内壁的顶部和底部，所述数据采集模块(2)包括二氧化碳传感器(3)、温度传感器(4)和大气压强传感器(5)，所述圆筒(1)上还设有中央处理单元(6)和显示屏(7)，所述中央处理单元(6)分别与显示屏(7)以及每个数据采集模块(2)的二氧化碳传感器(3)、温度传感器(4)和大气压强传感器(5)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种开放型土壤碳通量监测仪，其特征在于：所述圆筒(1)上还设有无线通信模块(8)，所述无线通信模块(8)与中央处理单元(6)电连接。

3.根据权利要求2所述的一种开放型土壤碳通量监测仪，其特征在于：所述圆筒(1)上还设有GPS模块(9)，所述GPS模块(9)与中央处理单元(6)电连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种开放型土壤碳通量监测仪，其特征在于：所述数据采集模块(2)还包括湿度传感器(10)，所述湿度传感器(10)与中央处理单元(6)电连接。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种开放型土壤碳通量监测仪，其特征在于：所述数据采集模块(2)还包括光照传感器(11)，所述光照传感器(11)与中央处理单元(6)电连接。

6.一种开放型土壤碳通量监测方法，其特征在于，包括以下步骤：两个数据采集模块每隔时间T采集一次数据并发送到中央处理单元，中央处理单元根据接收到的数据计算出每个间隔时间T内的土壤碳通量，从而计算出土壤总的碳通量M，包括以下步骤：

S1：中央处理单元计算圆筒内不同高度在不同时间的二氧化碳体积浓度，包括以下步骤：

第一个时间T开始时，中央处理单元根据圆筒内壁底部的数据采集模块在第一个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度C_s1和圆筒内壁顶部的数据采集模块在第一个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度C₀₁计算出第一个时间T内圆筒内x高度处在t时间的二氧化碳体积浓度为C₁(x，t)， $C_1(x,t)=C_{s1}+(C_{01}-C_{s1})\·f\left(\frac{x}{2\sqrt{D\·t}}\right),$ $f\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^{\mathrm{\β}}{e}^{-{\mathrm{\β}}^2}\mathrm{d\β},\mathrm{\β}=\frac{x}{2\sqrt{D\·t}},0\≤t\≤T,$

其中，D为二氧化碳在空气中的扩散系数，在第一个时间T结束时，圆筒内不同高度x处的二氧化碳体积浓度为C₁(x，T)；

第二个时间T开始时，中央处理单元根据圆筒内壁底部的数据采集模块在第二个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度C_s2和第一个时间T结束时圆筒内不同高度x处的二氧化碳体积浓度C₁(x，T)计算出第二个时间T内圆筒内x高度处在t时间的二氧化碳体积浓度为C₂(x，t)，

$C_2(x,t)=C_{s2}+(C_1(x,T)-C_{s2})\·f\left(\frac{x}{2\sqrt{D\·t}}\right),$

$f\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^{\mathrm{\β}}{e}^{-{\mathrm{\β}}^2}\mathrm{d\β},\mathrm{\β}=\frac{x}{2\sqrt{D\·t}},0\≤t\≤T,$

在第二个时间T结束时，圆筒内不同高度x处的二氧化碳体积浓度为C₂(x，T)；

第n个时间T开始时，中央处理单元根据圆筒内壁底部的数据采集模块在第n个时间T初始时采集的二氧化碳体积浓度C_sn和第n-1个时间T结束时圆筒内不同高度x处的二氧化碳体积浓度C_n-1(x，T)计算出第n个时间T内圆筒内x高度处在t时间的二氧化碳体积浓度为C_n(x，t)， $C_n(x,t)=C_{\mathrm{sn}}+(C_{n-1}(x,T)-C_{\mathrm{sn}})\·f\left(\frac{x}{2\sqrt{D\·t}}\right),$ $f\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^{\mathrm{\β}}{e}^{-{\mathrm{\β}}^2}\mathrm{d\β},\mathrm{\β}=\frac{x}{2\sqrt{D\·t}},0\≤t\≤T;$

S2：中央处理单元计算圆筒内高度x＝K处的平面的上下两侧的浓度差ΔC_n(K，t)＝C_n(K+h，t)-C_n(K-h，t)，其中，高度x＝K处在圆筒内壁底部与顶部之间，h表示一个很小的常数，C_n(K+h，t)表示在圆筒内高度K处的平面上方一段距离的二氧化碳体积浓度，C_n(K-h，t)表示在圆筒内高度K处的平面下方一段距离的二氧化碳体积浓度；

S3：中央处理单元根据菲克第一定律计算出在第n个时间T内总共扩散出去的二氧化碳的通量为J(t)＝D·ΔC_n(K，t)t∈(0，T)，

其中，D为二氧化碳在空气中的扩散系数，m_n为第n个时间T内扩散出去的二氧化碳的通量，A为圆筒的横截面积；

S4：中央处理单元计算出n个时间T内土壤总的碳通量M＝m₁+m₂+…+m_n，n＝1，2，3……。

7.根据权利要求6所述的一种开放型土壤碳通量监测方法，其特征在于：所述二氧化碳在空气中的扩散系数D的计算方法包括以下步骤：中央处理单元将圆筒内壁底部的数据采集模块采集的温度T_s和大气压强P_s代入扩散系数计算公式： $D=\frac{435.7T^{3/2}}{P{(V_A^{1/3}+V_B^{1/3})}^2}\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_A}+\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_B}},$ 计算出扩散系数D_s，其中，T为热力学温度，P为压强，μ_A为二氧化碳的分子量，μ_B为空气的分子量，V_A为二氧化碳在正常沸点时液态克摩尔容积，V_B为空气在正常沸点时液态克摩尔容积，将圆筒内壁顶部的的数据采集模块采集的温度T₀和大气压强P₀代入扩散系数计算公式计算出扩散系数D₀，将扩散系数D_s和扩散系数D₀取平均得到扩散系数D。