CN106525135A - 密闭式物质通量自动观测箱 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种密闭式物质通量自动观测箱，包括：基座；箱体，其上部和下部均开口，所述下部放置于基座上；箱盖；以及电动推杆，电动推杆固定于所述箱体上，所述电动推杆与箱盖上的箱盖横臂连接，通过电动推杆控制箱盖的自动开启和关闭。本发明能够实现全或半自动地气交换通量观测，避免或显著减少了对观测生态系统的干扰，对各种陆地生态系全时域和地域适用，因此能够显著提升地气交换通量观测结果的准确性和代表性。

Description

密闭式物质通量自动观测箱

技术领域

本发明涉及陆地生态系统与大气间气态物质交换通量观测的技术领域，特别涉及一种密闭式物质通量自动观测箱。

背景技术

大气中温室气体浓度增加导致全球增温已成为气候变化研究与国际气候谈判的焦点问题，陆地生态系统与大气间的温室气体交换过程显著影响大气中温室气体浓度及其气候效应，准确度量陆地生态系统与大气间温室气体的地气交换通量及其时空变异特征，是科学评估陆地生态系统温室气体源汇强度及其对气候变化贡献的前提基础。虽然从上世纪60年代以来，对全球典型陆地生态系统与大气间主要温室气体地气交换通量开展了广泛长周期的野外观测与模型模拟研究，但迄今对于陆地生态系统温室气体源汇强度的估算仍存在非常大的不确定性，温室气体地气交换通量巨大的时空变异和观测方法误差都是造成源汇估算存在不确定性的重要原因。

密闭箱法和涡动相关法是度量陆地生态系统与大气间温室气体地气交换通量最常用的观测方法。由于对下垫面和边界层气象条件有严格的要求，涡动相关法的应用受到限制，截至当前，绝大多数陆地生态系统与大气间温室气体地气交换通量观测研究都采用密闭箱法。密闭箱法分为密闭式静态箱法(仅有采样气路)和密闭式动态箱法(采样和进样气路形成循环回路)，根据制作密闭式采样箱材料又可分为密闭式暗箱法(隔绝光线)和密闭式透明箱法(光线可透过)。密闭箱法的观测原理简述如下:用化学性质稳定的材料(对待测气态物质无吸附)制作成密闭式采样箱和配套基座，将基座埋入被测土壤内，待土壤状况稳定后，将密闭式采样箱安放在埋设好的基座上，密闭式采样箱与基座连接处要采取密封措施，对于有浓密冠层的生态系统，密闭式采样箱应安装风扇，保证箱内气体浓度的充分混匀，通过测定密闭式采样箱内气体浓度随关箱时间的变化计算被测生态系统气态物质排放或吸收的速率，即陆地生态系统与大气间气态物质交换通量，简称地气交换通量。

密闭箱法是一种非稳态的、对观测对象有扰动的测量方法，扰动和非稳态的属性将显著影响地气交换通量测量准确度与测定结果的代表性。关于如何增加密闭箱法测量结果的时空代表性并减少对观测对象扰动的研究从该方法建立至今近百年时间内从未停止。以往的密闭式静态箱在关箱和气体样品采集过程中会对箱内光照条件、温湿度、大气压力和植被土壤状况产生干扰。(1)光照和温湿度条件：密闭式暗箱法隔绝了自然光线，改变了箱内环境条件，植物无法进行光合作用，测定结果代表性差，更重要的是密闭式暗箱法仅能测定生态系统总呼吸速率，无法测定陆地生态系统与大气间二氧化碳净交换通量(即光合和呼吸作用的净差值)，因此密闭式暗箱法仅能应用于特定观测对象和目的，相对而言，密闭式透明箱法适用性和代表性更好，但以往密闭式透明箱主要采用金属做框架、有机玻璃或亚克力做箱体，可见和红外波段透过率偏低，关箱后箱内光照和温湿度条件变化迅速且剧烈，显著影响地气交换通量测定结果准确性。(2)人为干扰：以往密闭箱法都是以手动观测为主，重复的关箱和采样操作，不可避免对植物和土壤产生干扰甚至破坏，踩踏和压实作用，显著抑制了地气间物质交换过程。(3)通用性限制：现有少量的密闭式自动观测箱，采用高压气体驱动气缸完成箱盖的开启与关闭，需要空气压缩机和大功率电力供应，设备维护和运行环境要求高，不适于长期野外运行，而且在高纬度、高海拔地区冬季压缩气体中过饱和的水汽冻结后堵塞管路，因此无法在高寒区域进行周年连续测量，其通用性和测量数据的连续性无法保证。(4)大气压力：以往研究多采用水封方式，即密闭式采样箱与基座结合处采用水槽加水的方式密封，关箱过程中由于水槽内水位变化对箱内大气压力产生较大干扰。另外，密闭箱法采样操作(抽取密闭箱内气体样品用于分析测定气态物质浓度变化，要求有一定的采样量和采样流速以满足分析仪器进样量要求)同样对箱内大气压力产生不小的干扰，而已有研究表明箱内压力微小的变化将对地气交换通量产生极显著甚至是数量级的影响，因此亟待解决关箱和采样操作对箱内大气压力的干扰，使密闭式箱体内外大气压力始终保持一致。

测量的目的是测定自然环境条件下陆地生态系统与大气间物质交换通量，然而，在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术密闭式物质通量手动或自动观测箱具有如下缺陷：(1)测量过程对光照条件、温湿度、大气压力和植被土壤状况产生显著干扰；(2)无法实现高寒地区的周年连续观测。因此，现有技术测量结果代表性差、随机误差大、数据连续性无法保证，导致陆地生态系统气态物质源汇强度估算存在较大的不确定性，当前亟待研发新型密闭式物质通量自动观测箱，以减少观测过程对生态系统和自然环境条件的扰动，增加测量数据的连续性和可靠性，进而提升陆地生态系统与大气间气态物质交换通量观测结果代表性和测量精确度，为“国家温室气体源汇清单”编制、碳氮生物地球化学循环模型验证以及气候变化研究和国际气候谈判提供可靠详实测定数据与技术支撑。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种密闭式物质通量自动观测箱，能够实现全或半自动地气交换通量观测，避免或显著减少了对观测生态系统的干扰，对各种陆地生态系统可实现全时域和地域观测，因此能够显著提升地气交换通量观测结果的准确性和代表性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种密闭式物质通量自动观测箱，其特征在于，包括：基座；箱体，其上部和下部均开口，所述下部放置于基座上；箱盖；以及电动推杆，电动推杆固定于所述箱体上，所述电动推杆与箱盖上的箱盖横臂连接，通过电动推杆控制箱盖的自动开启和关闭。

密闭式物质通量自动观测箱能够实现全自动或半自动的、全时域和地域(包括高寒地区冬季)的气态物质地气交换通量测量，相较过去常用的密闭式物质通量手动或自动箱至少具有如下技术优点和有益效果：

(1)采用电动推杆，而非手动或者空气压缩机和气缸驱动箱盖的开启和关闭，减少人力、电力和设备维护和运行要求，避免冬季低温空气压缩机内高压气体过饱和的水汽凝结后堵塞管路的问题，实现了全时域和地域连续自动观测(包括高寒高海拔地区)。

(2)箱体和箱盖全部采用高透过率材料，可见光波段(波长：380～780nm)箱体平均透过率92％(见图2)，能够显著减小关箱对箱内光照、温湿度条件、植物生理过程和微生物活性的影响。

(3)对主要环境参数(空气温度、光合有效辐射、土壤温度和土壤湿度)进行同步观测，通过建立辐射和温度校正方案，修正关箱对箱内光合和呼吸作用的影响，因此能够准确度量生态系统―大气间二氧化碳净交换通量(即光合和呼吸速率净差值)，解决了密闭式暗箱和低透过率密闭式透明箱无法准确测量二氧化碳净交换通量的局限。

(4)安装橡胶密封圈和压力平衡装置，取代以往密闭箱法常用的水槽加水密封方式和无平衡管设计，避免了关箱和采样操作过程对箱内大气压力的显著影响，保证了地气交换通量测量结果的准确性。

(5)每个密闭式物质通量自动观测箱配备两个及以上数量的基座，箱体定期在不同基座上轮换可以避免长期定位关箱测量对箱内环境条件的剧烈改变，机械夹的使用便于箱体在不同基座上的快速安装。

(6)通过切换阀可实现密闭式静态箱和密闭式动态箱两种模式的转换，因此本发明密闭式物质通量自动观测箱可同时适用于高(密闭式动态箱模式：高流速采样)、低频(密闭式静态箱模式：低流速采样)观测仪器需求，可对多种气体组分进行同步测量。

(7)相对于常用的长方体设计，箱体、箱盖和基座采用圆形和圆柱体设计减少箱体比表面积，增加空间代表性同时，减少箱体材料对待测气态物质的吸附作用。

(8)通过更换不同高度支撑杆以改变箱体高度来适应不同生态系统植被特点，使箱体可完全覆盖整株植物，在保证尽量低通量检测下限的同时(通量检测下限与箱体高度成正比)，确保了本发明设计在不同生态系统类型的通用性。

“密闭式物质通量自动观测箱”的研发全面避免或减少了对观测生态系统的干扰，确保了对各种生态系统全时域和地域的通用性，因此能够显著提升地气物质交换通量观测结果准确性和代表性，大大降低陆地生态系统物质源汇强度估算的不确定性，能够为国家温室气体清单编制、碳氮生物地球化学循环模型验证以及气候变化研究和国际气候谈判提供详实可靠测定数据与技术支撑。

附图说明

图1为密闭式物质通量自动观测箱开启和关闭状态示意图；

图2为密闭式物质通量自动观测箱可见和近红外波段透过率。

【主要元件】1.密封圈；2.环境因子传感器；3.箱体；4.切换阀；5.循环回路；6.采样气路；7.隔膜泵；8.支撑杆；9.机械夹；10.基座；11.箱盖；12.压力平衡装置；13.箱盖横臂；14.电动推杆；15.直流供电。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种密闭式物质通量自动观测箱，包括：基座10；箱体3，其上、下部开口，所述下部放置于基座10上；箱盖11；以及电动推杆14，电动推杆14固定于密闭式箱体3上，电动推杆14与箱盖上的箱盖横臂13连接，通过电动推杆控制箱盖的自动开启和关闭。

观测期间，所述下部与基座10之间密封，箱盖11与箱体3的上部密封。

电动推杆14需24伏特直流供电，正、反向供电实现电动推杆14的收缩与伸展动作，即箱盖11的关闭和开启。与定时定向供电系统配套可实现箱盖的全自动关闭和开启；与蓄能电池配套，人为改变直流供电的正负极可实现箱盖的半自动关闭和开启，供电线路长度可根据需要自由设定，一般原则是供电终端要远离密闭式箱体3和基座10位置，避免频繁操作和走动对待测生态系统周边植被和土壤环境的扰动和破坏。电动推杆14要有足够的推力，保证箱盖11完全开启以及关闭时的密闭性，当箱盖11到达预设关闭位置时，安全开关断开，直流供电15停止供电，避免电动推杆14推力过大导致密闭式箱体3和箱盖11变形甚至损坏。

所述箱体的侧壁上具有过壁圆孔；所述密闭式物质通量自动观测箱还包括：切换阀，通过其中一个过壁圆孔设置在所述侧壁上，实现密闭式静态箱模式和密闭式动态箱模式的转换。密闭式物质通量自动观测箱设计为密闭式静态和动态箱通用型，通过切换阀4的关和开状态实现密闭式静态箱(单向采样)和密闭式动态箱(循环回路)的转换，进而分别与低频(低采样流速、小进样量)和高频分析仪器(高采样流速、大进样量)联用，实现多种气体成分的同步测量。不同功率隔膜泵或与流量调节阀配合使用能够为不同仪器提供差异化采样流速，原则是即保证仪器进样量要求，又要尽量避免大流量采样对箱内大气压力和蒸散状况的扰动。

在本实施例中，密闭式物质通量自动观测箱还包括：

数据采集部分：通过另一个过壁圆孔设置在所述侧壁上，静态模式下，数据采集部分包括隔膜泵7和采样气路6；动态模式下，数据采集部分包括隔膜泵7、采样气路6和循环回路5；

隔膜泵实现气体样品的自动采集。

进一步的，数据采集部分还包括：环境因子传感器2，其通过再一个过壁圆孔置于所述箱体3内，对环境参数进行同步观测，用于地气交换通量校正计算。

在本实施例中，环境因子传感器2包括：空气温度传感器、光合有效辐射传感器、土壤温度传感器和土壤湿度传感器。

具体的，箱体侧壁(距离箱顶150mm)开过壁圆孔3个，其中1个为环境因子传感器过壁孔，其余2个分别为采样气路和循环回路孔。环境因子传感器2通过箱体3侧壁上的过壁孔置于箱体内，密闭式静态和动态箱切换阀4和循环回路5通过箱体3侧壁上的循环回路孔而设置在所述侧壁上，隔膜泵7和采样气路6通过箱体3侧壁上的采样气路孔深入箱体中央位置。

另外，箱体3内连续采样操作会导致箱内负压、产生质量流将显著高估实际地气交换通量，因此应安装箱内外压力平衡装置，压力平衡装置12安装在箱盖11上，环状碟行平衡口设计可以减少水平侧向风对密闭箱体内环境的影响，压力平衡装置12中平衡管的尺寸(直径和长度)依据箱体体积和测定期箱外平均风速的大小而设定，原则应保证连续采样时箱内外气压一致，又要减少因平衡管尺寸过大、气体分子梯度扩散剧烈造成地气交换通量的低估。

箱体3采用圆柱体设计，相对于立方体，相同体积下的比表面积小，横截面积大，增加测定结果空间代表性的同时，最大程度减少箱体内部表面可能对待测气态物质的吸附作用。

进一步的，有机玻璃构成箱体的上、下边框，所述上、下边框以支撑杆连接，更换不同高度的支撑杆以使箱体高度可调节，圆柱体内径500～1000mm，支撑杆8高度为500～1500mm，根据待测生态系统植被特点选择不同内径的边框和不同高度的支撑杆，以保证箱内面积对生态系统地表平均状态具有代表性，以及箱体能够完全覆盖整株植物且箱体高度高于植被最大高度150mm以上，使箱内空气能够充分扩散和流动，保证密闭式箱体内气体浓度均匀。

箱盖11为圆形，圆形箱盖11的外缘为有机玻璃(宽度：25mm)。

基座10的主体为圆柱体(内径：500～1000mm；高度：200～400mm)，下缘开刀口，便于斩断根茎埋设进入土壤，上缘延展出边框(宽度：25mm)，以增加与箱体3底部有机玻璃边框的接触面积便于密封。

进一步的，基座10的材料为304不锈钢(厚度：2mm)，以保证足够的机械强度和防腐性，便于在土壤中埋设并确保不会因腐蚀影响土壤化学性质和生物活性。野外测定开始前一周基座埋设进土壤，埋设深度依据生态系统类型而有所差异，有频繁干扰或地表高度差较大的生态系统如翻耕农田和自然湿地埋设深度应大于200mm，以保障关箱后箱内气态物质浓度累积后不在土壤表层发生快速横向扩散，进而大幅低估地气交换通量水平。通常一个箱体配套两个及两个以上的轮换基座，以减少长期定位关箱对土壤-植被环境状况的影响。

另外，支撑杆的高度可以调节，以改变箱体高度来适应不同生态系统植被特点，使箱体可完全覆盖整株植物，在保证尽量低通量检测下限的同时(通量检测下限与箱体高度成正比)，确保了本发明设计在不同生态系统类型的通用性。

请参阅图2，箱体3和箱盖11为高透过率材料，所述高透过率材料为透过率大于90％的材料。在本实施例中，可见光(波长：380～780nm)平均透过率92％，能够显著减小关箱对箱内光照条件和植物光合生理过程的影响，同时通过建立的校正方案，修正关箱引起的箱内光合有效辐射和温度变化对光合和呼吸作用的影响，因此能够准确度量生态系统―大气间二氧化碳净交换通量(即光合和呼吸速率净差值)，解决了密闭式暗箱(隔绝光线，植物无法进行光合作用)和低透过率密闭式透明箱无法测定二氧化碳净交换通量的局限。另外，高透过率材料可以减少关箱后箱内温度的快速升高和蒸散条件的变化，因此大幅提升了地气交换通量测量结果的准确性。

进一步的，高透过率材料为聚碳酸酯或聚酯，密闭式箱体3的上、下边框之间，聚碳酸酯或聚酯材料构成圆柱体侧面(箱体主体部分)，圆形箱盖11有机玻璃外缘内嵌聚碳酸酯或聚酯材料构成箱盖主体部分，有机玻璃和聚碳酸酯材料接口处采用机械压紧和玻璃胶粘合两种方式确保密闭性。

测定开始前一周基座10埋设入土壤，测定期间箱体3的下部安装在基座10上，箱体与基座之间用机械夹固定，通过机械夹9和密封圈1保证结合处的密封性，直流供电15为电动推杆14正向供电，电动推杆(收缩)拉动箱盖11关闭，电动推杆拉力与密封圈共同确保箱盖与密闭式箱体结合部的密封性，密封圈安装在所述箱体的上、下边框上，隔膜泵7经采样气路6采集气体样品输送至检测仪器，切换阀4实现密闭式静态和动态箱两种模式转换，密闭式物质通量自动观测箱在动态箱模式下循环回路5将经过检测仪器后的样品气体返回密闭式箱体3内，压力平衡装置12保证采样时箱内外气压平衡，环境因子传感器2测量光合有效辐射、空气温度、土壤温度和土壤湿度等环境参数，提供校正参数。非测定期反向供电使电动推杆14(伸展)推动箱盖开启。

箱盖11与箱体3以及箱体3与基座10结合处黏贴有密封圈1，箱盖11与箱体3通过电动推杆拉力密封，箱体3与基座10结合处通过机械夹9压力密封，使用机械夹便于箱体在不同基座位置上定期(如每周)、快速轮换，进一步减少长期定位关箱对土壤―植被状况的改变。

测定期间，箱盖关闭，通过测定密闭箱体内气态物质浓度的累积/减少速率来计算陆地生态系统排放/吸收待测物质的速率，即地气交换通量；非测定期，箱盖开启，以减少持续关箱对箱内环境条件的影响。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种密闭式物质通量自动观测箱，其特征在于，包括：

基座；

箱体，其上部和下部均开口，所述下部放置于基座上；

箱盖；以及

电动推杆，电动推杆固定于所述箱体上，所述电动推杆与箱盖上的箱盖横臂连接，通过电动推杆控制箱盖的自动开启和关闭。

2.根据权利要求1所述的密闭式物质通量自动观测箱，其特征在于，所述箱体为圆柱体，所述箱盖为圆形，所述基座的主体为圆柱体。

3.根据权利要求2所述的密闭式物质通量自动观测箱，其特征在于，所述箱体的上、下边框为有机玻璃，所述箱盖的外缘为有机玻璃，所述基座的材料为不锈钢。

4.根据权利要求3所述的密闭式物质通量自动观测箱，其特征在于，所述箱体的上、下边框之间和箱盖的外缘之内，嵌入高透过率材料，构成箱体主体侧面和箱盖主体部分，所述高透过率材料为透过率大于90％的材料。

5.根据权利要求4所述的密闭式物质通量自动观测箱，其特征在于，所述高透过率材料为聚碳酸酯或聚酯。

6.根据权利要求1所述的密闭式物质通量自动观测箱，其特征在于，所述密闭式物质通量自动观测箱还包括：

压力平衡装置，安装在箱盖上，用于保证采样时箱体内外气压一致。

7.根据权利要求1所述的密闭式物质通量自动观测箱，其特征在于，所述密闭式物质通量自动观测箱还包括：

密封圈，安装在所述箱体的上、下边框上，在观测期间用于密封箱盖与箱体的结合处，以及用于密封箱体与基座的结合处。

8.根据权利要求1所述的密闭式物质通量自动观测箱，其特征在于，

所述箱体的侧壁上具有过壁圆孔；

所述密闭式物质通量自动观测箱还包括：切换阀，通过第一过壁圆孔设置在所述侧壁上，实现密闭式静态箱模式和密闭式动态箱模式的转换。

9.根据权利要求8所述的密闭式物质通量自动观测箱，其特征在于，所述密闭式物质通量自动观测箱还包括：

数据采集部分：通过第二过壁圆孔设置在所述侧壁上，静态模式下，数据采集部分包括隔膜泵和采样气路；动态模式下，数据采集部分包括隔膜泵、采样气路和循环回路；

隔膜泵实现气体样品的自动采集。

10.根据权利要求9所述的密闭式物质通量自动观测箱，其特征在于，所述数据采集部分还包括：

环境因子传感器，其通过第三过壁圆孔置于所述箱体内，对环境参数进行同步观测，用于地气交换通量校正计算。

11.根据权利要求10所述的密闭式物质通量自动观测箱，其特征在于，所述环境因子传感器包括：空气温度传感器、光合有效辐射传感器、土壤温度传感器和土壤湿度传感器。

12.根据权利要求3至5中任一项所述的密闭式物质通量自动观测箱，其特征在于，所述箱体的上、下边框以支撑杆连接，更换不同高度的支撑杆以使箱体高度可调节。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的密闭式物质通量自动观测箱，其特征在于，所述箱体配套多个基座，箱体与基座之间用机械夹固定，以便于箱体在不同基座上的轮换。