CN106770933B - 箱式法物质通量自动观测的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种箱式法物质通量自动观测的系统，包括：主管路、N个测量通路、主控单元、分析单元以及信息单元。在N个测量通路中，对于每一测量通路，包括：观测箱，放置在待测区域，其中，N≥1，通过管路连接至测量主管路中；主控单元包括：N个第一两位两通电磁阀，分别设置于N个测量通路中；分析单元与主控单元相连接，用于对气体样品组分含量进行测定；信息单元控制主控单元执行以下操作：控制选定测量通路的观测箱关闭、控制所述选定测量通路中的第一两位两通电磁阀打开、以及控制所述选定测量通路的气体样品输送至分析单元，分析单元测定气态组分含量。

Description

箱式法物质通量自动观测的系统及方法

技术领域

本发明涉及陆地生态系统监测领域，具体涉及一种高频率连续监测陆地生态系统与大气间气态物质交换通量的箱式法物质通量自动观测的系统及方法。

背景技术

气候变化与人类活动剧烈影响陆地生态系统(森林、草地、荒漠、湿地和农田)，作为人类生存环境主体的陆地生态系统对这种双重影响产生反馈作用，陆地生态系统与大气间物质交换过程正是这种叠加影响与反馈作用的途径，深入研究陆地生态系统与大气间气态物质(温室气体、气态活性碳氮成分、水汽、气态污染物等)交换是正确认知气候变化影响、解决环境污染问题和提出科学性适应策略的前提基础。陆地生态系统与大气间气态物质交换通量以下简称地气交换通量，即单位时间内通过陆地生态系统与大气界面单位面积的气态物质质量。密闭箱法是测量地气交换通量最主要的方法其原理是采用密闭箱体覆盖于土壤―植被体系之上，通过测定密闭箱体内气态物质浓度随时间的变化速率来计算陆地生态系统与大气界面物质的交换速率(即地气交换通量)。当前密闭箱法地气交换通量观测研究基本采用间歇式低频人工观测方法(如每周观测1～2次)，人工观测的缺点是显而易见的，需要投入大量的人力和时间进行采样分析工作，采样随机误差导致地气交换总量估算具有较大偏差，更为重要的是地气交换通量具有极高的日、季节和年际变异特征，气候变化和人类活动影响往往是随机发生又即刻显现的，间歇式低频人工观测无法在野外进行高频率连续监测，因而无法准确刻画和度量地气交换通量的时间变异规律、周年累积交换量、以及气候变化和人类活动影响。

陆地生态系统与大气间气态物质交换过程显著影响大气中温室气体、碳氮活性成分、水汽和污染物的浓度，但当前全球陆地生态系统与大气间物质交换过程及其对大气温室效应和大气污染的影响和调节功能研究仍然薄弱，主要原因在于陆地生态系统的多样性以及陆地生态系统与大气间物质交换过程的复杂性与强烈的时空变异性，以往以间歇式人工观测为主的观测方法受人力资源和环境条件所限，无法长周期高频率准确度量陆地生态系统与大气间物质交换的时间变异规律和周年累计交换总量，导致陆地生态系统物质源汇强度估算存在巨大的不确定性。

发展基于密闭箱法原理的自动观测技术，可以很好的表征地气交换通量的时间变异规律，解决间歇式低频人工观测结果随机误差大、时间代表性差的问题。国内外在基于密闭箱法原理的地气交换通量自动观测技术研发方面做了一些尝试，较常用的间歇式低频人工观测已取得一定的进步，然而，在实现本发明的过程中，申请人发现现有的自动观测技术具有如下缺陷：(1)观测物质种类单一，缺乏多种物质组分的集成观测技术，无法识别不同物质排放过程之间的协同或消长关系。(2)缺乏对环境影响要素的综合观测，无法对环境因子影响进行定量评估和校正计算，更无法从机制机理上阐明气候变化和人类活动对地气交换过程的影响。(3)未能解决密闭箱长期关箱、采样测量对温湿度、植物生长、微生物活性、土壤结构和大气压力等环境条件的影响，地气交换通量测量结果误差大、代表性差。(4)关箱期间低频次(2～3次)测量气态物质浓度变化，无法捕捉密闭箱体内气体物质浓度累积的非线性特征，因此，不得不采用线性拟合计算累积交换速率，显著低估实际地气交换通量水平。(5)未考虑高纬度高海拔地区和多种生态系统的适用性，无法进行全时域和地区观测，系统通用性和稳定性差，长期监测数据不连续。(6)观测系统设计复杂、耗电量大、集成度低，配套软件(如通量数据处理程序、操作维护说明书、野外监测规范等)不健全，难于普及推广和在野外恶劣环境下运行。因此，当前亟待研发新型“箱式法物质通量自动观测的系统及方法”，以降低观测过程对环境条件的影响，实现全时域和地域对多种物质的地气交换通量和环境因子进行高频连续集成观测，降低系统运行环境要求，使其高度简化和集成，便于野外运行维护，进而为生物地球化学循环、温室气体减排和污染物调控研究提供先进技术方法和长周期高频率高质量观测数据集。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种箱式法物质通量自动观测的系统及方法，能够高频连续自动观测陆地生态系统与大气间气态物质交换通量，实现全时域和地域对多种物质组分的交换通量及环境因子高频、连续、集成测量，解决现有手动和自动观测技术剧烈影响环境条件、通用性差、以及测量数据不连续、代表性差和误差大的问题，因此将显著提高陆地生态系统气态物质地气交换通量测量水平与测定结果的准确性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种箱式法物质通量自动观测的系统，其特征在于，包括：主管路、N个测量通路、主控单元、分析单元以及信息单元，在N个测量通路中，对于每一测量通路，包括：观测箱，放置在待测区域，其中，N≥1，通过管路连接至测量主管路中；主控单元包括：N个第一两位两通电磁阀，分别设置于所述N个测量通路中；分析单元与所述主控单元相连接，用于对气体样品组分含量进行测定；以及信息单元控制主控单元执行以下操作：控制选定测量通路的观测箱关闭、控制所述选定测量通路中的第一两位两通电磁阀打开、以及控制所述选定测量通路的气体样品输送至分析单元，分析单元测定气态组分含量。

根据本发明的另一个方面，提供了一种箱式法物质通量自动观测方法，包括：令第二两位两通电磁阀打开、第三两位三通电磁阀的第二和第三端联通，标准气体经气路进入第二分析模块；令第一两位三通电磁阀的第二和第三端联通、第二两位三通电磁阀的第一和第三端联通、第三两位两通电磁阀打开，采集环境空气为电子除水器排水；令中间继电器正向供电，箱盖盖合于箱体上；令第一两位两通电磁阀打开，第一两位三通电磁阀的第一和第三端联通，对密闭式箱体内气体样品进行依次自动采样，游标刻度针阀调节气体样品采集流速满足仪器进样量要求，第二两位三通电磁阀的第一和第二端联通，采集的气体样品经气路进入第一分析模块，第二两位三通电磁阀的第一和第三端联通、第三两位三通电磁阀的第一和第二端联通，采集的气体样品经气路进入第二分析模块；令分析单元对标准气体和气体样品的组分含量进行依次测定，将测定结果传输并存储至信息单元；令环境因子测量单元对密闭式箱体内外环境参数进行测量，信息单元控制环境因子测量单元各种传感器的供电时间，按设定频率采集和记录环境参数并用于通量的校正计算；令信息单元对数据进行计算和质量控制，得到气态物质地气交换通量。

本发明“箱式法物质通量自动观测的系统及方法”可以实现高频(逐时)、连续(多年际)刻画地气交换通量的时间变异规律，捕捉各种人为和环境要素随机和快速的影响，降低对环境条件的影响及测量误差，能够准确定量周年累计交换总量，彻底解决现有基于密闭箱原理的间歇式低频人工或中、高频自动观测技术对环境影响大、通用性差，以及测定结果不连续、代表性差和误差大的问题，可以显著降低陆地生态系统物质源汇强度测量与估算的不确定性，为国家温室气体清单编制以及气候变化和人类活动对陆地生态系统的影响与反馈研究提供关键技术，为生物地球化学循环模型的发展提供高质量参数率定和模型验证数据，该技术发明将显著促进陆地生态系统碳氮循环与全球变化研究领域相关学科和技术的发展。

本发明还具有以下技术特点和有益效果：

(1)能够全时域和地域高频连续自动观测陆地生态系统与大气间气态物质交换通量和环境变量，该自动观测系统适用于各类陆地生态系统类型；

(2)采用电动推杆和中间继电器完成开关箱动作，在保证市电供应正常前提下，可全时域、全地域连续观测地气交换通量(包括高海拔、高纬度地区冬季低温条件下的观测)，确保了观测系统的通用性和稳定性，以及观测数据的连续性。

(3)通过全箱体使用高透过率材料、交替轮换关箱观测、密闭式箱体定期更换基座位置、安装采样平衡装置并维持合理采样流速、多轮次测定、使用环境空气而非样品气体为管路排水、降雨期自动停止观测箱盖全部开启等一系列技术手段最大程度减少关箱测量对生态系统和自然环境条件的影响，通过环境因子测量与校正方案计算，显著增加测定结果的代表性和准确性。

(4)对多种物质的交换通量(甲烷，氧化亚氮，二氧化碳和水汽等)和环境因子(降雨、气温、光合有效辐射、土壤温度和湿度等)进行集成观测，依据观测目的需要，还可以在非破坏性检测仪器下气路增加气态物质浓度检测仪器以补充气态物质的测定种类。多要素集成观测有利于综合分析环境和气候效应，识别不同物质排放之间的协同或消长关系，从机制机理上阐明气候变化和人类活动对生态系统的影响与反馈作用。

(5)对密闭式箱体内气态物质浓度变化进行高频次观测，能够度量关箱后气态物质浓度累积的非线性特征，准确定量浓度累积初始速率和自然环境条件下实际的地气交换通量水平。

(6)通过安装电子除水器解决了低速采样，气体样品中过饱和水汽凝结堵塞管路和污染仪器检测器的问题，显著提高了观测系统的可靠性与测量数据的连续性。

(7)主控和分析单元分别集成于铝制通用运输箱内，便于长途运输与野外快速安装运行；全部自动控制和数据采集软件集成一体，数据记录时间统一匹配，便于数据处理与质量控制，可实时显示动态数据结果，及时监控系统运行和试验进展情况；全部系统集成度高、可视化程度高，便于使用维护和普及推广。

附图说明

图1为本实施例箱式法物质通量自动观测系统组成图；

图2为本实施例箱式法物质通量自动观测系统示意图。

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、2，本发明实施例提供了一种箱式法物质通量自动观测的系统，包括：N个密闭式观测箱、主控单元、分析单元以及信息单元。N个密闭式观测箱放置在待测区域，其中，N≥1；主控单元与每个观测箱通过电路和气路连接，用于控制观测箱的定时开启和关闭，以及标准气体和样品气体的自动采集，然后输送到分析单元；分析单元与主控单元相连接，用于测定样品气体的物质浓度；信息单元与所述主控单元、分析单元相连接，完成控制信号传输以及分析单元的数据存储记录。

具体的，所述系统包括：主管路、N个测量通路、主控单元、分析单元和信息单元。N个测量通路中，对于每一测量通路，包括：观测箱，放置在待测区域，其中，N≥1，通过管路连接至测量主管路中。

主控单元包括：N个第一两位两通电磁阀，分别设置于所述N个测量通路中。

分析单元与所述主控单元相连接，用于对样品气体组分含量进行测定。

信息单元控制主控单元执行以下操作：

首先，控制选定测量通路的观测箱关闭；

而后，控制所述选定测量通路中的第一两位两通电磁阀打开；

再后，控制所述选定测量通路的气体样品输送至分析单元，分析单元测定气体样品的气态组分含量。

在本实施例中，所述系统还包括环境因子测量单元，与所述信息单元相连接，信息单元控制环境因子测量单元中的各种传感器的定时供电，以设定频率存储所述各种传感器测量的周围环境参数。

供电单元，为观测箱、分析单元、主控单元、信息单元和环境因子测量单元提供电力并保护电器设备。

观测箱包括：箱体(N个)、箱盖(N个)、电动推杆(N个)和基座(3N个)。基座埋设于土壤中，箱体的上、下部开口，底部安装在基座上，测定期，箱盖关闭，所述底部与基座之间密封；箱盖与箱体密封；通过测定密闭式箱体内气态物质浓度的累积或减少速率来计算陆地生态系统排放或吸收待测物质的速率，即地气交换通量；非测定期，箱盖开启，以减少长期关箱对环境条件的影响。

电动推杆，与所述密闭式箱体和箱盖固定连接，正、反向直流供电实现电动推杆的缩和伸动作，进而完成箱盖的关闭和开启。

进一步的，密闭式箱体的上、下边框和箱盖的外缘由有机玻璃构成(透过率材料替代传统的金属框架)，箱体和箱盖的主体为高透过率材料，所述高透过率材料为透过率大于90％的材料。在可见与近红外波段，密闭式箱体透过率大于90％，最大程度减少了关箱对植物光合作用的影响，通过箱内外光合有效辐射和气温的数值方程校正，可实现二氧化碳净交换通量(光合和呼吸速率的净差值)的准确度量。

进一步的，高透过率材料为超薄(厚度<0.5mm)聚碳酸酯或聚酯。

为了优化上述技术方案，箱盖上设置压力平衡装置，平衡关箱和采样过程中箱内外大气压力。

进一步的，每个箱体配套三个基座，该三个基座固定于不同位置，箱体每周在一个基座上轮换一次，定期更换箱体的基座位置，以减少长期定位关箱对环境条件的影响。

在本实施例中，主控单元包括：第一两位两通电磁阀、低压直流中间继电器、隔膜泵、游标刻度针阀、第一两位三通电磁阀、第二两位三通电磁阀。第一两位两通电磁阀(N个)分别设置于所述N个测量通路中；低压直流中间继电器(2N个)对电动推杆正向和反向供电；隔膜泵用于自动采集气体样品；游标刻度针阀调节样品气体采集流速满足仪器进样量要求。

所述信息单元与所述2N个直流中间继电器电性连接，执行以下操作：

控制所述直流中间继电器对电动推杆正向供电，令所述电动推杆工作，使所述箱盖盖合于所述箱体上，实现所述箱体的密闭；或

控制所述直流中间继电器对电动推杆反向供电，令所述电动推杆工作，使所述箱盖从所述箱体上打开，实现所述箱体的开放；

第一两位三通电磁阀，其第一端连接至所述主管路，其第二端连接环境空气，其第三端连接至隔膜泵进气口；

第二两位三通电磁阀，其第一端经过游标刻度针阀连接至所述隔膜泵出气口；

所述分析单元包括：第一分析模块和第二分析模块，第一分析模块与所述第二两位三通电磁阀的第二端连接，第二分析模块与所述第二两位三通电磁阀的第三端连接。

所述信息单元，与所述第一两位三通电磁阀、第二两位三通电磁阀、第一分析模块和第二分析模块电性连接，执行以下操作：

在执行第一分析模块进行分析时：控制第一两位三通电磁阀的第一和第三端联通，第二两位三通电磁阀的第一和第二端联通；

在执行第二分析模块进行分析时：控制第一两位三通电磁阀的第一和第三端联通，第二两位三通电磁阀的第一和第三端联通。

所述主控单元还包括：标准气体钢瓶、减压阀、电子除水器、第三两位三通电磁阀、第二两位两通电磁阀、第三两位两通电磁阀以及聚四氟乙烯空心管线若干。

减压阀，一端与标准气体钢瓶连接，另一端与第二两位两通电磁阀的第一端连接；

电子除水器，一端与第二两位三通电磁阀的第三端连接，另一端与第三两位两通电磁阀、第三两位三通电磁阀的第一端分别连接，第三两位三通电磁阀的第二端与第二分析模块连接；

第三两位三通电磁阀的第三端与第二两位两通电磁阀的第二端连接。

其中，箱体经第一两位两通电磁阀、第一两位三通电磁阀与隔膜泵连接，隔膜泵采集的气体样品经游标刻度针阀、第二两位三通电磁阀、第一气路进入所述第一分析模块；所述气体样品经第二两位三通电磁阀、电子除水器、第三两位三通电磁阀、第二气路进入所述第二分析模块；标准气体经减压阀、第二两位两通电磁阀、第三气路、第三两位三通电磁阀、第二气路进入所述第二分析模块；隔膜泵经过第一两位三通电磁阀采集环境空气后，再经游标刻度针阀、第二两位三通电磁阀、电子除水器、第三两位两通电磁阀、第四气路放空并排除电子除水器内的水分。

具体的，一对低压直流中间继电器实现对一个观测箱的电动推杆的正、反向直流供电，以驱动电动推杆的缩、伸动作进而实现箱盖的关闭和开启。通过两位两通和两位三通电磁阀开关状态切换，实现3个标准气体样品和N个密闭式箱体内各5个气体样品的自动采集，后经第一和二气路进入第一和第二分析模块(具体样品采集和分析时间见表1)。电子除水器去除流经第二气路气体样品中过饱和的水汽，避免室内外温差、压力变化等因素导致气体样品中水汽凝结堵塞管路并对分析仪器造成污染。

分析单元包括：

第一分析模块：二氧化碳/水汽分析仪(LI-COR 840A，1台)和滤膜。滤膜与所述二氧化碳/水汽分析仪连接，过滤样品中大颗粒杂质、避免光路污染。依据测定物质需要还可增加气态物质浓度测量仪器(如氮氧化物分析仪等)，但应注意破坏性检测仪器(改变样品成分或浓度的检测器)应置于下气路，避免对其它仪器检测结果的影响。二氧化碳/水汽分析仪以1赫兹的频率测定气体样品中二氧化碳(CO₂)和水汽(H₂O)含量。

第二分析模块：气相色谱仪(Agilent 7890A，1台)。气相色谱仪以3分钟每个样品的频率测定气体样品中氧化亚氮(N₂O)和甲烷(CH₄)的浓度；

分析单元对密闭式箱体内气体浓度随时间的变化进行至少五轮次以上的测定(包含本底大气的浓度测定)，以表征和计算密闭箱体内气态污染浓度的非线性累积特征。

在本实施例中，环境因子测量单元包括：

空气温度传感器(5个，部分设置于箱体内，另一部分设置于周围环境)、土壤温度传感器(9个，设置于周围的田间)、防辐射罩(5个，安装在空气温度传感器上)、土壤湿度传感器(9个，设置于周围的田间)和光合有效辐射传感器(5个，部分设置于箱体内，另一部分设置于周围环境)，设置于周围环境和箱体内，对环境参数进行测量，用于地气交换通量校正计算和影响机制阐明。

翻斗式雨量计，用于检测降雨信息，降雨期所述系统自动停止观测，箱盖开启，箱体内接受自然降水，降雨结束后，所述系统自动恢复观测；

防水防尘接线箱，作为室外控制终端机箱。

以上传感器、防辐射罩和雨量计可高频连续测量本底环境的降雨量、空气温度和光合有效辐射，密闭式箱体内空气温度和光合有效辐射，以及三个田间处理的土壤温度和土壤湿度(每个处理3个重复)。

进一步的，防水防尘接线箱作为室外控制终端机箱，内安装有供电单元的空气开关和开关电源，以及信息单元的模拟量输入和继电器输出模块，以上设备控制传感器定时供电以及传感器电压和电流信号采集与传输。

供电单元包括：空气开关、开关电源和电源线若干(0.5～2平方电线)。1个空气开关作为主控单元的电源开关，其余为环境因子测量单元中防水防尘接线箱(即控制终端采集器机箱T1-1、T1-2、T1-3、T1-4、T2和T3，如图1所示)的电源开关，当工作电流超过额定电流、短路和失压等情况下，空气开关自动切断电路，以保护全部电器设备。开关电源将220伏特交流电转为低压直流电(12和24伏特)为温湿度传感器(12伏特)，电动推杆、电磁阀、二氧化碳/水汽分析仪、翻斗式雨量计加热带以及模拟量输入和继电器输出模块(24伏特)供电，其余设备如：电子除水器、隔膜泵、气相色谱仪和计算机采用交流供电(220伏特)。

信息单元包括：工业控制计算机、隔离RS-232到RS-422/485转换器、模拟量输入模块、继电器输出模块、雨量计数器、RS-485和RS-232串行总线若干、色谱运行与图谱处理软件(Agilent 2070A，商业软件)、系统控制与数据采集程序(CAS-Flux，MCGS组态软件，自主软件)和地气交换通量及环境因子数据处理程序(IAP-Flux，VisualFortran编译，自主软件)。隔离RS-232到RS-422/485转换器能够将RS-232信号透明转换为RS-485信号；模拟量输入模块用于采集温度、湿度和光合有效辐射传感器以及二氧化碳/水汽分析仪电压和电流信号；继电器输出模块用于控制气相色谱运行与停止、中间继电器通断电、两位两通和两位三通电磁阀开关状态切换。Agilent 2070A、CAS-Flux和IAP-Flux程序安装于工业控制计算机，工业控制计算机通过以太局域网与气相色谱仪连接，Agilent 2070A属于购买的商业软件，用于控制气相色谱仪的自动进样和图谱信号采集，CAS-Flux和IAP-Flux属于自主开发软件分别用于系统控制与传感器和分析信号采集，以及地气交换通量与环境因子的离线自动计算与数据质量控制。

其中，雨量计数器高频实时采集翻斗式雨量计的开关量信号，当检测到降雨信息后，CAS-Flux程序自动停止系统运行，箱盖全部开启，保证箱体内接受自然降水，使箱内外降雨和水分环境条件一致，降雨结束后的下一个整时刻观测系统自动恢复观测。

本发明还提供了一种箱式法物质通量自动观测系统的观测方法，所述观测方法执行以下步骤：

令第二两位两通电磁阀打开、第三两位三通电磁阀的第二和第三端联通，标准气体经气路进入第二分析模块；

令第一两位三通电磁阀的第二和第三端联通、第二两位三通电磁阀的第一和第三端联通、第三两位两通电磁阀打开，采集环境空气为电子除水器排水；

令中间继电器正向供电，箱盖盖合于箱体上；

令第一两位两通电磁阀打开，第一两位三通电磁阀的第一和第三端联通，对密闭式箱体内气体样品进行依次自动采样，游标刻度针阀调节气体样品采集流速满足仪器进样量要求，第二两位三通电磁阀的第一和第二端联通，采集的气体样品经气路进入第一分析模块，第二两位三通电磁阀的第一和第三端联通、第三两位三通电磁阀的第一和第二端联通，采集的气体样品经气路进入第二分析模块；

令分析单元对标准气体和气体样品的组分含量进行依次测定，将测定结果传输并存储至信息单元；

令信息单元对数据进行计算和质量控制，得到气态物质地气交换通量。

所述观测方法还执行：令环境因子测量单元对密闭式箱体内外环境参数进行测量，信息单元控制环境因子测量单元各种传感器的供电时间，按设定频率采集和记录环境参数并用于通量的校正计算。

基于箱式法物质通量自动观测系统的详细过程为：安装在工业控制计算机上的CAS-Flux程序通过信息单元控制中间继电器、两位两通和两位三通电磁阀的开/关状态切换，完成一个测量周期即状态1至状态5的过程。状态1：标准气体钢瓶内标准气体经第三和第二气路对气相色谱进样，同时环境空气去除电子除水器管路内的积水；状态2：隔膜泵对观测箱内气体样品进行第一轮次采样(大气本底样品)，游标刻度针阀调节气体样品采集流速满足仪器进样量要求，经第二气路对气相色谱进样；状态3：继电器输出模块与中间继电器对安装在箱体上电动推杆正相供电，电动推杆收缩、箱盖关闭，隔膜泵采集密闭式箱体内气体样品经第一气路对二氧化碳/水汽分析仪进样；状态4：隔膜泵对密闭式箱体内气体样品进行第二至第五轮次采样，经第二气路对气相色谱进样，电子除水器去除过饱和水汽，避免水汽凝结堵塞管路和污染色谱柱；状态5：继电器输出模块与中间继电器对安装在箱体上电动推杆反相供电，电动推杆伸展、箱盖开启，完成一个测定周期，非观测期，箱盖开启，以减少长期关箱对箱内环境条件的影响。

气相色谱仪分析气体样品中甲烷和氧化亚氮的浓度，二氧化碳/水汽分析仪测量气体样品中二氧化碳和水汽的含量。环境因子测量单元的雨量计和各种传感器高频连续测定大气本底降雨量、空气温度和光合有效辐射，密闭式箱体内空气温度和光合有效辐射，以及三个田间处理样地的土壤温度和土壤湿度。信息单元CAS-Flux程序采集、传输和记录分析仪器、雨量计和各种传感器的电压、电流和开关量信号，IAP-Flux程序对观测数据进行离线计算与质量控制。通过测定密闭式箱体内气态物质浓度的累积或减少速率、采用非线性拟合方法计算陆地生态系统排放或吸收待测物质的速率，即地气交换通量，环境因子测量用于数据校正和地气交换规律与影响机制阐明。

主控和分析单元分别集成于铝制通用运输箱内(外部尺寸：800×600×610mm)，便于长途运输与野外快速安装运行；全部自动控制和数据采集软件集成一体，数据记录时间统一匹配，便于数据处理与质量控制，可实时显示动态数据结果，及时监控系统运行和试验进展情况。

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。

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。

表1：样品采集与分析时间表(时间格式mm:ss)

Claims (7)

1.一种箱式法物质通量自动观测的系统，其特征在于，包括：

主管路；

N个测量通路，对于每一测量通路，包括：

观测箱，放置在待测区域，其中，N≥1，通过管路连接至测量主管路中；

主控单元，包括：

N个第一两位两通电磁阀，分别设置于所述N个测量通路中；

分析单元，与所述主控单元相连接，用于对气体样品组分含量进行测定；以及

信息单元，控制主控单元执行以下操作：

控制选定测量通路的观测箱关闭；

控制所述选定测量通路中的第一两位两通电磁阀打开；以及

控制所述选定测量通路的气体样品输送至分析单元，分析单元测定气态组分含量；

环境因子测量单元，与所述信息单元相连接，以设定时间和频率测量周围环境参数，该环境因子测量单元包括：

多个土壤温度传感器，设置于所述系统周围的田间；

多个土壤湿度传感器，设置于所述系统周围的田间；

多个空气温度传感器，部分设置于箱体内，另一部分设置于周围环境；

防辐射罩，安装在空气温度传感器上；

多个光合有效辐射传感器，部分设置于箱体内，另一部分设置于周围环境；和

雨量计，用于检测降雨信息，降雨期所述系统自动停止观测，箱盖打开，密闭式箱体内接受自然降水，降雨结束后，所述系统自动恢复观测；其中，

所述观测箱包括：

箱体，其上部和下部开口；

箱盖，设置于所述箱体上方；

电动推杆，与所述密闭式箱体和箱盖固定连接；

压力平衡装置，设置于所述箱盖上，用于平衡关箱和采样过程中箱内外大气压力；所述箱体的上、下边框和箱盖的外缘为有机玻璃，所述箱体和箱盖的主体为高透过率材料，所述高透过率材料为聚碳酸酯或聚酯；

所述主控单元还包括：

2N个直流中间继电器，电性连接于所述电动推杆；

所述信息单元与所述2N个直流中间继电器电性连接，用于执行以下操作：

控制所述直流中间继电器对电动推杆正向供电，令所述电动推杆工作，使所述箱盖盖合于所述箱体上，实现所述箱体的密闭；或

控制所述直流中间继电器对电动推杆反向供电，令所述电动推杆工作，使所述箱盖从所述箱体上打开，实现所述箱体的开放。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述观测箱还包括：多个基座；

其中，该多个基座固定于不同位置，所述箱体在不同基座位置上定期进行轮换。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述主控单元还包括：

隔膜泵，用于采集气体样品；

游标刻度针阀，用于调节样品气体采集流速满足仪器进样量要求；

第一两位三通电磁阀，其第一端连接至所述主管路，其第二端连接环境空气，其第三端连接至隔膜泵进气口；

第二两位三通电磁阀，其第一端经过游标刻度针阀连接至所述隔膜泵出气口；

所述分析单元包括：

第一分析模块，与所述第二两位三通电磁阀的第二端连接；

第二分析模块，与所述第二两位三通电磁阀的第三端连接；

所述信息单元，与所述第一两位三通电磁阀、第二两位三通电磁阀、第一分析模块和第二分析模块电性连接，用于执行以下操作：

在执行第一分析模块进行分析时：控制第一两位三通电磁阀的第一和第三端联通，第二两位三通电磁阀的第一和第二端联通；

在执行第二分析模块进行分析时：控制第一两位三通电磁阀的第一和第三端联通，第二两位三通电磁阀的第一和第三端联通；

所述第一分析模块和第二分析模块对箱体内气体浓度随时间的变化进行至少五轮次以上的测定。

4.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述主控单元还包括：

标准气体钢瓶；

减压阀，一端与标准气体钢瓶连接，另一端与第二两位两通电磁阀的第一端连接；

电子除水器，一端与第二两位三通电磁阀的第三端连接，另一端与第三两位两通电磁阀和第三两位三通电磁阀的第一端分别连接，第三两位三通电磁阀的第二端与第二分析模块连接；

第三两位三通电磁阀的第三端与第二两位两通电磁阀的第二端连接。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述分析单元还包括：

气态物质浓度测量仪器，设置于第一分析模块的下气路。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述主控单元和分析单元分别集成于运输箱内。

7.一种基于权利要求1所述系统的观测方法，其特征在于，包括：

令第二两位两通电磁阀打开、第三两位三通电磁阀的第二和第三端联通，标准气体经气路进入第二分析模块；

令第一两位三通电磁阀的第二和第三端联通、第二两位三通电磁阀的第一和第三端联通、第三两位两通电磁阀打开，采集环境空气为电子除水器排水；

令中间继电器正向供电，箱盖盖合于箱体上；

令第一两位两通电磁阀打开，第一两位三通电磁阀的第一和第三端联通，对密闭式箱体内气体样品进行依次自动采样，游标刻度针阀调节气体样品采集流速满足仪器进样量要求，第二两位三通电磁阀的第一和第二端联通，采集的气体样品经气路进入第一分析模块，第二两位三通电磁阀的第一和第三端联通、第三两位三通电磁阀的第一和第二端联通，采集的气体样品经气路进入第二分析模块；

令分析单元对标准气体和气体样品的组分含量进行依次测定，将测定结果传输并存储至信息单元；

令环境因子测量单元对密闭式箱体内外环境参数进行测量，信息单元控制环境因子测量单元各种传感器的供电时间，按设定频率采集和记录环境参数并用于通量的校正计算；

令信息单元对数据进行计算和质量控制，得到气态物质地气交换通量。