CN108844789A - 土壤气体采集装置及土壤气体采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种土壤气体采集装置及土壤气体采集系统，涉及土壤气体采集技术领域。该土壤气体采集装置包括气体扩散平衡管、干燥器、气泵和气体测定仪，气体扩散平衡管、干燥器、气泵和气体测定仪通过气道依次连接，其中，通过气体扩散平衡管具体结构的设计，使得该土壤气体采集装置可以同时观测不同深度的土壤层气体分布和扩散情况，可以采集淹水状态下的农田土壤剖面气体，且气体采集处开口孔隙不易被颗粒堵塞，该土壤气体采集装置，简单实用、经济高效、易于维护、便于推广，适用于干湿交替农田轮作系统条件下的原位多级扩散式分体采样系统。本发明还提供了一种土壤气体采集系统，包括上述土壤气体采集装置。

Description

土壤气体采集装置及土壤气体采集系统

技术领域

本发明涉及土壤气体采集技术领域，尤其是涉及一种土壤气体采集装置及土壤气体采集系统。

背景技术

农田温室气体排放是其在土壤中经过产生、消耗、运移以及向大气扩散等过程后的综合表观结果。研究土壤剖面温室气体的产生率和氧化是研究其浓度分布扩散等规律的基础。农田温室气体的分布主要集中于根土界面和水这两个氧气较富的区域，干湿交替的轮作系统具有独特的水分管理体系，测定干湿交替农田土壤剖面中温室气体分布和扩散特征有助于明确农田土壤温室气体的存储状况及产生位点，为农田减排应用提供更多科学依据。

然而，目前的土壤剖面气体采集装置对所需观测地点破坏性巨大，设备价格比较昂贵，不能同时原位观测不同土壤深度的多种气体分散以及浓度变化；另外，土壤剖面气体采集装置还存在无法采集淹水状态下的农田土壤剖面气体、开口孔隙易被颗粒堵塞，以及气体扩散受环境影响较大的技术缺陷。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种土壤气体采集装置，该土壤气体采集装置可同时观测不同深度的土壤层气体分布和扩散情况，可以采集淹水状态下的农田土壤剖面气体，且气体采集处开口孔隙不易被颗粒堵塞。

本发明的第二目的在于提供一种土壤气体采集系统。

为解决上述技术问题，本发明特采用如下技术方案：

本发明提供的一种土壤气体采集装置，包括气体扩散平衡管、干燥器、气泵和气体测定仪，所述气体扩散平衡管、干燥器、气泵和气体测定仪通过气道依次连接；

所述气体扩散平衡管包括管体和密封件，所述密封件与所述管体配合连接；

所述管体包括薄膜和管体骨架，所述薄膜为疏水透气薄膜，所述薄膜围合成一袋体结构，所述管体骨架为镂空结构并位于所述薄膜的外侧，所述管体内分割为若干级取样层，每级所述取样层均通过独立的气道与所述干燥器连通。

进一步的，在本发明技术方案的基础之上，所述薄膜为膨体聚四氟乙烯疏水透气薄膜。

进一步的，在本发明技术方案的基础之上，所述薄膜围合成一端开口的袋体结构，所述薄膜的开口端与所述密封件配合连接从而形成一存储空间。

进一步的，在本发明技术方案的基础之上，所述薄膜围合成一端开口的袋体结构，所述薄膜的开口端与所述密封件配合连接从而形成一存储空间。

进一步的，在本发明技术方案的基础之上，所述薄膜内部设置有两个密封件，两个所述密封件将所述管体分割成三级取样层；

三级取样层分别通过三个气道与所述干燥器连通。

进一步的，在本发明技术方案的基础之上，所述密封件为密封圈。

进一步的，在本发明技术方案的基础之上，所述管体骨架采用铁皮或铁丝围设而成。

进一步的，在本发明技术方案的基础之上，所述气体测定仪为LGR超便携式温室气体测定仪。

进一步的，在本发明技术方案的基础之上，所述薄膜的厚度为0.05-0.30mm。

本发明还提供了一种土壤气体采集系统，包括上述土壤气体采集装置。

与现有技术相比，本发明提供的土壤气体采集装置及土壤气体采集系统具有如下有益效果：

(1)本发明提供的土壤气体采集装置，包括气体扩散平衡管、干燥器、气泵和气体测定仪，气体扩散平衡管、干燥器、气泵和气体测定仪通过气道依次连接，其中，通过气体扩散平衡管具体结构的设计，使得该土壤气体采集装置可以同时观测不同深度的土壤层气体分布和扩散情况，可以采集淹水状态下的农田土壤剖面气体，且气体采集处开口孔隙不易被颗粒堵塞，且气体扩散不易受环境影响；该土壤气体采集装置，简单实用、经济高效、易于维护、便于推广，适用于干湿交替农田轮作系统条件下的原位多级扩散式分体采样系统。

(2)本发明提供的土壤气体采集系统，包括上述土壤气体采集装置。鉴于上述土壤气体采集装置所具有的优势，使得土壤气体采集系统也具有同样的优势，在土壤剖面温室气体采集领域具有良好的应用潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种气体扩散平衡管的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的薄膜与管体骨架的位置关系示意图；

图3为本发明实施例提供的薄膜与管体骨架另一角度的位置关系示意图；

图4为本发明实施例提供的土壤气体采集装置的结构示意图。

附图标记：

10-气体扩散平衡管；11-管体；12-密封盖体；111-薄膜；112-管体骨架；113-密封件；114-取样层；20-干燥器；30-气泵；40-气体测定仪；50-气道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

在均匀的一维半无限多孔介质空间中，由于边界处温室气体浓度随时间变化，在任何深度处的气体浓度由一维非稳态气体扩散行为控制，简单来说就是引发扩散通量由浓度的阶跃变化有足够的幅度来改变多孔介质膜另一面的浓度，也就是说，土壤浓度必须很好缓冲由任何引入的浓度变化该技术。考虑到设备的物理限制如混合时间、回路连续性、检测器噪声、检测极限等，本实施例提供了土壤气体采集装置，具体如图1-4所示，包括气体扩散平衡管10、干燥器20、气泵30和气体测定仪40，气体扩散平衡管10、干燥器20、气泵30和气体测定仪40通过气道50依次连接；

气体扩散平衡管10包括管体11和密封盖体12，密封盖体12与管体11配合连接；

管体11包括薄膜111和管体骨架112，薄膜111为疏水透气薄膜，薄膜111围合成一袋体结构，管体骨架112为镂空结构并位于薄膜111的外侧，管体11内分割为若干级取样层114，每级取样层114均通过独立的气道50与干燥器20连通。

本发明提供的土壤气体采集装置，包括气体扩散平衡管10、干燥器20、气泵30和气体测定仪40，气体扩散平衡管10、干燥器20、气泵30和气体测定仪40通过气道50依次连接，其中，通过对气体扩散平衡管10结构的特定设计，使得该土壤气体采集装置可以同时观测不同深度的土壤层气体分布和扩散情况，可以采集淹水状态下的农田土壤剖面气体，且气体采集处开口孔隙不易被颗粒堵塞，该土壤气体采集装置，简单实用、经济高效、易于维护、便于推广，适用于干湿交替农田轮作系统条件下的原位多级扩散式分体采样系统。

具体的，气体扩散平衡管10主要是直接用于采集土壤中的气体。与传统的气体采集装置不同，该气体扩散平衡管10的管体11主要是由围合成一袋体结构的薄膜111和缠绕在薄膜111外侧的管体骨架112构成。

其中，薄膜111是疏水透气薄膜。疏水透气薄膜的原理就是成膜物质本身是疏水的，但是在薄膜上有许多微米级的小孔，这样气体分子可以自由进出膜，但是水滴由于体积比较大而且又有表面张力所以不会穿进入到薄膜内部，从而实现疏水透气的目的。对于薄膜的材质可选用本领域技术人员熟知的材质，此处不作具体限定，只要能达到疏水透气的目的即可。

优选地，薄膜111为膨体聚四氟乙烯疏水透气薄膜。聚四氟乙烯疏水透气薄膜为三维立体网状结构，该种网状结构非常微小，空气很容易穿透到其中，可以捕捉到较小的微粒，避免灰尘与盐结晶进入其中。聚四氟乙烯本身具有良好的疏水性、拒水性与不粘性，可以清理薄膜表面的各种微粒，起到防油、防水与防尘的作用。

采用上述薄膜111，可以采集土壤剖面气体，而防止液态水分的进入到管体11内部，故可以采集淹水状态下的农田土壤剖面气体，且薄膜111上的孔隙也不易被颗粒堵塞，从而延长薄膜111的使用寿命。

对于薄膜111的厚度不作具体限定。

作为一种优选实施方式，薄膜111的厚度为0.05-0.30mm。典型但非限制性的薄膜111厚度例如为0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm或0.30mm。

该薄膜111可围合成一袋体结构，袋体的开口端位于气体扩散平衡管10的顶部。

该管体骨架112为镂空结构，并位于薄膜111的外侧。该管体骨架112是由具有一定强度的材质制作而成，对于具体材质不做过多限定，只要能达到一定的强度即可，典型但非限制性的材质为金属材料。该管体骨架112在为薄膜111提供一定的强度支撑的同时，又保证一部分薄膜111直接与外界土壤气体接触，从而不会对土壤剖面气体穿过薄膜111进入到管体11内部造成太大的阻力。

作为一种优选实施方式，管体骨架112采用铁皮或铁丝围设而成。选用铁皮或铁丝作为管体骨架112的材质，具有成本低廉、易于加工成型的优势。

该管体骨架112所形成的具体镂空形式不作具体限定。

镂空形式可以是铁皮或铁丝沿袋体结构的薄膜111外侧从上至下十字固定，具体如图2和3所示。

进一步的，在上述技术方案的基础之上，薄膜111围合成一端开口的袋体结构，薄膜111的开口端与密封件113配合连接从而形成一存储空间，该存储空间也可视为管体11内部。

沿管体11的高度方向将管体11内部分为若干级取样层114。取样层114的级数不作具体限定，可以是一级、二级、三级或者更多级。各级取样层114的高度可相同也可不同。一般而言，各级取样层114对应的取样高度可为20-100cm，优选为25-90cm，进一步优选为30-80cm。典型但非限制性的取样层114对应的取样高度高度为20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm或100cm。

每级取样层114均设置有独立地气道50与干燥器20连通，两级以上取样层114以及独立地气道50的设置，使得该气体扩散平衡管10可同时观测不同深度的土壤层气体分布和扩散情况。

作为一种优选的实施方式，管体11内部设置有三级取样层，三级取样层分别可检测深度为30cm、50cm和80cm的土壤剖面气体分布情况。

在上述技术方案的基础之上，薄膜111内部设置有两个密封件113，两个密封件113将管体11分割成三级取样层；

密封件113可有效防止各级取样层114之间的气体的流通，从而确保采集到不同深度的土壤气体。对于密封件113的材质不作特殊限定，密封件113可选用本领域技术人员熟知的材质制作而成，只要能防止各级取样层114之间的气体的流通即可。

作为一种优选实施方式，密封件113为密封圈。典型但非限制性的密封圈例如为NBR丁腈橡胶密封圈、HNBR氢化丁腈橡胶密封圈、硅橡胶密封圈、氟素橡胶密封圈、氟硅橡胶密封圈、三元乙丙橡胶密封圈或氯丁橡胶密封圈等。

三级取样层分别通过三个气道独立地与干燥器连通，每个取样层、气道与干燥器所形成的通道可称之为气路管道。在各气道上均设置有连通阀，通过控制各连通阀的开合从而控制各气路管道的连通。例如，将三级取样层从下至上分别称为第一级取样层、第二级取样层和第三级取样层。当采用第一级取样层对土壤气体进行取样时，可将与第二级取样层和第三级取样层连通的气道上的连通阀闭合，即只实现第一级取样层、气道与干燥器的连通，从而使得其他取样层的气路管道不会对第一级取样层对应的气路管道产生影响。

当采用第二级取样层对土壤气体进行取样时，即可将第一级取样层和第三级取样层对应的气路管道的连通阀关闭，以此类推。

取样层114采集的气体首先经过气道50进入干燥器20。虽然薄膜111为疏水透气膜，可以隔绝液态水进入到管体11内，但是并无法有效隔绝气体中的水分子，而且气体中的水分子进入到气路管道中可能重新凝结为水珠，从而影响后续气体的检测。故在气体扩散平衡管10之后设置干燥器20，用以除去采样气体中的水分子。

至于干燥器20的类型、规模以及型号可根据实际应用需求来设定，此处不作具体限定。

气泵30可使得气路管道呈现一定的负压，从而控制土壤气体的流向。

从气泵30抽出的气体可直接进入到气体测定仪40中进行检测。气体测定仪40又称气体检测仪，是一种气体泄露浓度检测的仪器仪表工具，主要利用气体传感器来检测环境中存在的气体种类。气体测定仪40的种类有很多，可根据实际应用需求进行选择。

作为一种优选实施方式，气体测定仪40为LGR超便携式温室气体测定仪。该气体测定仪40可以快速同时测量NH₃、CH₄、CO₂和N₂O的浓度。采用便携式箱体设计，适合于各种测量载体，诸如汽车、飞机、舰船、无人机载，甚至单人人力携带。该气体测定仪40操作简单，测量数据快速、可靠、准确，是一款进行土壤研究、合规性监测、泄漏检测、空气质量检测和农业研究的理想设备。

另外，为进一步验证土壤气体采集装置的优势，特将土壤气体采集装置在以下不同应用场景中应用：

(1)在天津宁河稻麦轮作干湿交替的农业生态系统上对土壤剖面气体进行了为期三个月的定点连续观测，可以较容易的采集到不同土壤环境下的剖面气体。

(2)在江苏常熟稻麦轮作区对土壤剖面气体进行为期一年的定点连续观测。选取30cm、50cm、80cm深度进行监测，能够实现对土壤气体采样和定位检测。

上述实际检测实践表明，该土壤气体采集装置可以满足土壤气体采样和定位检测的目的和要求，其开发及利用将有利于土壤呼吸机理的深入研究。

由此可见，该土壤气体采集装置可实现对农田干湿交替轮作系统中土壤剖面温室气体(CH₄、N₂O和CO₂)分布和扩散规律的动态监测，有助于明确干湿交替土壤中温室气体的存储状况及产生位点，是一套符合农田土壤剖面温室气体采集要求实际的装置，具有良好的应用潜力。

另外，本发明提供的土壤气体采集装置使用时不需要其他附带设备和工具，一人可轻松完成仪器的设置和采样工作。

实施例二

本发明还提供了一种土壤气体采集系统，包括上述土壤气体采集装置。

除了土壤气体采集装置之外，该土壤气体采集系统还包括与土壤气体采集装置连接的用户分析端口，该用户分析端口可为电脑或手机等电子设备。将土壤气体采集装置采集、分析得到的数据通信传输至用户分析端口，可对气体数据进行进一步分析处理。

鉴于上述土壤气体采集装置所具有的优势，使得土壤气体采集系统也具有同样的优势，在土壤剖面温室气体采集领域具有良好的应用潜力。

最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种土壤气体采集装置，其特征在于，包括气体扩散平衡管、干燥器、气泵和气体测定仪，所述气体扩散平衡管、干燥器、气泵和气体测定仪通过气道依次连接；

所述气体扩散平衡管包括管体和密封盖体，所述密封盖体与所述管体配合连接；

所述管体包括薄膜和管体骨架，所述薄膜为疏水透气薄膜，所述薄膜围合成一袋体结构，所述管体骨架为镂空结构并位于所述薄膜的外侧，所述管体内分割为若干级取样层，每级所述取样层均通过独立的气道与所述干燥器连通。

2.根据权利要求1所述的土壤气体采集装置，其特征在于，所述薄膜为膨体聚四氟乙烯疏水透气薄膜。

3.根据权利要求1所述的土壤气体采集装置，其特征在于，所述薄膜围合成一端开口的袋体结构，所述薄膜的开口端与所述密封盖体配合连接从而形成一存储空间。

4.根据权利要求3所述的土壤气体采集装置，其特征在于，所述薄膜内部设置有若干个密封件，若干个所述密封件将所述薄膜内部分割成若干级取样层。

5.根据权利要求3所述的土壤气体采集装置，其特征在于，所述薄膜内部设置有两个密封件，两个所述密封件将所述管体分割成三级取样层；

三级取样层分别通过三个气道与所述干燥器连通。

6.根据权利要求4或5所述的土壤气体采集装置，其特征在于，所述密封件为密封圈。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的土壤气体采集装置，其特征在于，所述管体骨架采用铁皮或铁丝围设而成。

8.根据权利要求1-5任意一项所述的土壤气体采集装置，其特征在于，所述气体测定仪为LGR超便携式温室气体测定仪。

9.根据权利要求1-5任意一项所述的土壤气体采集装置，其特征在于，所述薄膜的厚度为0.05-0.30mm。

10.一种土壤气体采集系统，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的土壤气体采集装置。