CN109655587B - 一种在线测定局部灌溉土壤温室气体的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线测定局部灌溉土壤温室气体的系统，包括静态箱、数据采集系统和移动终端，所述静态箱包括箱体与底座，所述箱体安装于所述底座上，所述箱体由多个互不连通的独立腔室组成；还包括设置于每个所述独立腔室的内部顶端的温室气体传感器，所述温室气体传感器的输出端与所述数据采集系统的输入端连接，所述数据采集系统的输出端与所述移动终端的输入端连接。本系统可以实现对多种温室气体的连续、同步在线测定分析，操作简单，使用方便；多腔室的静态箱可在同一位点上测定水分非均匀分布状态下、不同含水率分区的土壤温室气体，可广泛应用于滴灌、微润灌溉等局部高效灌溉农田土壤温室气体的测定。

Description

一种在线测定局部灌溉土壤温室气体的系统

技术领域

本发明涉及土壤温室气体测定系统，尤其涉及一种在线测定局部灌溉土壤温室气体的系统。

背景技术

CO₂、CH₄和N₂O是全球三大主要温室气体，温室气体导致全球变暖是人们一直关注的问题，农田土壤是温室气体的重要排放源，土壤水分是影响土壤温室气体的排放主要因素之一。研究土壤温室气体通量变化是全球变暖研究的重要内容。因水资源的短缺，发展节水灌溉技术成为现代农业的核心，现有局部灌溉技术如滴灌、微润灌溉等，因其高效、节能而被广泛应用于农业发展，局部灌溉技术在解决农业用水危机的同时，也引起了农田土壤水分分布的变化。相比于水分分布均匀的传统灌溉技术，局部灌溉技术使得农田土壤水分在水平和垂直方向上均呈现非均匀分布状态，土壤水分分布状态的改变势必会影响土壤温室气体的排放的变化。

静态箱法已被广泛地应用于测定土壤温室气体的排放，现有技术采用静态箱法与气相色谱法相结合的技术，先在现场采集气体，再将采集到的气体带回实验室，用气相色谱仪测定温室气体的浓度，这样不仅耗时长、无法快速及时获取气体浓度，而且在将气体带回的过程，外界环境也会对气体产生影响，导致测试结果不准确；除此之外，现有的静态箱均是单一腔室，只能针对水分分布均匀的均匀灌溉的土壤进行测定，应用受限。

也有研究学者通过监测局部灌溉土壤湿润体的水分分布特征，设置多组含水率水平(与湿润体含水率相当)的平行试验，并借助静态箱(单一腔室)-气相色谱仪系统对比不同含水率水平的温室气体排放差异，虽然能够实现对局部灌溉土壤的温室气体测定，但测试过程所需静态箱的数目较多，成本增加、且使用耗时耗力。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种用于在线测定局部灌溉土壤温室气体的系统，该系统可在同一点位上及时、准确的测定不同含水率分区的土壤气体浓度。

技术方案：本发明所述的在线测定局部灌溉土壤温室气体的系统，包括静态箱、数据采集系统和移动终端，所述静态箱包括箱体与底座，所述箱体安装于所述底座上，所述箱体由多个互不连通的独立腔室组成；还包括设置于每个所述独立腔室的内部顶端的温室气体传感器，所述温室气体传感器的输出端与所述数据采集系统的输入端连接，所述数据采集系统的输出端与所述移动终端的输入端连接，移动终端含分析计算软件，可以对温室气体的浓度进行计算分析，并可进行连续监测，监测数据可以直接从移动终端中查看、分析。

进一步的，为了验证本发明在线测定方法的准确性，所述箱体还设有密封隔断，将每个所述独立腔室分成均匀的两侧，形成取样侧和压力补偿侧；所述温室气体传感器设置于每个所述独立腔室的取样侧的内部顶端，每个所述独立腔室的取样侧的顶端设有采样口，打开采样口，通过传统的抽气装置进行采气，利用气相色谱仪测定温室气体的浓度，将传统方法测定结果与本发明在线测定结果相比较；另外，每个所述独立腔室的取样侧和压力补偿侧通过压力平衡管连接，以平衡独立腔室两侧的气压差；每个所述独立腔室的取样侧的内部顶端还设有温度传感器，所述温度传感器的输出端与所述数据采集系统的输入端连接。

进一步的，当局部灌溉所用的是线型灌水器时，将所述静态箱设计为长方体形状，每个所述独立腔室为长方体形状。

进一步的，当局部灌溉所用的是点源灌水器时，将所述静态箱设计为圆柱体形状，位于中间的独立腔室为圆柱体形状，其他位于外圈的独立腔室为横截面呈环形的圆柱体形状。

进一步的，所述底座上设有与每个所述独立腔室相配合的上下开口的凸台以及密封槽，箱体通过独立腔室扣合在底座的凸台上后，在密封槽内加入水或油，以实现箱体与底座之间的密封。

进一步的，所述温室气体传感器为二氧化碳浓度传感器、甲烷浓度传感器和氧化亚氮浓度传感器中的一种、两种或三种。

进一步的，每个所述独立腔室的内部还设有电动风扇，以保证腔室内气体充分混匀，从而得到较为准确的检测结果。

进一步的，为防止在太阳辐射下静态箱壁温度和箱内空气温度升高，影响观测效果，在所述箱体的外表面依次包裹橡塑海绵保温材料和银色反光锡箔纸。

进一步的，所述底座下端呈刀口状，以方便插入土壤中，所述底座插入土壤深度为5～10cm。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点是：本系统可以实现对多种温室气体的连续、同步在线测定分析，操作简单，使用方便；多腔室的静态箱可在同一位点上测定水分非均匀分布状态下、不同含水率分区的土壤温室气体，可广泛应用于滴灌、微润灌溉等局部高效灌溉农田土壤温室气体的测定；本系统还结合了传统测试方法，用以验证在线测试方法的准确性。

附图说明

图1是包含长方体静态箱的测定系统的示意图；

图2是长方体静态箱的底座的结构示意图；

图3是土箱试验的示意图；

图4是圆柱体静态箱的示意图；

图5是圆柱体静态箱的底座的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，在线测定局部灌溉土壤温室气体的系统，包括静态箱1、数据采集系统2和移动终端3。静态箱1包括箱体4与底座5，箱体4由多个独立腔室6组成，每个独立腔室6之间不连通，考虑到局部灌溉的灌溉范围以及试验土壤面积，独立腔室6数量一般为3～6个。

实施例1

以包含四个独立腔室6的箱体4为例，当局部灌溉所用的是线型灌水器时，将箱体4设计为长方体形状，箱体4是由一个顶板与四个侧板组成的长方体，顶板与侧板均采用有机玻璃制成，在长方体箱体内设置平行于箱体4壁面的垂直面隔断，垂直面隔断与箱体4一体成型，形成四个长方体状的独立腔室6。在四个独立腔室6的内部顶端分别设有温室气体传感器7，温室气体传感器7的输出线穿过箱体4顶板上的带有橡胶塞的第一通孔15与数据采集系统2连接，第一通孔上15的橡胶塞可以实现密封。

如图2所示，底座5对应设计为长方体形状，底座5上设有与每个独立腔室6相配合的上下开口的凸台13以及密封槽14，箱体4通过独立腔室6扣合在底座5的凸台13上后，在密封槽14内加入水或油，以实现箱体4与底座5之间的密封，避免外界环境对箱体4内温室气体的影响。底座5下端呈刀口状，以方便插入土壤中，综合考虑局部灌溉的润湿程度，底座5插入土壤深度为5～10cm。

数据采集系统2的输出端与移动终端3的输入端连接，移动终端3含分析计算软件，可以对温室气体的浓度进行计算分析，并可进行连续监测，监测数据可以直接从移动终端3中查看、分析，移动终端3为电脑。

温室气体传感器7为二氧化碳浓度传感器、甲烷浓度传感器和氧化亚氮浓度传感器中的一种、两种或三种，当同时选用三种温室气体传感器时，可以实现对CO₂、CH₄和N₂O三种温室气体的同步监测。

每个独立腔室6的内部还设有电动风扇(未画出)，采用风扇内部的蓄电池进行供电，用于混合腔室内的气体，使腔室内气体循环流动，从而保证气体浓度测定的准确性，为了使风扇不碰到箱体内的植物，将电动风扇设置在独立腔室6的顶部。

为防止在太阳辐射下静态箱壁温度和箱内空气温度升高，影响观测效果，在箱体4的外表面依次包裹橡塑海绵保温材料和银色反光锡箔纸。

为了验证本发明在线测定方法的准确性，箱体4还设有密封隔断，将四个独立腔室6分成均匀的两侧，即形成四个取样侧8和四个压力补偿侧9；温室气体传感器7设置于每个独立腔室6的取样侧8的内部顶端，每个独立腔室6的取样侧8的顶端设有采样口10，取样侧8的顶端外部设有抽气装置，抽气装置由抽气管和气密性阀门构成，抽气装置是本领域的现有技术，在此不作赘述。采集气体时，打开气密性阀门进行取样，每个独立腔室6的取样侧8和压力补偿侧9通过压力平衡管11连接，压力平衡管11可以实现独立腔室6中气体由压力补偿侧9向取样侧8的单向流动，对取样侧8的压力进行补偿，从而平衡独立腔室两侧的气压差。考虑到传统方法的温室气体浓度测定受温度影响较大，在每个独立腔室6的取样侧8的内部顶端还设有温度传感器12，用于实时监测箱体4内的温度，温度传感器12的输出线穿过箱体4顶板上的带有橡胶塞的第二通孔16与数据采集系统2连接，第二通孔16上的橡胶塞可以实现密封。数据采集系统2将采集到的温度、温室气体浓度数据传输至电脑。

每个独立腔室6的取样侧8和压力补偿侧9的内部顶端均设有电动风扇(未画出)。

具体测试过程为：

如图3所示，试验在矩形土箱内开展，当然也可以直接在实际的农田土壤中进行试验，并不限于本发明的实施例。先将线型灌水器19埋设在土箱18的土壤中，在待测定温室气体浓度的土壤表层预先固定静态箱1的底座5，底座5插入土壤深度为5cm，再将箱体4固定在底座5上，使静态箱1的对称线17与土箱18的中心线20对齐，其中，静态箱1的对称线7是将独立腔室6对称分成取样侧8和压力补偿侧9所形成的，向密封槽14内加入食用油，使箱体4内部与外界环境隔绝。数据采集系统2包括A/D转化模块、存储模块、单片机模块和通信模块。启动测定，温室气体传感器7测量值通过A/D转化模块转换为数字信号，单片机模块控制A/D转化模块，并将测量值储存到存储模块中，并进一步通过通信模块将测量值传输到电脑，最终通过安装在电脑上的温室气体浓度-通量分析软件得到土壤温室气体排放通量。通过抽气装置采气，送至实验室，用气相色谱仪测定温室气体浓度，与在线测定所得结果进行比较。

另外，在距离灌水器19不同水平和垂直位置上放置水分传感器22，以便监测获取土壤润湿体21不同分区的土壤水分，实时建立水分动态变化与土壤温室气体的定量关系，对于进一步通过优化灌溉技术参数实现土壤温室气体减排具有重要实际意义。相比于现有的设置多组含水率水平、需要多个静态箱的平行试验，本发明采用多腔室静态箱，不仅能够在同一位点上同时、快速采集与测定多个含水率分区的温室气体排放，而且能够配合传统测试方法在线验证测试结果的可靠性，具有携带使用方便、获取数据准确、成本低廉等优点，可以广泛应用于滴灌、微润灌溉等局部灌溉农田温室气体浓度的测定。

实施例2

当局部灌溉所用的是点源灌水器时，如图4所示，将静态箱设计为圆柱体形状，位于最中间的独立腔室为圆柱体形状、位于外圈的三个独立腔室为横截面呈环形的圆柱体形状，其中，横截面呈环形的圆柱体形状的独立腔室，即为两个不同直径的套在一起的圆柱体之间所形成的密闭空间。如图5所示，底座对应设计为圆柱体形状，底座上设有与每个独立腔室相配合的上下开口的凸台以及密封槽。本实施例的圆柱体静态箱及独立腔室在形状上除与实施例1的长方体静态箱及其独立腔室不同之外，其余部分(如温室气体传感器、温度传感器、取样侧、压力补偿侧等)均与实施例1相同，与数据采集系统和电脑的数据连接传输、以及具体测试过程也和实施例1相同，在此不作赘述。

Claims (7)

1.一种在线测定局部灌溉土壤温室气体的系统，包括静态箱(1)、数据采集系统(2)和移动终端(3)，其特征在于，所述静态箱(1)包括箱体(4)与底座(5)，所述箱体(4)安装于所述底座(5)上，所述箱体(4)由多个互不连通的独立腔室(6)组成；还包括设置于每个所述独立腔室(6)的内部顶端的温室气体传感器(7)，所述温室气体传感器(7)的输出端与所述数据采集系统(2)的输入端连接，所述数据采集系统(2)的输出端与所述移动终端(3)的输入端连接；所述箱体(4)还设有密封隔断，将每个所述独立腔室(6)分成均匀的两侧，形成取样侧(8)和压力补偿侧(9)；所述温室气体传感器(7)设置于每个所述独立腔室(6)的取样侧(8)的内部顶端，每个所述独立腔室(6)的取样侧(8)的顶端设有采样口(10)，每个所述独立腔室(6)的取样侧(8)和压力补偿侧(9)通过压力平衡管(11)连接；每个所述独立腔室(6)的取样侧(8)的内部顶端还设有温度传感器(12)，所述温度传感器(12)的输出端与所述数据采集系统(2)的输入端连接；所述温室气体传感器(7)为二氧化碳浓度传感器、甲烷浓度传感器和氧化亚氮浓度传感器中的一种、两种或三种。

2.根据权利要求1所述的在线测定局部灌溉土壤温室气体的系统，其特征在于，所述静态箱(1)为长方体形状，每个所述独立腔室(6)为长方体形状。

3.根据权利要求1所述的在线测定局部灌溉土壤温室气体的系统，其特征在于，所述静态箱(1)为圆柱体形状，所述独立腔室(6)为圆柱体形状和横截面呈环形的圆柱体形状。

4.根据权利要求1所述的在线测定局部灌溉土壤温室气体的系统，其特征在于，所述底座(5)上设有与每个所述独立腔室(6)相配合的上下开口的凸台(13)以及密封槽(14)。

5.根据权利要求1所述的在线测定局部灌溉土壤温室气体的系统，其特征在于，每个所述独立腔室(6)的内部还设有电动风扇。

6.根据权利要求1所述的在线测定局部灌溉土壤温室气体的系统，其特征在于，所述箱体(4)的外表面依次包裹保温材料和反光材料。

7.根据权利要求1所述的在线测定局部灌溉土壤温室气体的系统，其特征在于，所述底座(5)下端呈刀口状，所述底座(5)插入土壤深度为5～10cm。

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