CN109781477A - 一种密丛型苔草沼泽的温室气体排放通量观测采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温室气体排放通量观测采样装置，它包括顶箱、底座和气体采样收集装置，所述的顶箱上设有排气咀、进气咀、风扇、数显温度计、把手、软管；所述气体采样收集装置包括注射器和气样袋；所述的排气咀和进气咀在顶箱的顶盖上对称分布，所述的软管排气咀连接，另一端垂入箱体的内腔中，箱内软管上均匀打孔；所述注射器与排气咀、气样袋通过三通阀相连接；提供密丛型苔草沼泽温室气体排放通量的计算方法；优点是：1）圆柱形箱体使温室气体排放通量的计算更加准确；2）进、排气咀采用硅胶螺帽，保证箱体密封，可重复使用，节省耗材；3）该计算方法提高了温室气体通量的计算精确度。

Description

一种密丛型苔草沼泽的温室气体排放通量观测采样装置

技术领域

本发明属土壤生态技术领域，具体涉及一种适用于密丛型苔草沼泽的温室气体排放通量观测采样装置及相应的计算方法。

背景技术

沼泽湿地是多种温室气体重要的源或汇，既能通过植物的光合作用吸收 CO₂，也能在碳氮物质循环过程中释放 CO₂、CH₄和 N₂O。在维持碳平衡和调节大气温室气体（CO₂、CH₄和 N₂O）含量方面具有不可替代的作用。然而，要理清大气中温室气体浓度增加与湿地CO₂、CH₄和N₂O通量之间的关系，必须要了解沼泽湿地CO₂、CH₄和N₂O排放通量，因此，精确监测湿地温室气体通量显得尤为重要。

草本沼泽是沼泽湿地最主要的类型，在北半球分布十分广泛，各种密丛型草本为适应地表过湿或积水环境的变化密集生长和根系迭生而形成地表起伏，即塔头。密丛型苔草在草本泥炭沼泽中最为常见，沼泽中常见的臌囊苔草（Carex schmidtii）、乌拉苔草（C. meyeriana）、灰脉苔草（C.appendiculata）和木里苔草（C.mulieensis）等多种类型均可形成草丘，该类沼泽称为密丛型苔草沼泽。密丛型苔草沼泽在我国青藏高原、西北天山和阿尔泰山山间盆地、东北三江平原、大小兴安岭、长白山区泥炭沼泽中都有大面积分布。静态箱法一直是研究温室气体排放的经典方法之一，以往进行沼泽湿地温室气体监测时均采用方形静态箱将苔草沼泽视为均一化处置。近期的研究表明密丛型苔草沼泽草丘和丘间温室气体排放具有十分明显的异质性，而采用传统的方形静态箱将塔头和丘间进行均一处置将很难准确反映塔头苔草沼泽温室气体排放情况，造成监测数据与真实情况出现严重偏差。

发明内容

本发明目的是为解决传统的气体采样装置造成数据偏差严重的问题，而提供一种适用于密丛型苔草沼泽的、原位观测的温室气体排放通量观测采样装置及相应的计算方法。

一种温室气体排放通量观测采样装置，它包括顶箱1、底座2 和气体采样收集装置，所述的顶箱1上设有排气咀3、进气咀4、风扇5、数显温度计6、把手7、软管8；所述的气体采样收集装置包括注射器9和气样袋10；所述的排气咀3和进气咀4在顶箱1的顶盖上对称分布，所述的软管8排气咀3连接，另一端垂入箱体1的内腔中，箱内软管上均匀打孔；所述注射器9与排气咀3、气样袋10通过三通阀相连接；

所述排气咀3和进气咀4，设有硅胶螺帽；

所述底座 2高17~25cm，其上部设有环状的凹槽，所述凹槽内径比所述顶箱1直径小1.5~2.5cm，凹槽外径比所述顶箱1直径大1.5~2.5cm，槽宽3~5cm，底座2，水槽下端做尖锐处理；

所述顶箱1材质为有机玻璃；

所述底座2 的材质为不锈钢；

所述排气咀3和进气咀4为金属采样咀；

所述顶箱1为圆柱形。

密丛型苔草沼泽温室气体排放通量的计算方法，它包括：

1）在待监测的密丛型苔草沼泽设置1个10m×10m的样方，调查样方内草丘的个数，测量样方内所有草丘的基径，计算样方内草丘的盖度，计算公式如下：

上式中C为草丘盖度，r _i 为第i个草丘基径（m），A为样方面积（m²）；

2）草丘和丘间位置分别完成气体收集后，进行浓度分析测量；通过公式计算出草丘和丘间每种温室气体的排放通量，其中通量的计算公式为：

式中: F为气体排放通量（mg·m^–2·h^–1）；M为被测气体的摩尔质量，V为箱内空气体积；A ₀为静态箱底面积；dc/dt代表气体浓度随时间变化的直线斜率；V ₀、T ₀和P ₀分别为标准状态下的气体摩尔体积（22.4 L·mol^–1）、空气绝对温度（273.15 K）和气压（1013.25 h Pa）；P为采样地点的气压; T为采样时箱内的绝对温度；

3）单位面积密丛型苔草沼泽的温室气体通量为单位面积内草丘温室气体排放量与丘间温室气体排放量之和，计算公式如下：

式中，TF：气体排放通量（mg·m^–2·h^–1）；IF：丘间温室气体排放量（mg·m^–2·h^–1）；C：草丘盖度；HF：草丘温室气体排放量（mg·m^–2·h^–1）。

本发明提供了一种温室气体排放通量观测采样装置，它包括顶箱1、底座2 和气体采样收集装置，所述的顶箱1上设有排气咀3、进气咀4、风扇5、数显温度计6、把手7、软管8；所述的气体采样收集装置包括注射器9和气样袋10；所述的排气咀3和进气咀4在顶箱1的顶盖上对称分布，所述的软管8排气咀3连接，另一端垂入箱体1的内腔中，箱内软管上均匀打孔；所述注射器9与排气咀3、气样袋10通过三通阀相连接；并提供密丛型苔草沼泽温室气体排放通量的计算方法；本发明优点在于：1）根据密丛型苔草沼泽中草丘的实际形状，将观测箱设计为与草丘相适应的圆柱形，使草丘温室气体排放通量的计算更加准确；2）本检测系统顶箱上设置进气咀，以平衡箱体放置初期的气压，排气咀采用硅胶螺帽，硅胶咀螺帽抗撕裂强度大，抽气后仍可保证箱体密封，且可重复使用，节省耗材；同时在箱体内的采样导管上均匀打孔，使抽气时可均匀采到箱体不同位置的气体，使监测结果更加准确；3）充分考虑了草丘与丘间温室气体排放通量的差异性，将二者分开计算，并根据草丘的覆盖度计算密丛型苔草沼泽的温室气体排放通量，该种计算方法大大提高了密丛型苔草沼泽的温室气体通量的计算精确度，使密丛苔草沼泽温室气体排放通量的评估更加精确、更加科学。

附图说明

图1 温室气体排放通量观测采样装置结构图；1.顶箱、2.底座、3.排气咀、4.进气咀、5.风扇、6.数显温度计、7.箱体把手、8.软管、9.抽气注射器、10.气样袋；

图2 温室气体排放通量观测采样装置采样示意图。

具体实施方式

实施例1 一种温室气体排放通量观测采样装置

一种温室气体排放通量观测采样装置，如图1，它包括顶箱1、底座2 和气体采样收集装置，所述的顶箱1上设有排气咀3、进气咀4、风扇5、数显温度计6、把手7、软管8；所述的气体采样收集装置包括注射器9和气样袋10；所述的排气咀3和进气咀4在顶箱1的顶盖上对称分布，所述的软管8排气咀3连接，另一端垂入箱体1的内腔中，箱内软管上均匀打孔；所述注射器9与排气咀3、气样袋10通过三通阀相连接；

顶箱1为有机玻璃制成的有顶无底的圆柱形箱体（当监测内容包含植物呼吸时采用透明有机玻璃，若仅监测土壤温室气体排放可采用非透明有机玻璃或在透明有机玻璃外覆镀铝膜），此方法监测前需对监测样地草丘进行前期调查，草丘的监测箱体的直径需比样地内大部分草丘的基径大1-2cm，丘间箱体尺寸可根据样地丘间空隙进行调整，若草丘间距较大则可设置为与草丘箱体相同的尺寸；箱体高度一般可设为50cm，若草丘过高则箱体亦可增高；

顶箱1顶盖上的进气咀4在刚放置顶箱时保持开启状态，当箱内气压与大气压平衡后将其关闭；排气咀3用以连接抽气注射器9向外抽气；排气咀和进气咀为金属采样咀，均配有硅胶咀螺帽；风扇5安置在顶箱内部，风扇电伏为12V，当顶箱放置在底座上后启动，混匀箱内气体；数显温度计6是由带有长导线的电子测温探头和数字温度计组成，探头通过过壁接口与数字温度计连接，用以测定采样时箱内温度；顶箱顶端布设把手7，用以平稳提拿顶箱；箱内软管8为聚四氟乙烯软管，其一端与箱体1的顶面上的排气咀4链接，另一端垂入箱体1的内腔中，箱内软管上均匀打孔，以至抽气时可以抽取到箱内各层气体；底座2 的材质为不锈钢，底座 2 的上部设有环状的水槽，采样时水槽内注水进行密封; 凹槽内圈直径为箱体直径减2cm，凹槽外径为箱体直径加2cm，底座高19cm，槽宽4cm。水槽下端做尖锐处理，以便插入湿地土壤；

气体采样收集装置包括注射器9和气样袋10；抽气时，注射器9与排气咀3相连接，打开注射器三通阀，将箱内气体抽出后关闭三通阀，然后将注射器9与气样袋10连接，打开三通阀，将抽气注射器9抽出的气体输送到气样袋10中进行保存。

具体工作原理：

选择好监测样地后，在采样前1-2周将草丘和丘间底座2分别固定在相应的位置，采样前，清理底座2水槽内掉落的尘土杂物，将沼泽水灌入水槽内制造密封环境；开启顶箱1上的进气咀4，接通顶箱1的风扇5的电源，使空气流通，然后将顶箱1水平放置底座2上，待箱内气压平稳后，关闭进气咀4，确保整个系统处于密封状态；等待30s，待顶箱1内气体混匀后，用注射器9连接排气咀3进行抽气，抽气时先将注射器9利用箱内气体清洗三次，然后再将抽得的气体打入集气袋10内保存，与此同时，记录箱体数显温度计6的温度；此后，每间隔10min用同样的方式抽气一次，共需抽气4次。采集完气体样品后，将顶箱1水平向上提起，转移至空气流通的地方，侧放或平放地面。

实施例2 密丛型苔草沼泽温室气体排放通量的计算方法

（1）在待监测的密丛型苔草沼泽设置1个10m×10m的样方。调查样方内草丘的个数，测量样方内所有草丘的基径，计算样方内草丘的盖度。计算公式如下：

上式中C为草丘盖度，r _i 为第i个草丘基径（m），A为样方面积（m²）；

（2）草丘和丘间位置分别完成气体收集后，将气体带回实验室进行浓度分析测量；通过公式计算出草丘和丘间每种温室气体的排放通量，其中通量的计算公式为

式中: F为气体排放通量（mg·m^–2·h^–1）；M为被测气体的摩尔质量，V为箱内空气体积；A ₀为静态箱底面积；dc/dt代表气体浓度随时间变化的直线斜率；V ₀、T ₀和P ₀分别为标准状态下的气体摩尔体积（22.4 L·mol^–1）、空气绝对温度（273.15 K）和气压（1013.25 h Pa）；P为采样地点的气压; T为采样时箱内的绝对温度；

（3）单位面积密丛型苔草沼泽的温室气体通量为单位面积内草丘温室气体排放量与丘间温室气体排放量之和，计算公式如下：

式中，TF：气体排放通量（mg·m^–2·h^–1）；IF：丘间温室气体排放量（mg·m^–2·h^–1）；C：草丘盖度；HF：草丘温室气体排放量（mg·m^–2·h^–1）。

Claims (8)

1. 一种温室气体排放通量观测采样装置，它包括顶箱（1）、底座（2 ）和气体采样收集装置，所述的顶箱（1）上设有排气咀（3）、进气咀（4）、风扇（5）、数显温度计（6）、把手（7）、软管（8），所述的气体采样收集装置包括注射器（9）和气样袋（10），其特征在于：所述的排气咀（3）和进气咀（4）在顶箱（1）的顶盖上对称分布，所述的软管（8）排气咀（3）连接，另一端垂入箱体（1）的内腔中，箱内软管上均匀打孔；所述注射器（9）与排气咀（3）、气样袋（10）通过三通阀相连接。

2.根据权利要求1所述的一种温室气体排放通量观测采样装置，其特征在于：所述排气咀（3）和进气咀（4）设有硅胶螺帽。

3. 根据权利要求2所述的一种温室气体排放通量观测采样装置，其特征在于：所述底座 （2）高为17~25cm，其上部设有环状的凹槽，所述凹槽内径比所述顶箱（1）直径小1.5~2.5cm，凹槽外径比所述顶箱（1）直径大1.5~2.5cm，槽宽3~5cm，底座2，水槽下端做尖锐处理。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种温室气体排放通量观测采样装置，其特征在于：所述顶箱（1）材质为有机玻璃。

5. 根据权利要求4所述的一种温室气体排放通量观测采样装置，其特征在于：所述底座（2 ）的材质为不锈钢。

6.根据权利要求5所述的一种温室气体排放通量观测采样装置，其特征在于：所述排气咀（3）和进气咀（4）为金属采样咀。

7.根据权利要求6所述的一种温室气体排放通量观测采样装置，其特征在于：所述顶箱（1）为圆柱形。

8.密丛型苔草沼泽温室气体排放通量的计算方法，它包括：

1）在待监测的密丛型苔草沼泽设置1个10m×10m的样方，调查样方内草丘的个数，测量样方内所有草丘的基径，计算样方内草丘的盖度，计算公式如下：

上式中C为草丘盖度，r _i 为第i个草丘基径（m），A为样方面积（m²）；

2）草丘和丘间位置分别完成气体收集后，进行浓度分析测量；通过公式计算出草丘和丘间每种温室气体的排放通量，其中通量的计算公式为：

式中: F为气体排放通量（mg·m^–2·h^–1）；M为被测气体的摩尔质量，V为箱内空气体积；A ₀为静态箱底面积；dc/dt代表气体浓度随时间变化的直线斜率；V ₀、T ₀和P ₀分别为标准状态下的气体摩尔体积（22.4 L·mol^–1）、空气绝对温度（273.15 K）和气压（1013.25 h Pa）；P为采样地点的气压; T为采样时箱内的绝对温度；

3）单位面积密丛型苔草沼泽的温室气体通量为单位面积内草丘温室气体排放量与丘间温室气体排放量之和，计算公式如下：

式中，TF：气体排放通量（mg·m^–2·h^–1）；IF：丘间温室气体排放量（mg·m^–2·h^–1）；C：草丘盖度；HF：草丘温室气体排放量（mg·m^–2·h^–1）。