CN110057999A - 一种土壤呼吸碳通量监测装置及方法 - Google Patents

一种土壤呼吸碳通量监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种土壤呼吸碳通量监测装置及方法。该装置包括控制装置和呈圆筒状的气室，所述气室的顶部和底部都开口，所述气室内壁从上至下等间距设有五个数据采集模块，所述数据采集模块包括二氧化碳传感器、氧气传感器、大气压强传感器和温度传感器，所述控制装置包括微处理器和显示屏，所述微处理器分别与数据采集模块和显示屏电连接。本发明采用开放式监测，能够准确并且可持续的监测土壤呼吸碳通量，提高了检测精度，且在下雨天能够正常监测。

Description

一种土壤呼吸碳通量监测装置及方法
技术领域
本发明涉及土壤碳通量监测技术领域，尤其涉及一种土壤呼吸碳通量监测装置及方法。
背景技术
生态环境的变化是当今人类社会面临的最为重点的问题之一。人类活动离不开生态环境，无论是生活还是工业生产都受到生态环境的影响。当今地球所遭受的生态环境的破坏主要有大气污染，水体污染，土壤污染，辐射污染还有光污染等。其中人类面临最严重，对人类影响最大的污染就是大气污染。而大气污染的主要产生原因是二氧化碳的过度排放，在此情况下，如何有效地监测大气中二氧化碳地变化就成问了当今一个重点的科研问题。二氧化碳的产生也是来自多方面的，不仅是人类的工业生产会产生二氧化碳，土壤的呼吸作用同样产生着大量的二氧化碳。土壤有机碳库是陆地碳库的重要组成部分，其总储存量达到1394PgC，这在陆地碳循环中有着重要作用，其库容的微小变化都会对大气CO2浓度及全球气候产生巨大影响。森林作为陆地生态系统的重要一部分，其土壤中的碳贮量占全球土壤碳库的73％。故探索森林土壤二氧化碳通量的监测手段和分析方法，不仅对于碳汇计算、碳交易、缓解气候变化具有重要的战略意义，而且对森林碳储量的经营管理具有重要的指导价值。
因此，对森林土壤的二氧化碳排放量进行研究是非常有必要的。而对二氧化碳通量进行研究就必须借助科研设备。现有的土壤碳通量监测仪为密封式监测，将密闭的监测箱体盖在土壤上，根据测量气室内CO2浓度增加率进行计算土壤碳排放量，在监测期间气室中的CO2浓度会逐渐提高，从而抑制土壤CO2的排放，使得测量结果有偏差，而且，这类土壤碳通量监测仪在下雨天不能监测，因为下雨天环境恶劣，会影响监测仪密封性，导致检测仪无法正常监测。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种土壤呼吸碳通量监测装置及方法，其采用开放式监测，能够准确并且可持续的监测土壤呼吸碳通量，提高了检测精度，且在下雨天能够正常监测。
本发明的一种土壤呼吸碳通量监测装置，包括控制装置和呈圆筒状的气室，所述气室的顶部和底部都开口，所述气室内壁从上至下等间距设有五个数据采集模块，所述数据采集模块包括二氧化碳传感器、氧气传感器、大气压强传感器和温度传感器，所述控制装置包括微处理器和显示屏，所述微处理器分别与数据采集模块和显示屏电连接。
在本方案中，呈圆筒状的气室可以防止水平气流对气室内湍流运动的干扰。二氧化碳从土壤排放到大气的过程是湍流运动过程。水平的气流会使气室内外压强不一致，从而影响了二氧化碳的湍流运动，会导致二氧化碳浓度值测量存在偏差，这样设计可以有效预防这一情况发生。
使用时，将气室放置在土壤上，五个数据采集模块每隔时间T采集一次数据并发送到微处理器。
首先，将相邻两个数据采集模块采集的二氧化碳浓度数据相减后取绝对值，得到五个数值，将这五个数值取平均后除以间距A(相邻数据采集模块的间距都为A)，得到二氧化碳的浓度梯度将相邻两个数据采集模块采集的氧气浓度数据相减后取绝对值，得到五个数值，将这五个数值取平均后除以间距A，得到二氧化碳的浓度梯度氮气的浓度梯度是定值。
然后，将检测数据代入下述公式：
其中，a1为二氧化碳，a2为氧气，a3为氮气，Ja1为二氧化碳通量，Ja2为氧气通量，Ja3为氮气通量，D(M)aiaj为ai组分在aj组分内的Maxwell-stefan扩散系数，D(F)aiaj为ai组分在aj组分内的Fick扩散系数，表示ai组分的浓度梯度，xai表示最下方的数据采集模块采集到的ai组分的浓度，V表示摩尔容积(Va1＝34，Va2＝25.6，Va3＝31.1)，μ表示相对分子质量(μa1＝44，μa2＝32，μa3＝28)，T表示开尔文温度(T＝摄氏度+273.5)，P表示压强；
计算出二氧化碳的通量Ja1，即土壤呼吸碳通量。
作为优选，所述控制装置还包括无线通信模块，所述无线通信模块与微处理器电连接。通过无线通信模块将监测到的土壤呼吸碳通量发送给远程终端或用户的智能终端。
作为优选，所述控制装置还包括GPS模块，所述GPS模块与微处理器电连接。通过GPS模块获取监测装置所在的地理位置，从而实现定位。
作为优选，所述气室顶部开口设有筛网。增加顶部筛网用于模仿土壤孔隙度，筛网洞口直径大小经过多次实验研究得到最优结果，这样设计的优点是能够使得气室内部的压强与大气环境的压强始终保持一致，从而可以使用气室模拟二氧化碳在大气中的扩散，便于后续的碳通量计算，这样计算得到的结果更具说服力。
作为优选，所述数据采集模块还包括湿度传感器。
本发明的一种土壤呼吸碳通量监测方法，用于上述的一种土壤呼吸碳通量监测装置，相邻数据采集模块的间距都为A，包括以下步骤：
S1：气室放置在待测土壤上，五个数据采集模块每隔时间T采集一次数据并发送到微处理器，其中最下方的数据采集模块中的二氧化碳传感器检测到的数据为xa1、氧气传感器检测到的数据为xa2、大气压强传感器检测到的数据为P、温度传感器检测到的温度数据为T；
S2：将相邻两个数据采集模块采集的二氧化碳浓度数据相减后取绝对值，得到五个数值，将这五个数值取平均后除以间距A，得到二氧化碳的浓度梯度将相邻两个数据采集模块采集的氧气浓度数据相减后取绝对值，得到五个数值，将这五个数值取平均后除以间距A，得到二氧化碳的浓度梯度
S3：将检测数据代入下述公式：
其中，a1为二氧化碳，a2为氧气，a3为氮气，Ja1为二氧化碳通量，Ja2为氧气通量，Ja3为氮气通量，D(M)aiaj为ai组分在aj组分内的Maxwell-stefan扩散系数，D(F)aiaj为ai组分在aj组分内的Fick扩散系数，表示ai组分的浓度梯度，xai表示最下方的数据采集模块采集到的ai组分的浓度，V表示摩尔容积(Va1＝34，Va2＝25.6，Va3＝31.1)，μ表示相对分子质量(μa1＝44，μa2＝32，μa3＝28)，T表示开尔文温度(T＝摄氏度+273.5)，P表示压强(氮气的浓度梯度是定值)；
计算出二氧化碳的通量Ja1，即土壤呼吸碳通量。
本发明的有益效果是：采用开放式监测，能够准确并且可持续的监测土壤呼吸碳通量，提高了检测精度，且在下雨天能够正常监测。
附图说明
图1是实施例的电路原理连接框图；
图2是气室的结构示意图。
图中：1、数据采集模块，2、二氧化碳传感器，3、氧气传感器，4、大气压强传感器，5、温度传感器，6、微处理器，7、显示屏，8、无线通信模块，9、GPS模块，10、湿度传感器，11、气室，12、筛网。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种土壤呼吸碳通量监测装置，如图1所示，包括控制装置和呈圆筒状的气室11，气室11的顶部和底部都开口，气室11内壁从上至下等间距设有五个数据采集模块1，数据采集模块1包括二氧化碳传感器2、氧气传感器3、大气压强传感器4和温度传感器5，控制装置包括微处理器6和显示屏7，微处理器6分别与数据采集模块1和显示屏7电连接。
在本方案中，呈圆筒状的气室可以防止水平气流对气室内湍流运动的干扰。二氧化碳从土壤排放到大气的过程是湍流运动过程。水平的气流会使气室内外压强不一致，从而影响了二氧化碳的湍流运动，会导致二氧化碳浓度值测量存在偏差，这样设计可以有效预防这一情况发生。
使用时，将气室放置在土壤上，五个数据采集模块每隔时间T采集一次数据并发送到微处理器。
首先，将相邻两个数据采集模块采集的二氧化碳浓度数据相减后取绝对值，得到五个数值，将这五个数值取平均后除以间距A(相邻数据采集模块的间距都为A)，得到二氧化碳的浓度梯度将相邻两个数据采集模块采集的氧气浓度数据相减后取绝对值，得到五个数值，将这五个数值取平均后除以间距A，得到二氧化碳的浓度梯度氮气的浓度梯度是定值。
然后，将检测数据代入下述公式：
其中，a1为二氧化碳，a2为氧气，a3为氮气，Ja1为二氧化碳通量，Ja2为氧气通量，Ja3为氮气通量，D(M)aiaj为ai组分在aj组分内的Maxwell-stefan扩散系数，D(F)aiaj为ai组分在aj组分内的Fick扩散系数，表示ai组分的浓度梯度，xai表示最下方的数据采集模块采集到的ai组分的浓度，V表示摩尔容积(Va1＝34，Va2＝25.6，Va3＝31.1)，μ表示相对分子质量(μa1＝44，μa2＝32，μa3＝28)，T表示开尔文温度(T＝摄氏度+273.5)，P表示压强；
计算出二氧化碳的通量Ja1，即土壤呼吸碳通量。
数据采集模块1还包括湿度传感器10，控制装置还包括无线通信模块8和GPS模块9，微处理器6分别与无线通信模块8和GPS模块9电连接。通过无线通信模块将监测到的土壤呼吸碳通量发送给远程终端或用户的智能终端。通过GPS模块获取监测装置所在的地理位置，从而实现定位。
气室11顶部开口设有筛网12。增加顶部筛网用于模仿土壤孔隙度，筛网洞口直径大小经过多次实验研究得到最优结果，这样设计的优点是能够使得气室内部的压强与大气环境的压强始终保持一致，从而可以使用气室模拟二氧化碳在大气中的扩散，便于后续的碳通量计算，这样计算得到的结果更具说服力。
本实施例的一种土壤呼吸碳通量监测方法，用于上述的一种土壤呼吸碳通量监测装置，相邻数据采集模块的间距都为A，包括以下步骤：
S1：气室放置在待测土壤上，五个数据采集模块每隔时间T采集一次数据并发送到微处理器，其中最下方的数据采集模块中的二氧化碳传感器检测到的数据为xa1、氧气传感器检测到的数据为xa2、大气压强传感器检测到的数据为P、温度传感器检测到的温度数据为T；
S2：将相邻两个数据采集模块采集的二氧化碳浓度数据相减后取绝对值，得到五个数值，将这五个数值取平均后除以间距A，得到二氧化碳的浓度梯度将相邻两个数据采集模块采集的氧气浓度数据相减后取绝对值，得到五个数值，将这五个数值取平均后除以间距A，得到二氧化碳的浓度梯度
S3：将检测数据代入下述公式：
其中，a1为二氧化碳，a2为氧气，a3为氮气，Ja1为二氧化碳通量，Ja2为氧气通量，Ja3为氮气通量，D(M)aiaj为ai组分在aj组分内的Maxwell-stefan扩散系数，D(F)aiaj为ai组分在aj组分内的Fick扩散系数，表示ai组分的浓度梯度，xai表示最下方的数据采集模块采集到的ai组分的浓度，V表示摩尔容积(Va1＝34，Va2＝25.6，Va3＝31.1)，μ表示相对分子质量(μa1＝44，μa2＝32，μa3＝28)，T表示开尔文温度(T＝摄氏度+273.5)，P表示压强(氮气的浓度梯度是定值)；
计算出二氧化碳的通量Ja1，即土壤呼吸碳通量。

Claims (6)

1.一种土壤呼吸碳通量监测装置，其特征在于，包括控制装置和呈圆筒状的气室(11)，所述气室(11)的顶部和底部都开口，所述气室(11)内壁从上至下等间距设有五个数据采集模块(1)，所述数据采集模块(1)包括二氧化碳传感器(2)、氧气传感器(3)、大气压强传感器(4)和温度传感器(5)，所述控制装置包括微处理器(6)和显示屏(7)，所述微处理器(6)分别与数据采集模块(1)和显示屏(7)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种土壤呼吸碳通量监测装置，其特征在于，所述控制装置还包括无线通信模块(8)，所述无线通信模块(8)与微处理器(6)电连接。
3.根据权利要求1所述的一种土壤呼吸碳通量监测装置，其特征在于，所述控制装置还包括GPS模块(9)，所述GPS模块(9)与微处理器(6)电连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种土壤呼吸碳通量监测装置，其特征在于，所述气室(11)顶部开口设有筛网(12)。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种土壤呼吸碳通量监测装置，其特征在于，所述数据采集模块(1)还包括湿度传感器(10)。
6.一种土壤呼吸碳通量监测方法，用于权利要求1所述的一种土壤呼吸碳通量监测装置，相邻数据采集模块的间距都为A，其特征在于，包括以下步骤：
S1：气室放置在待测土壤上，五个数据采集模块每隔时间T采集一次数据并发送到微处理器，其中最下方的数据采集模块中的二氧化碳传感器检测到的数据为xa1、氧气传感器检测到的数据为xa2、大气压强传感器检测到的数据为P、温度传感器检测到的温度数据为T；
S2：将相邻两个数据采集模块采集的二氧化碳浓度数据相减后取绝对值，得到五个数值，将这五个数值取平均后除以间距A，得到二氧化碳的浓度梯度将相邻两个数据采集模块采集的氧气浓度数据相减后取绝对值，得到五个数值，将这五个数值取平均后除以间距A，得到二氧化碳的浓度梯度
S3：将检测数据代入下述公式：
其中，a1为二氧化碳，a2为氧气，a3为氮气，Ja1为二氧化碳通量，Ja2为氧气通量，Ja3为氮气通量，D(M)aiaj为ai组分在aj组分内的Maxwell-stefan扩散系数，D(F)aiaj为ai组分在aj组分内的Fick扩散系数，表示ai组分的浓度梯度，xai表示最下方的数据采集模块采集到的ai组分的浓度，V表示摩尔容积，μ表示相对分子质量，T表示开尔文温度，P表示压强；
计算出二氧化碳的通量Ja1，即土壤呼吸碳通量。
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