CN111189977A - 一种茶园温室气体监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种茶园温室气体监测装置及方法。本发明针对基于茶园土壤N2O排放具有高度的时空异质性，多个温室气体采集箱分别布置在研究区域的不同采样位置进行气样的获取，然后采用时空克里格插值法计算研究区域的温室气体的总排放量，本发明从时间变化和空间分布的角度实现高质量的监测数据的获取和分析，提高区域茶园土壤N2O排放总量的监测的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及温室气体监测技术领域，特别是涉及一种茶园温室气体监测装置及监测方法。
背景技术
氧化亚氮(N2O)是继二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)之后的第三重要温室气体，也是损耗臭氧层的物质之一，其单位质量增温潜能约是CO2的298 倍，2011年大气中N2O浓度达到324.2ppbv(IPCC,2013)。农业土壤为重要的N2O排放源，其N2O年排放量占全球N2O排放总量的35％。
茶园高投入–高产出的运行模式带来了各种环境问题，尤其是大量化肥投入引起茶园土壤N2O排放逐渐受到重视。然而，茶园土壤N2O排放具有高度的时空异质性，但传统的静态箱长期定位观测法主要获取温室气体的时间动态变化数据，无法获取高质量的空间数据，这严重影响了区域N2O排放总量的计算的准确性。
因此本发明研发了一种茶园温室气体时空监测方法及采样装置，同时在时间尺度和空间尺度上的探索茶园土壤N2O排放的异质性及其控制因子，有助于提高区域茶园土壤N2O排放特征的认识和总量评估。不仅使我们明确和制定用于全国温室气体普查的茶园土壤N2O排放系数，而且对于茶园合理施用氮肥、减排增汇、降低环境污染等具有非常重要的指导意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种茶园温室气体监测装置及监测方法，以基于茶园土壤N2O排放具有高度的时空异质性，从时间变化和空间分布的角度实现高质量的监测数据的获取和分析，提高区域茶园土壤N2O排放总量的监测的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种茶园温室气体监测装置，所述监测装置包括多个温室气体采集箱、多个GPS定位模块、气象色谱仪和排放量计算模块；
多个所述温室气体采集箱分别设置在研究区域的茶园的采样位置；
多个所述GPS定位模块分别一一对应的设置在多个所述温室气体采集箱上；
所述气象色谱仪的输出端与所述排放量计算模块连接，所述气象色谱仪用于测量温室气体采集箱采集的气体中的温室气体浓度，并将每个温室气体采集箱采集的气体的温室气体浓度发送给所述排放量计算模块；
多个所述GPS定位模块分别与所述排放量计算模块无线连接，所述GPS 定位模块用于采集与所述GPS定位模块对应设置的温室气体采集箱的空间位置，并将温室气体采集箱的空间位置发送给所述排放量计算模块；
所述排放量计算模块，用于根据每个温室气体采集箱采集的温室气体浓度和每个温室气体采集箱的空间位置，采用时空克里格插值法计算研究区域的茶园的温室气体排放量。
可选的，所述温室气体采集箱包括底座、采样箱；
所述底座的下端为刀口形状，使用时，所述底座的下端插入采样位置的土壤中；
所述采样箱通过环扣固定在所述底座上；所述采样箱的上部开设有气孔，所述气孔内设置有活塞。
可选的，所述底座与所述采样箱的接触位置环绕有橡胶圈。
可选的，所述监测装置还包括气瓶，样气收集时，所述气瓶通过两通的针头穿过所述活塞与所述采样箱连通。
一种茶园温室气体监测方法，所述监测方法包括如下步骤：
在研究区域选取采样位置；
在每个采样位置设置温室气体采集箱，采集每个采样位置的多个采样时间点的土壤释放器气体，作为气样；
采用气象色谱仪获取每个采样位置的每个采样时间点的气样的温室气体的浓度；
根据每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的浓度，计算每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的的排放量；
基于每个采样位置的坐标和每个采样时间点的温室气体的的排放量，采用时空克里格插值法计算研究区域的温室气体排放总量。
可选的，所述在研究区域选取采样位置，具体包括：
分别选取研究区域的不同地形、不同土壤性质和不同管理方式的采样区域；
在每个所述采样区域采用半规则网格布点法获取采样位置。
可选的，所述根据每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的浓度，计算每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的的排放量，具体包括：
根据每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的浓度，利用公式
计算每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的的排放量FLUX30；
其中，c30和c0是温室气体采集箱中0与30分钟气样的N2O的浓度(gN m-2)；
是N2O的分子重量(g mol-1)；V0是在标准条件下N2O的分子体积(22.4×10-3m3)；MN是氮元素的原子质量(g mol-1)；h是温室气体采集箱的采样箱的高度(0.15m)；Δt是采样箱封闭的时间(0.5h)；Tair是采样箱中的气温；24是小时转化为天的常数因子。
可选的，所述基于每个采样位置的坐标和每个采样时间点的温室气体的的排放量，采用时空克里格插值法计算研究区域的温室气体排放总量，具体包括：
根据每个采样位置的坐标和每个采样时间点的温室气体的的排放量，采用三维时空地统计方法分析研究区域的时空变异特征值；
计算研究区域的时空变异特征值的时空半方差；
选取所述时空半方差的最优拟合的时空半方差模型；
根据每个采样位置的坐标和每个采样时间点的温室气体的的排放量和最优拟合的时空半方差模型，采用时空克里格插值法计算研究区域的温室气体排放总量。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提出了一种茶园温室气体监测装置，所述监测装置包括多个温室气体采集箱、多个GPS定位模块、气象色谱仪和排放量计算模块；多个所述温室气体采集箱分别设置在研究区域的茶园的采样位置；多个所述GPS定位模块分别一一对应的设置在多个所述温室气体采集箱上；所述气象色谱仪的输出端与所述排放量计算模块连接，所述气象色谱仪用于测量温室气体采集箱采集的气体中的温室气体浓度，并将每个温室气体采集箱采集的气体的温室气体浓度发送给所述排放量计算模块；多个所述GPS定位模块分别与所述排放量计算模块无线连接，所述GPS定位模块用于采集与所述GPS定位模块对应设置的温室气体采集箱的空间位置，并将温室气体采集箱的空间位置发送给所述排放量计算模块；所述排放量计算模块，用于根据每个温室气体采集箱采集的温室气体浓度和每个温室气体采集箱的空间位置，采用时空克里格插值法计算研究区域的茶园的温室气体排放量。本发明针对基于茶园土壤N2O排放具有高度的时空异质性，多个温室气体采集箱分别布置在研究区域的不同采样位置进行气样的获取，然后采用时空克里格插值法计算研究区域的温室气体的总排放量，本发明从时间变化和空间分布的角度实现高质量的监测数据的获取和分析，提高区域茶园土壤N2O排放总量的监测的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种茶园温室气体监测装置的结构图；
图2为本发明提供的一种茶园温室气体监测方法的流程图；
图3为本发明提供的一种茶园温室气体监测方法的采样位置设置位置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
本发明的目的是提供一种茶园温室气体监测装置及监测方法，以基于茶园土壤N2O排放具有高度的时空异质性，从时间变化和空间分布的角度实现高质量的监测数据的获取和分析，提高区域茶园土壤N2O排放总量的监测的准确性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
为了实现上述目的本发明提供一种茶园温室气体监测装置，如图1所示所述监测装置包括多个温室气体采集箱1、多个GPS定位模块2、气象色谱仪3和排放量计算模块4；多个所述温室气体采集箱1分别设置在研究区域的茶园的采样位置；多个所述GPS定位模块2分别一一对应的设置在多个所述温室气体采集箱1上；所述气象色谱仪3的输出端与所述排放量计算模块4连接，所述气象色谱仪3用于测量温室气体采集箱采集1的气体中的温室气体浓度，并将每个温室气体采集箱采集的气体的温室气体浓度发送给所述排放量计算模块4；多个所述GPS定位模块2分别与所述排放量计算模块4无线连接，所述 GPS定位模块2用于采集与所述GPS定位模块对应设置的温室气体采集箱的空间位置，并将温室气体采集箱1的空间位置发送给所述排放量计算模块4；所述排放量计算模块，4用于根据每个温室气体采集箱1采集的温室气体浓度和每个温室气体采集箱1的空间位置，采用时空克里格插值法计算研究区域的茶园的温室气体排放量。本发明的温室气体采集箱为小型温室气体采集箱。
其中，所述温室气体采集箱1包括底座、采样箱；所述底座的下端为刀口形状，使用时，所述底座的下端插入采样位置的土壤中；所述采样箱通过环扣固定在所述底座上；所述采样箱的上部开设有气孔，所述气孔内设置有活塞。所述底座与所述采样箱的接触位置环绕有橡胶圈。具体的，选择PVC材料，采样箱包含两部分，一是底座(h＝0.05m、d＝0.15m)带有三个环扣用于固定箱体，下端打磨成刀口形状便于压入土壤中；二是箱体(h＝0.15m、d＝0.15 m)与底座接触的地方环绕一周橡胶圈起到密封作用，在箱体的顶端有一直径 1.5厘米的气孔并安装了一个橡胶塞，用于采集气样。
样气收集时，所述气瓶通过两通的针头穿过所述活塞与所述采样箱连通。
如图2所示，本发明还提供一种茶园温室气体监测方法，所述监测方法包括如下步骤：
步骤201，在研究区域选取采样位置。
茶园主要分布在丘陵区，温室气体的排放受地形、地貌和管理方式(施肥、除草和灌溉)影响很大，在同一区域里面要选择不同地形、土壤性质和不同管理方式的茶园用于监测土壤温室气体的时空排放特征和排放总量估算，并采用半规则网格布点。步骤201所述在研究区域选取采样位置，具体包括：分别选取研究区域的不同地形、不同土壤性质和不同管理方式的采样区域；在每个所述采样区域采用半规则网格布点法获取采样位置。
步骤202，在每个采样位置设置温室气体采集箱，采集每个采样位置的多个采样时间点的土壤释放器气体，作为气样；
如图3所示，以茶树垄断面为基本单元，分四个位置布点，断面位置间距离的选择依据采样区最大边长计算(1/15)，也就是每间隔断面位置间距离(采样区最大边长的1/15)设一取样茶垄断面，在该断面取两个点，其中施肥位置点为必须采样点，另一点将在其它三点中任意选择(如行间、树下或林中)。采样箱底座在采样的前2天通过人工压入土壤，以消除采样时土壤扰动的影响。在整个采样周期结束后，使用差分GPS(定位模块)定位底座中心的平面坐标。
采样前检查并摆放气瓶，采样时间限制在采样当天的09:00-11:00，将在 0分钟和30分钟后应用两通的针头和12ml气瓶在每箱各采集2个气样，同时在数个采集箱内也测定气温的变化，气样将运回实验室用气象色谱测定其中温室气体的浓度。整个采样周期气样采集完成后，采集底座内0-20cm的土壤样品用以分析土壤物理和化学性质(如容重、机械组成、水分、有机质、全氮和矿态氮)，并收回底座和采样箱，采样完成。
步骤203，采用气象色谱仪获取每个采样位置的每个采样时间点的气样的温室气体的浓度。
步骤204，根据每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的浓度，计算每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的的排放量。
步骤204所述根据每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的浓度，计算每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的的排放量，具体包括：
根据每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的浓度，利用公式
计算每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的的排放量FLUX30；其中，c30和c0是温室气体采集箱中0与30分钟气样的N2O的浓度(gNm-2)；
是N2O的分子重量(g mol-1)；V0是在标准条件下((T0＝273K andpressure＝1013hPa))N2O的分子体积(22.4×10-3m3)；MN是氮元素的原子质量(g mol-1)；h是温室气体采集箱的采样箱的高度(0.15m)；Δt是采样箱封闭的时间(0.5h)； Tair是采样箱中的气温；24是小时转化为天的常数因子。
步骤205，基于每个采样位置的坐标和每个采样时间点的温室气体的的排放量，采用时空克里格插值法计算研究区域的温室气体排放总量。
通量计算完成后，采用时空数据分析R统计软件及其相关的专业模块，基于地统计学，计算时空半方差，并采用多种时空半方差模型拟合，探索N2O 排放的时空变异性特征，并通过时空克里格插值估算区域N2O排放总量。
步骤205所述基于每个采样位置的坐标和每个采样时间点的温室气体的的排放量，采用时空克里格插值法计算研究区域的温室气体排放总量，具体包括：根据每个采样位置的坐标和每个采样时间点的温室气体的的排放量，采用三维时空地统计方法分析研究区域的时空变异特征值；计算研究区域的时空变异特征值的时空半方差；选取所述时空半方差的最优拟合的时空半方差模型；根据每个采样位置的坐标和每个采样时间点的温室气体的的排放量和最优拟合的时空半方差模型，采用时空克里格插值法计算研究区域的温室气体排放总量。
为了说明本发明的茶园温室气体监测装置及方法的技术效果，本发明还提供了一个具体的实施例。
A、典型茶园选取：在湘丰集团的飞跃基地选择一块4m×8m的茶园，地形平坦，每年在3月或4月份施尿素(300kg N ha-1)，在12月份追加菜枯有机肥(150kg N ha-1)、6-8月份简单除草。在茶园四周设好围栏，防治其他人误入采样区，因扰动土壤影响监测结果。典型茶园周边安装有大型长期定位温室气体采样箱，用于与此次时空监测数据比较分析。
B、小型温室气体采样箱安装：在采样区内共安装96个温室气体采样箱采样，并在采样前3天(2014年4月25日)安装好底座，稳定土壤环境，箱体摆放在底座旁边，底座内禁止扰动。
C、样品采集：采样前检查并摆放气瓶，在2014年4月28日至2014年5 月27日间每天(10:00–10:30a.m.)采集一次气体样品，30天内共采集茶园土壤温室气体样品2880个。
D、实验室分析样品及数据分析：每天样品及时分析。数据分析采用R软件中的spacetime和gstat工具包。N2O排放通量的在-2.99–487.08mg·N·m-2· d-1之间，中间值为13.64mg·N·m-2·d-1，四个采样位置中施肥点的排放量最高，应用三维时空地统计方法分析了茶园土壤氧化亚氮(N2O)的时空变异特征，并采用4种时空半方差模型(separable、product-sum、metric和sum-metric) 模拟经验时空半方差和进行回归克里格时空插值。sum-metric模型拟合效果最好，并计算出最优的采样周期(5.4d)和大采样箱最佳边长(0.41m)。区域 N2O排放总量预测结果表明：时空采样预测总量(18.3–18.5g N)比大采样箱预测(14.7g·N)高出25％。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1、预测精度高，提供可靠的区域预测：与传统的长期定位观测比较，本发明采用空间多点采样，减少了因为空间异质性导致的区域预测精度低的问题。
2、可以探索时空变化特征：茶园土壤温室气体排放受到气候、茶园管理等条件的影响，探索茶园温室气体排放的时空变化规律特征，是精确预测茶园温室气体排放总量的必要条件，本发明采用小型温室气体采样箱在茶树的4 个典型位置布点，可以有效的监测茶园土壤温室气体排放的时空变化规律以及量化其影响因素。
3、验证大采样箱的数据：采用大采样箱定点监测茶园土壤温室气体排放是目前常用的方法，本发明可以为这种传统的监测方法在采样时间周期和采样箱的大小方面提供必要的理论数据。
本说明书中等效实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，等效实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
Claims (8)
1.一种茶园温室气体监测装置，其特征在于，所述监测装置包括多个温室气体采集箱、多个GPS定位模块、气象色谱仪和排放量计算模块；
多个所述温室气体采集箱分别设置在研究区域的茶园的采样位置；
多个所述GPS定位模块分别一一对应的设置在多个所述温室气体采集箱上；
所述气象色谱仪的输出端与所述排放量计算模块连接，所述气象色谱仪用于测量温室气体采集箱采集的气体中的温室气体浓度，并将每个温室气体采集箱采集的气体的温室气体浓度发送给所述排放量计算模块；
多个所述GPS定位模块分别与所述排放量计算模块无线连接，所述GPS定位模块用于采集与所述GPS定位模块对应设置的温室气体采集箱的空间位置，并将温室气体采集箱的空间位置发送给所述排放量计算模块；
所述排放量计算模块，用于根据每个温室气体采集箱采集的温室气体浓度和每个温室气体采集箱的空间位置，采用时空克里格插值法计算研究区域的茶园的温室气体排放量。
2.根据权利要求1所述的茶园温室气体监测装置，其特征在于，所述温室气体采集箱包括底座、采样箱；
所述底座的下端为刀口形状，使用时，所述底座的下端插入采样位置的土壤中；
所述采样箱通过环扣固定在所述底座上；所述采样箱的上部开设有气孔，所述气孔内设置有活塞。
3.根据权利要求2所述的茶园温室气体监测装置，其特征在于，所述底座与所述采样箱的接触位置环绕有橡胶圈。
4.根据权利要求2所述的茶园温室气体监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括气瓶，样气收集时，所述气瓶通过两通的针头穿过所述活塞与所述采样箱连通。
5.一种茶园温室气体监测方法，其特征在于，所述监测方法包括如下步骤：
在研究区域选取采样位置；
在每个采样位置设置温室气体采集箱，采集每个采样位置的多个采样时间点的土壤释放器气体，作为气样；
采用气象色谱仪获取每个采样位置的每个采样时间点的气样的温室气体的浓度；
根据每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的浓度，计算每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的的排放量；
基于每个采样位置的坐标和每个采样时间点的温室气体的的排放量，采用时空克里格插值法计算研究区域的温室气体排放总量。
6.根据权利要求5所述的一种茶园温室气体监测方法，其特征在于，所述在研究区域选取采样位置，具体包括：
分别选取研究区域的不同地形、不同土壤性质和不同管理方式的采样区域；
在每个所述采样区域采用半规则网格布点法获取采样位置。
7.根据权利要求5所述的一种茶园温室气体监测方法，其特征在于，所述根据每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的浓度，计算每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的的排放量，具体包括：
根据每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的浓度，利用公式
计算每个采样位置的每个采样时间点的温室气体的的排放量FLUX30；
其中，c30和c0是温室气体采集箱中0与30分钟气样的N2O的浓度(g·N m-2)；
是N2O的分子重量(g·mol-1)；V0是在标准条件下N2O的分子体积(22.4×10-3m3)；T0为标准条件的温度；MN是氮元素的原子质量(g·mol-1)；h是温室气体采集箱的采样箱的高度(0.15m)；Δt是采样箱封闭的时间(0.5h)；Tair是采样箱中的气温；24是小时转化为天的常数因子。
8.根据权利要求5所述的茶园温室气体监测方法，其特征在于，所述基于每个采样位置的坐标和每个采样时间点的温室气体的的排放量，采用时空克里格插值法计算研究区域的温室气体排放总量，具体包括：
根据每个采样位置的坐标和每个采样时间点的温室气体的的排放量，采用三维时空地统计方法分析研究区域的时空变异特征值；
计算研究区域的时空变异特征值的时空半方差；
选取所述时空半方差的最优拟合的时空半方差模型；
根据每个采样位置的坐标和每个采样时间点的温室气体的的排放量和最优拟合的时空半方差模型，采用时空克里格插值法计算研究区域的温室气体排放总量。
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