CN111239363A - 一种土壤呼吸监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤呼吸监测装置及监测方法。该装置包括数据处理模块和呈圆筒状的气室，所述气室的顶部和底部都开口，所述气室顶部的开口处设有盖板，所述盖板上设有多个通气孔，所述气室内壁从上至下依次设有多个二氧化碳传感器，所述气室顶部设有检测每个通气孔处气体流速的气体流速检测模块，所述数据处理模块分别与二氧化碳传感器、气体流速检测模块电连接。本发明采用带有通气孔的开放式动态气室进行监测，降低了土壤呼吸的抑制作用，提高土壤呼吸速度监测的精确度，另一方面也能够在扩散的各个阶段实时计算出土壤呼吸速度。

Description

一种土壤呼吸监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及土壤呼吸监测技术领域，尤其涉及一种土壤呼吸监测装置及监测方法。

背景技术

土壤是一个巨大的碳库，总储存量达到1394Pg C，大约是大气中碳总量(750Pg C)的两倍，是陆地生物碳总储量(560Pg C)的3倍。土壤呼吸是土壤释放CO₂的过程，占整个陆地生态系统呼吸的60％-90％，是大气CO₂的主要贡献者之一，全球每年从土壤中释放出来的CO₂为68Pg C，仅次于全球植物总初级生产力(GPP：100-120Pg C a^-1)，略高于全球陆地生态系统净初级生产力(NPP：50-60Pg C a^-1)，远远高于每年因燃料燃烧而释放进入大气的CO2量(5.2Pg C)，其微小的变化都可能引起大气CO₂浓度较大的改变，是导致全球气候变化的关键生态过程，已经成为全球碳循环研究的核心问题。因此，准确地监测和计量土壤呼吸是研究全球碳循环和气候变化的关键环节。

研究土壤呼吸监测已经有相当长的历史，最早可以追溯到19世纪初。200多年来国内外对土壤呼吸进行了大量研究，尤其是20世纪60年代国际生物学计划(IBP)开始以来对其研究掀起了热潮。近些年来，土壤呼吸监测方法逐渐增多，形成气室法、微气象学法、气井法和模型法等。而气室监测法使用最广泛，占95％以上，主要有静态气室法、密闭式动态气室法和开放式动态气室法，前两者主要是通过单位时间气室内增加的CO₂浓度进行计算土壤呼吸，后一者主要是通过流进和流出气室的CO₂浓度差分进行计算土壤CO2通量。它们有相同特点，都是通过分析密闭气室内的CO2浓度变化进行计算土壤呼吸，在监测过程中存在共同的缺陷：第一，气室内CO₂浓度升高会减小土壤表层CO₂浓度与气室内CO₂浓度差，从而抑制土壤呼吸。第二，密闭气室会隔绝大气湍流作用，减小大气流动对土壤CO₂的带动力，从而抑制土壤呼吸。因此，气室监测法存在的两大缺陷会减弱土壤CO₂排放的速率，从而低估土壤呼吸监测值。

针对密闭气室存在的缺陷，科学家做了大量的改进，也提出了一些新的监测方法。Li-Cor公司通过抽气方法确保气室内外气压平衡，并以水蒸气校准提高监测精度，但密闭气室仍然会减弱湍流作用，低估现象未能根本解决。气井监测法是把CO₂传感器埋在土壤内，通过气体扩散梯度来计算CO₂通量，但扩散系数受土壤属性、土壤水分等因子影响，计算结果不理想。涡度相关法往往会把地部分的呼吸作用也计算在内，准确性不高。模型法的适用性比较弱，一个地区的模型一般不能适用其它区域，针对气室监测法的缺陷所做得改进虽然取得了一定的效果，但是不能从根本上解决密闭气室法对土壤呼吸低估的影响。

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监测装置及监测方法，其采用带有通气孔的开放式动态气室进行监测，降低了土壤呼吸的抑制作用，提高土壤呼吸速度监测的精确度，另一方面也能够在扩散的各个阶段实时计算出土壤呼吸速度。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明的一种土壤呼吸监测装置，包括数据处理模块和呈圆筒状的气室，所述气室的顶部和底部都开口，所述气室顶部的开口处设有盖板，所述盖板上设有多个通气孔，所述气室内壁从上至下依次设有多个二氧化碳传感器，所述气室顶部设有检测每个通气孔处气体流速的气体流速检测模块，所述数据处理模块分别与二氧化碳传感器、气体流速检测模块电连接。

在本方案中，使用时，将气室放置在土壤上，通气孔使气室不密封，降低了土壤呼吸的抑制作用，提高土壤呼吸速度监测的精确度，每个二氧化碳传感器检测所在高度的二氧化碳浓度，并将其发送到数据处理模块，气体流速检测模块检测每个通气孔处气体流速，并将其发送到数据处理模块。

气室内土壤气体自由扩散主要分为两阶段：一是土壤气体在气室内充分自由扩散阶段；二是气室内土壤气体达到饱和，进入动态平衡阶段。

在第一阶段，土壤气体还未能通过扩散作用到达气室顶端，并通过通气孔离开气室。由于同一时间内，在扩散区域，CO₂浓度随气室高度大体呈线性变化，因此可通过在气室中心轴上选取一系列均匀分布的离散点，对不同时间下各点的CO₂浓度进行追踪观测，可得到，在监测气室内CO₂气体始终存在如下守恒关系：

其中，C′₀为地表大气CO₂浓度，V为气室体积，F为土壤呼吸速率，T为监测时间，S为气室底部开口面积，C_v为气室内体积单元CO₂浓度，

为从气室中泄露的CO₂质量；

公式(1)从左到右四项分别表示初始气室内CO₂质量、土壤呼吸排出CO₂质量、现气室内CO₂质量及气室泄露CO₂质量。

由于土壤气体的组分与大气气体组分相差不大，在CO₂浓度相近的情况下，相同高度下的气体密度也大抵相同，因此，气室内CO₂的质量表示为：

其中，R为气室半径，H为气室高度，N为二氧化碳传感器的个数，C_i为第i个二氧化碳传感器所在高度的CO₂浓度；

在对流扩散过程中，泄漏气体主要通过通气孔排出气室。对于长时间的监测过程，通气孔排出的混合气体的体积受入口流量体积与气体体积弹性模数影响。由于在气室内的气体流动速度和压强不大，因此，气体的可压缩性对排气体积影响不大。由于本发明采用了基于带有通气孔的气室，故从气室中泄露的CO₂质量可表示为：

其中，C_Hmax(t)为气室顶部开口处CO₂浓度，V_j为第j个通气孔处气体流速值，n为通气孔的个数，在对流扩散到达通气孔之前C_Hmax(t)取值为常数C₁′，将公式(2)、(3)代入公式(1)得到：

根据公式(4)，求得土壤呼吸速率F为：

在第二阶段，气室内CO₂浓度的变化不明显，整个流场进入动态平衡状态，动态平衡状态是开放型气室的典型特征，在动态平衡过程中，气室内CO₂浓度几乎不发生变化，即气室内CO₂达到饱和状态，气室内部的二氧化碳传感器所测的CO₂浓度相等，因此，不同时间下气室内的CO₂质量始终保持守恒。结合公式(1)，对每个时间微元Δt内，都存在如下守恒关系：

由于通气孔的分布不同且可能存在其他扰动，通过每个通气孔的气体速度各有不同，在土壤气体及大气气体的双重作用下，会给气体密度及组分带来差异。由于在第二阶段气室内CO₂浓度不变，通气孔的CO₂浓度采用第a个二氧化碳传感器所在高度的CO₂浓度C_a。所以从气室中泄露的CO₂质量表示为：

将公式(7)代入公式(6)求得土壤呼吸速率F为：

作为优选，所述气室的直径为250mm，所述气室的壁厚为5mm，所述气室的高度为300mm。

作为优选，所述通气孔均匀分布在盖板上。

作为优选，所述气室内壁从上至下依次设有五个二氧化碳传感器。

本发明的一种土壤呼吸监测方法，用于上述的一种土壤呼吸监测装置，包括以下步骤：

气室放置在待测土壤上，每个二氧化碳传感器检测所在高度的二氧化碳浓度，并将其发送到数据处理模块，气体流速检测模块检测每个通气孔处气体流速，并将其发送到数据处理模块；

初始时，土壤气体还未能通过扩散作用到达气室顶端，并通过通气孔离开气室，气室内CO₂气体始终存在如下守恒关系：

其中，C′₀为地表大气CO₂浓度，V为气室体积，F为土壤呼吸速率，T为监测时间，S为气室底部开口面积，C_v为气室内体积单元CO₂浓度，

为从气室中泄露的CO₂质量；

气室内CO₂的质量表示为：

其中，R为气室半径，H为气室高度，N为二氧化碳传感器的个数，C_i为第i个二氧化碳传感器所在高度的CO₂浓度；

从气室中泄露的CO₂质量表示为：

其中，C_Hmax(t)为气室顶部开口处CO₂浓度，V_j为第j个通气孔处气体流速值，n为通气孔的个数，在对流扩散到达通气孔之前C_Hmax(t)取值为常数C₁′，将公式(2)、(3)代入公式(1)得到：

根据公式(4)，求得土壤呼吸速率F为：

当气室内每个二氧化碳传感器检测到的CO₂浓度变化都在设定的范围内时，气室内CO₂气体始终存在如下守恒关系：

通气孔的CO₂浓度采用第a个二氧化碳传感器所在高度的CO₂浓度C_a，所以从气室中泄露的CO₂质量表示为：

将公式(7)代入公式(6)求得土壤呼吸速率F为：

作为优选，气室内有a个二氧化碳传感器，a个二氧化碳传感器在气室内由低至高依次编号，气室内最下方的二氧化碳传感器为第1个二氧化碳传感器，气室内最上方的二氧化碳传感器为第a个二氧化碳传感器。

本发明的有益效果是：采用带有通气孔的开放式动态气室进行监测，降低了土壤呼吸的抑制作用，提高土壤呼吸速度监测的精确度，另一方面也能够在扩散的各个阶段实时计算出土壤呼吸速度。

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、数据处理模块，2、气室，3、盖板，4、通气孔，5、二氧化碳传感器，6、气体流速检测模块。

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监测装置，如图1、图2所示，包括数据处理模块1和呈圆筒状的气室2，气室2的顶部和底部都开口，气室2顶部的开口与底部的开口尺寸相同，气室2顶部的开口处设有盖板3，盖板3上设有多个通气孔4，气室2内壁从上至下依次设有五个二氧化碳传感器5，气室2顶部设有检测每个通气孔4处气体流速的气体流速检测模块6，数据处理模块1分别与二氧化碳传感器5、气体流速检测模块6电连接。

气室2的直径为250mm，气室的壁厚为5mm，气室的高度为300mm，通气孔4均匀分布在盖板3上。气室内有五个二氧化碳传感器，五个二氧化碳传感器在气室内由低至高依次编号，气室内最下方的二氧化碳传感器为第1个二氧化碳传感器，气室内最上方的二氧化碳传感器为第5个二氧化碳传感器。

在本方案中，使用时，将气室放置在土壤上，通气孔使气室不密封，降低了土壤呼吸的抑制作用，提高土壤呼吸速度监测的精确度，每个二氧化碳传感器检测所在高度的二氧化碳浓度，并将其发送到数据处理模块，气体流速检测模块检测每个通气孔处气体流速，并将其发送到数据处理模块。

气室内土壤气体自由扩散主要分为两阶段：一是土壤气体在气室内充分自由扩散阶段；二是气室内土壤气体达到饱和，进入动态平衡阶段。

在第一阶段，土壤气体还未能通过扩散作用到达气室顶端，并通过通气孔离开气室。由于同一时间内，在扩散区域，CO₂浓度随气室高度大体呈线性变化，因此可通过在气室中心轴上选取一系列均匀分布的离散点，对不同时间下各点的CO₂浓度进行追踪观测，可得到，在监测气室内CO₂气体始终存在如下守恒关系：

其中，C′₀为地表大气CO₂浓度，V为气室体积，F为土壤呼吸速率，T为监测时间，S为气室底部开口面积，C_v为气室内体积单元CO₂浓度，

为从气室中泄露的CO₂质量；

公式(1)从左到右四项分别表示初始气室内CO₂质量、土壤呼吸排出CO₂质量、现气室内CO₂质量及气室泄露CO₂质量。

由于土壤气体的组分与大气气体组分相差不大，在CO₂浓度相近的情况下，相同高度下的气体密度也大抵相同，因此，气室内CO₂的质量表示为：

其中，R为气室半径，H为气室高度，N为二氧化碳传感器的个数，C_i为第i个二氧化碳传感器所在高度的CO₂浓度；

在对流扩散过程中，泄漏气体主要通过通气孔排出气室。对于长时间的监测过程，通气孔排出的混合气体的体积受入口流量体积与气体体积弹性模数影响。由于在气室内的气体流动速度和压强不大，因此，气体的可压缩性对排气体积影响不大。由于本发明采用了基于带有通气孔的气室，故从气室中泄露的CO₂质量可表示为：

其中，C_Hmax(t)为气室顶部开口处CO₂浓度，V_j为第j个通气孔处气体流速值，n为通气孔的个数，在对流扩散到达通气孔之前C_Hmax(t)取值为常数C₁′，将公式(2)、(3)代入公式(1)得到：

根据公式(4)，求得土壤呼吸速率F为：

在第二阶段，气室内CO₂浓度的变化不明显，整个流场进入动态平衡状态，动态平衡状态是开放型气室的典型特征，在动态平衡过程中，气室内CO₂浓度几乎不发生变化，即气室内CO₂达到饱和状态，气室内部的二氧化碳传感器所测的CO₂浓度相等，因此，不同时间下气室内的CO₂质量始终保持守恒。结合公式(1)，对每个时间微元Δt内，都存在如下守恒关系：

由于通气孔的分布不同且可能存在其他扰动，通过每个通气孔的气体速度各有不同，在土壤气体及大气气体的双重作用下，会给气体密度及组分带来差异。由于在第二阶段气室内CO₂浓度不变，通气孔的CO₂浓度采用第5个二氧化碳传感器所在高度的CO₂浓度C₅。所以从气室中泄露的CO₂质量表示为：

将公式(7)代入公式(6)求得土壤呼吸速率F为：

本实施例的一种土壤呼吸监测方法，用于上述的一种土壤呼吸监测装置，包括以下步骤：

气室放置在待测土壤上，每个二氧化碳传感器检测所在高度的二氧化碳浓度，并将其发送到数据处理模块，气体流速检测模块检测每个通气孔处气体流速，并将其发送到数据处理模块；

初始时，土壤气体还未能通过扩散作用到达气室顶端，并通过通气孔离开气室，气室内CO₂气体始终存在如下守恒关系：

其中，C′₀为地表大气CO₂浓度，V为气室体积，F为土壤呼吸速率，T为监测时间，S为气室底部开口面积，C_v为气室内体积单元CO₂浓度，

为从气室中泄露的CO₂质量；

气室内CO₂的质量表示为：

其中，R为气室半径，H为气室高度，N为二氧化碳传感器的个数，C_i为第i个二氧化碳传感器所在高度的CO₂浓度；

从气室中泄露的CO₂质量表示为：

其中，C_Hmax(t)为气室顶部开口处CO₂浓度，V_j为第j个通气孔处气体流速值，n为通气孔的个数，在对流扩散到达通气孔之前C_Hmax(t)取值为常数C₁′，将公式(2)、(3)代入公式(1)得到：

根据公式(4)，求得土壤呼吸速率F为：

当气室内每个二氧化碳传感器检测到的CO₂浓度变化都在设定的范围内时，气室内CO₂气体始终存在如下守恒关系：

通气孔的CO₂浓度采用第5个二氧化碳传感器所在高度的CO₂浓度C₅，所以从气室中泄露的CO₂质量表示为：

将公式(7)代入公式(6)求得土壤呼吸速率F为：

Claims (6)

1.一种土壤呼吸监测装置，其特征在于，包括数据处理模块(1)和呈圆筒状的气室(2)，所述气室(2)的顶部和底部都开口，所述气室(2)顶部的开口处设有盖板(3)，所述盖板(3)上设有多个通气孔(4)，所述气室(2)内壁从上至下依次设有多个二氧化碳传感器(5)，所述气室(2)顶部设有检测每个通气孔(4)处气体流速的气体流速检测模块(6)，所述数据处理模块(1)分别与二氧化碳传感器(5)、气体流速检测模块(6)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种土壤呼吸监测装置，其特征在于，所述气室(2)的直径为250mm，所述气室(2)的壁厚为5mm，所述气室(2)的高度为300mm。

3.根据权利要求1所述的一种土壤呼吸监测装置，其特征在于，所述通气孔(4)均匀分布在盖板(3)上。

4.根据权利要求1所述的一种土壤呼吸监测装置，其特征在于，所述气室(2)内壁从上至下依次设有五个二氧化碳传感器(5)。

5.一种土壤呼吸监测方法，用于权利要求1所述的一种土壤呼吸监测装置，其特征在于，包括以下步骤：

气室放置在待测土壤上，每个二氧化碳传感器检测所在高度的二氧化碳浓度，并将其发送到数据处理模块，气体流速检测模块检测每个通气孔处气体流速，并将其发送到数据处理模块；

初始时，土壤气体还未能通过扩散作用到达气室顶端，并通过通气孔离开气室，气室内CO₂气体始终存在如下守恒关系：

其中，C′₀为地表大气CO₂浓度，V为气室体积，F为土壤呼吸速率，T为监测时间，S为气室底部开口面积，C_v为气室内体积单元CO₂浓度，

为从气室中泄露的CO₂质量；

气室内CO₂的质量表示为：

其中，R为气室半径，H为气室高度，N为二氧化碳传感器的个数，C_i为第i个二氧化碳传感器所在高度的CO₂浓度；

从气室中泄露的CO₂质量表示为：

其中，C_Hmax(t)为气室顶部开口处CO₂浓度，V_j为第j个通气孔处气体流速值，n为通气孔的个数，在对流扩散到达通气孔之前C_Hmax(t)取值为常数C′₁，将公式(2)、(3)代入公式(1)得到：

根据公式(4)，求得土壤呼吸速率F为：

当气室内每个二氧化碳传感器检测到的CO₂浓度变化都在设定的范围内时，气室内CO₂气体始终存在如下守恒关系：

通气孔的CO₂浓度采用第a个二氧化碳传感器所在高度的CO₂浓度C_a，所以从气室中泄露的CO₂质量表示为：

将公式(7)代入公式(6)求得土壤呼吸速率F为：

6.根据权利要求5所述的一种土壤呼吸监测方法，其特征在于，气室内有a个二氧化碳传感器，a个二氧化碳传感器在气室内由低至高依次编号，气室内最下方的二氧化碳传感器为第1个二氧化碳传感器，气室内最上方的二氧化碳传感器为第a个二氧化碳传感器。

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