CN111474327A - 一种土壤气体活动量的监测装置与监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤气体活动量的监测装置、实施步骤与计算方法。监测装置是由PBT330大气压力传感器、VX5316无纸记录仪、S‑THB‑M008温湿度监测仪、U‑30无纸记录仪、数据传输线和电源组成。PBT330大气压力传感器和S‑THB‑M008温湿度监测仪除一个保留在地表上监测大气外，其它都埋设于包气带土壤内；无纸记录仪通过数据传输线分别与大气压力传感器连接，并通过数据传输线与电源连接。本发明可长期监测土壤气体活动，确定土壤气体活动数量，可为土壤呼吸量、干旱区生态恢复和石窟寺文物保护等研究提供技术与设备支撑。

Description

一种土壤气体活动量的监测装置与监测方法

技术领域

本发明涉及一种土壤气体活动量的监测装置与监测方法。具体的讲，本发明立足于了解土壤气体活动数量，按照一定步骤在土壤内安装空气压强、温度和湿度自动测量装置，并通过一定的公式和测量数据计算土壤气体活动量的方法。该方法可确定土壤中气体的活动量及水汽运移量，可为土壤呼吸、干旱区生态恢复及洞窟文物保护等研究提供设备与方法支撑。

背景技术

众所周知，土壤是由固体、液体和气体三类物质组成的。固体物质包括土壤矿物质、有机质和微生物等；液体物质主要指土壤水分；气体是存在于土壤孔隙中的空气。这三种物质有机的构成了一个土壤统一体。从地质学的角度看，地面以下潜水面以上的地带称包气带，它是岩土颗粒、水、空气三者同时存在的一个复杂系统。因此，无论通常意义上的土壤还是地质学上所指的包气带，该区域由于气相的存在，与外界大气形成了一个连续的统一体。在该区域内，土壤空气受大气压波动的影响，在地表存在“被动呼吸”，即土壤空气与大气存在一定数量的交流。同时，土层内的空气随气压的波动存在上下运移，有一定数量的空气通过土层界面。另外，受土壤温度变化影响，土壤存在独立的“主动呼吸”，即在温度作用下存在土壤的吸湿吸附与解吸湿吸附的相互转化。土壤的“主动呼吸”与“被动呼吸”的数量直接影响到植物根系气体的交换量，对植物根系发育有重要影响。然而，土壤呼吸监测装置的缺乏严重影响到相关研究的发展。

另外，水汽是土壤气体的主要构成成分，土壤气体活动会导致水分的运移。水是极其重要的生态驱动因子，在生态系统中具有十分重要的地位。水分在干旱地区极为珍贵，对荒漠区植被的生存、分布和数量具有决定性作用。水分的数量是制约荒漠区生物数量和规模的关键。在潜水埋深较浅的地区，潜水通过毛管对土壤水分和植被具有重要的补充作用。在潜水埋深较深的干旱地区，毛细作用对潜水的运转已不起作用，潜水的运移重要通过气态的水汽运移，确定潜水水汽运移量是决定干旱荒漠区植被恢复数量的关键。因此，确定土壤气体活动数量，明确水汽运移量对评估生态承载量非常重要。然而，目前尚无监测土壤气体活动数量的专门方法与设备，这便成为制约干旱荒漠区生态恢复的重要瓶颈。

同时，在古丝绸之路沿线上保存了众多的佛教石窟寺，它们开凿于砾砂岩体中，处于包气带中。石窟中保存的大量精美壁画、彩塑，是我国重要的文化遗产，具有重要的历史、科学和文化价值。长期以来，由于气候的变化和人类活动的影响，众多的石窟壁画存在起甲、霉变、空鼓、酥碱等与水分相关的病害。研究发现，水汽作为土壤气体主要构成成分，是引起壁画病害关键因子。引起壁画病害原因是洞窟围岩同样存在大气压波动下的“被动呼吸”和温度影响下的“主动呼吸”。它是影响洞窟水分蒸发和水汽运移的关键。因此，科学监测洞窟围岩气压、温度、湿度在内的气体活动数量，确定围岩水汽运移的数量与方向是当前亟待解决的关键问题，在洞窟文物的主动预防性保护中具有至关重要的作用。

因此，利用现代科学原理研制一种监测土壤气体活动的装置，并通过装置来监测、计算其活动量及其水汽运移量，这对土壤呼吸、干旱区生态恢复和洞窟文物保护等研究有重要意义。

发明内容

鉴于所述，本发明以土壤气体活动的监测为对象，以了解土壤气体活动数量为目的，旨在提供一种土壤气体活动量的监测装置；另一目的在于提供利用装置来测定土壤内空气气压、温度、湿度的活动数量及水汽运移量的方法，为土壤呼吸、干旱区生态恢复和石窟寺文物保护等研究提供设备与技术支撑。

本发明的目的是这样实现的：

一种土壤气体活动量的监测装置，是由PBT330大气压力传感器、VX5316无纸记录仪、S-THB-M008温湿度监测仪、U-30无纸记录仪、数据线和电源组成，PBT330大气压力传感器和S-THB-M008温湿度监测仪各保留一台在地表上监测大气压外，其它各PBT330大气压力传感器和S-THB-M008温湿度监测仪都埋设于的包气带土壤内， VX5316无纸记录仪通过数据传输线与PBT330大气压力传感器连接；U-30无纸记录仪通过数据传输线与S-THB-M008温湿度监测仪；VX5316无纸记录仪和U-30无纸记录仪通过电线分别与电源连接。

一种土壤气体活动量的监测方法，按以下步骤完成：

步骤一、 PBT330大气压传感器1和S-THB-M008温湿度监测仪3除一台架设在地上200cm高的支架监测地表大气压外，其它各PBT330大气压力传感器和S-THB-M008温湿度监测仪都埋设于的包气带土壤内，S-THB-M008温湿度监测仪分别相隔10、30、50、100、200、300、400、500、600 cm； PBT330大气压力传感器和S-THB-M008温湿度监测仪分别埋设于10-600cm 坑壁上开挖小洞，回填土夯实。

PBT330大气压力传感器和S-THB-M008温湿度监测仪埋设时，需要事先根据研究的需求确定监测深度和监测层位，然后挖坑，在欲监测深度的坑壁上开挖小洞，以刚好放置一个PBT330大气压力传感器和一个S-THB-M008温湿度监测为宜。土壤按照挖出次序依次进行回填，每30~50cm夯实一次。

步骤二、将VX5316无纸记录仪2水平放置于地面，将U-30无纸记录仪安装于气象站三角支架上，两台记录仪可根据实际需要进行太阳能板的选择；在野外进行监测时VX5316无纸记录仪采用DC24V太阳能板6供电，U-30无纸记录仪采用DC9V太阳能板6"进行供电。

步骤三、VX5316无纸记录仪通过数据线与土壤内外PBT330气压力传感器连接；U-30无纸记录仪通过数据线与土壤内外的S-THB-M008温湿度监测仪连接。

步骤四、VX5316无纸记录仪 和U-30无纸记录仪同步设定监测所需的时间间隔10min，30 min、1 hour，或可任意设置；

步骤五、大气压力变送器所感应的电信号由数据线传输到无纸记录仪2处理存储。用U盘在UBS接口下载数据，通过气压、温度、湿度测量数据绘制土壤内外的a气压、b绝对湿度、c相对湿度、d温度变化关系曲线，并确定需要计算的初始值和最终值。

步骤六、根据监测数据确定土壤气体的运移方向，计算土壤气体活动数量及水汽运移量。

本发明的优点是：

1、原理明确，应用推导公式和监测气压、温度、湿度计算的土壤空气活动量和水汽活动量结果准确可靠。

2、本发明的设备性能稳定可靠，监测精度高，有较强的抗干扰能力。记录时间间隔可根据需要自行调控，如设定无纸记录仪间隔为10分钟，监测数据存储可达一年以上，具备记录时间长、自动记录的特点。另外，可随时下载，实现了无限期连续监测。

附图说明

附图1是本发明的示意图。图1中监测坑的深度为600 cm。监测点深度分别为10、30、50、100、200、300、400、500、600 cm。这是敦煌莫高窟的监测设置，10-50 cm代表日温度变化影响下的日变温层，100-600 cm代表年温度影响下的年变温层。具体的监测深度和监测点的数量可根据具体的环境条件和具体的研究需求灵活确定。

图1中：1-PBT330大气压传感器；2-VX5316无纸记录仪；3-S-THB-M008温湿度监测仪；4-U-30无纸记录仪；5-数据线；6-电源。

附图2为图1监测的气压、温度、相对湿度及计算的绝对湿度。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案再作进一步的说明：

如图1所示，一种土壤气体活动量的监测装置，是由PBT330大气压力传感器1、VX5316无纸记录仪2、S-THB-M008温湿度监测仪3、U-30无纸记录仪4、数据线5和电源6组成。本发明适宜于极干旱区土壤气体活动的监测。该区的温度变化范围为-30～+60℃。土壤内水分含量小于1.5%，土壤含盐量较高，相对湿度不饱和。本发明选用温湿度等适用于该环境的PBT330大气压传感器和S-THB-M008温湿度监测仪。其中：PBT330数字式大气压传感器为Vaisala公司生产，其测量范围为500～1100 hPa；工作温度为-40～+60℃；准确度为±0.15 hPa；无纸记录仪为VX5316北方大河仪器仪表有限公司生产，与气压传感器PBT330配套，分辨率可达0.1 hPa。记录间隔可根据具体需要从数秒至数小时自由设定。U盘转存，方便下载与分析。电源可根据实际需要选择AC 220V或DC 24V电源供电。温湿度监测采用HOBO S-THB-M008（美国ONSET公司生产。该设备适用的温度范围是-40 ℃～70 ℃；温度精度为± 0.18 ℃在25 ℃分辨率为± 0.02 ℃ 在25 ℃；相对湿度测量范围为0～100%；精度为±2%RH在25℃; 分辨率在25 ℃时为0.1%）。记录仪采用U-30无纸记录仪（美国ONSET公司生产）。记录间隔可根据具体需要从数秒至数小时自由设定。U盘转存。电源可根据实际需要选择AC 220V或DC 24V电源供电。装置中，PBT330大气压力传感器1和S-THB-M008温湿度监测仪3各保留一台置于地表支架上监测大气压外，其它各PBT330大气压力传感器1和S-THB-M008温湿度监测仪3都埋设于坑壁挖洞内；VX5316无纸记录仪2通过数据传输线5与PBT330大气压力传感器1连接；U-30无纸记录仪4通过数据传输线5与S-THB-M008温湿度监测仪3；VX5316无纸记录仪2和U-30无纸记录仪4通过导线分别与电源6连接。在野外进行监测时VX5316无纸记录仪采用DC24V太阳能板6供电，U-30无纸记录仪采用DC9V太阳能板6"进行供电。

本发明一种土壤气体活动量的监测装置，是利用气压、温湿度物理量来监测土壤气体活动量的方法，其步骤为：

步骤一、 PBT330大气压传感器1和S-THB-M008温湿度监测仪3除一台架设在地上200cm高的支架监测大气压外，其它各PBT330大气压力传感器1和S-THB-M008温湿度监测仪3都埋设于的包气带土壤内，S-THB-M008温湿度监测仪3分别相隔10、30、50、100、200、300、400、500、600 cm； PBT330大气压力传感器1和S-THB-M008温湿度监测仪3分别埋设于10-600 cm坑壁上开挖小洞，回填土夯实；

PBT330大气压力传感器1和S-THB-M008温湿度监测仪3埋设时，需要事先挖坑，在欲监测深度的坑壁上开挖小洞，以刚好放置一个PBT330大气压力传感器1和一个S-THB-M008温湿度监测3为宜。土壤按照挖出次序依次进行回填，每30~50 cm夯实一次；

将VX5316无纸记录仪2水平放置于地面，将U-30无纸记录仪4安装于气象站三角支架上，两台记录仪可根据实际需要进行太阳能板的选择；在野外进行监测时VX5316无纸记录仪采用DC24V太阳能板6供电，U-30无纸记录仪采用DC9V太阳能板6"进行供电。

步骤二、VX5316无纸记录仪2通过数据线5与土壤内外PBT330气压力传感器1连接；U-30无纸记录仪3通过数据线5与土壤内外的S-THB-M008温湿度监测仪4连接。

步骤三、VX5316无纸记录仪2通过数据线5与土壤内外PBT330气压力传感器1连接；U-30无纸记录仪3通过数据线5与土壤内外的S-THB-M008温湿度监测仪4连接。

步骤四、 VX5316无纸记录仪2 和U-30无纸记录仪4同步设定监测所需的时间间隔10 min，30 min、1 hour，或可任意设置；

步骤五、大气压力变送器1所感应的电信号由数据线3传输到无纸记录仪2处理存储。用U盘在UBS接口下载数据，通过气压、温度、湿度测量数据绘制土壤内外的（a）气压、（b）绝对湿度、（c）相对湿度、（d）温度变化关系曲线，并根据需求确定需要计算的初始值和最终值，也就是首先人为确定期望了解的某一变化过程，然后确定这一过程在开始时和结束时所监测的气压、绝对湿度、相对湿度和温度等数值。

步骤六、根据监测数据确定土壤气体的运移方向、计算土壤气体的活动数量及水汽运移量。

埋入土壤中大气压力变送器1，测量数据为包气带土壤的真实气压值，下载后若以地表气压值为基值，通过计算机EXCEL进行数据处理，在排除大气压的影响下可显示土壤内不同区域的气压相对值，从而清晰显示不同区域的相对压差。按照气体运移的基本原理，气压高处向气压低处运移。因此，可根据相对气压的高低，直接确定土壤空气的运移方向。

本发明应用气压、温度和湿度变化计算土壤气体及水汽的活动数量的方法，我们以敦煌莫高窟窟顶戈壁为例来说明。该区域包气带厚度为200 m（对于某一深度d，则该层位的包气带厚度为T = 200 − d），气候干燥。孔隙度为20%～30%。在该区域内，土壤空气气压受大气的影响和控制，随大气的变化而变化。在大气压波动过程中，本发明将地表到地下水面的包气带的整体区域作为一个封闭系统。根据波义尔定律，

P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂

这里，V ₁ 是包气带空气气压为P ₁时的体积，V ₂ 是包气带空气气压为P ₂ 时的体积。对于一定厚度的包气带，气压由P ₁变化变为P ₂ 时，根据该定律，土壤空气整体压缩或膨胀，体积变化量ΔV为透过该层位的气体数量，

ΔV = V (P ₂ – P ₁)/P ₁ （1）

这里，V是包气带的空气体积。设T为对于监测点而言的包气带厚度。假设通过单位面积的气体厚度为D，则通过的体积为 ΔV = D × 1， （1为单位面积），那么，

D = ΔV/1 = ΔV = V (P ₂ – P ₁)/P ₁ = T n (P ₂ – P ₁)/P ₁ （2）

式（2）中，n为包气带的孔隙度，T代表包气带厚度。

因此，对已知一定深度和孔隙度的包气带，我们只要监测包气带某一深度的气压变化，即可根据公式（1）和（2）计算出气压变化下通过该深度单位面积的气体活动数量（气体通量）或厚度D。即公式（1）适应于土壤内某一层位气压由P ₁变化变为P ₂ 时的土壤气体活动量计算；通过地表大气压的监测，根据公式（1）或（2）也可计算出大气-土壤空气交换量（被动呼吸量）。

在莫高窟附图2（a）中在2014-05-23日的一次大气压上升过程中，10、300、600 cm深度的气压由0:00时的853.1、852.7、852.6 hPa分别上升到23:50的866.6、866.5、865.9hPa，包气带厚度分别为200 – 0.1 = 199.9 m、200 – 3 = 197 m、200 – 6 = 194 m，孔隙度取n = 0.25，那么根据公式（1）在10、300、600 cm界面单位面积向下通过的气体数量分别为：

ΔV _10cm = V (P ₂ – P ₁)/P ₁ = 199.9×0.25×(866.6–853.1)/853.1 = 0.7908 m³

ΔV _300cm = V (P ₂ – P ₁)/P ₁ = 197×0.25×(866.5–852.7)/852.7 = 0.7971 m³

ΔV _600cm = V (P ₂ – P ₁)/P ₁ = 196×0.25×(865.9–852.6)/852.6 = 0.7874 m³

若以公式（2）计算则结果分别为790.8、797.1、787.4 mm厚度的气体；若以地面大气压和200 m厚度包气带计算，则结果为大气进入或流出土壤的气体数量，即大气-土壤气体的交换量。在气压下降过程中，则土壤气体向上、向外流动。

对于土壤气体中的水汽数量，当通过单位界面的气体体积为ΔV时，若测定其中的水汽浓度（绝对湿度）为AH，即可根据下面的公式（3）计算土壤气体中的水汽的运移量W。

W = ΔV AH (3)

通常，水汽浓度（绝对湿度）是通过监测空气的温度（AT）和相对湿度（RH），通过饱和水汽浓度表的查找与计算或通过公式AH =

的计算获得。

如附图2（b）中，在前面列举的2014-05-23日的例子中，通过10、300、600 cm的平均水汽浓度分别为17.175、10.950、11.398 g/m³，则通过的单位面积的水汽量分别为：

W _10cm = ΔV AH = 0.7908× 17.175 = 13.58 g

W _300cm = ΔV AH = 0.7971× 10.950 = 8.73 g

W _600cm = ΔV AH = 0.7874× 11.398 = 8.97 g

对于温度影响下的“主动呼吸”数量，根据气态方程，

PV = nRt

其中P为压强，V为体积，n表示气体数量， t为温度； R为理想气体常数。温度升高，土壤会释放一定的吸附气体，也会释放一定数量的吸湿水分。不同土壤释放的气体（水分）数量不同，具体特性需要实验室测定。为了方便，通常我们用装有土壤的封闭容器进行不同温度下气压的测定，然后根据温度与压强的相应变化，首先拟合出气压P（水汽摩尔浓度C）与温度的关系式。譬如，莫高窟戈壁土壤的关系式为，

P = 3.4949 t + 807.66 (R ² = 0.9881, P = 0.01) (4)

C =  0.0006 t ² – 0.0032 t + 0.106 (R ² = 0.9979, P = 0.01) (5)

附图2（d）中，在100-600cm，土壤平均温度3月最低，为10.16 ℃；9月最高，为 19.14℃。将温度值代入公式（4）可得温度变化前后的气压值，然后再将气压代入公式（1）ΔV = V  (P ₂ – P ₁)/P ₁。与前面不同的是，这里的P ₁ 、P ₂ 是温度变化前后封闭气体的压强。那么，莫高窟戈壁600 cm厚度的土壤在年温度变化中释放的气体数量为，

ΔV = V (P ₂ – P ₁)/P ₁ = 6000×0.25× (874.55 – 843.17)/843.17 = 55.8 mm

根据公式（3），其中水汽量为，

W = ΔV AH =ΔV×18C = 18 × 0.2646 × 0.0558 = 0.266 g/m²

这样，在采用上述仪器监测气压、温度、相对湿度等参变量数据的基础上，利用公式（1）、（2）、（3）可计算包括“被动呼吸”、“主动呼吸”在内的土壤气体活动量和水汽活动数量。

Claims (3)

1.一种土壤气体活动量的监测装置，是由PBT330大气压力传感器（1）、VX5316无纸记录仪（2）、S-THB-M008温湿度监测仪（3）、U-30无纸记录仪（4）、数据线（5）和电源（6）组成，PBT330大气压力传感器（1）和S-THB-M008温湿度监测仪（3）各保留一台在地表上监测大气压外，其它各PBT330大气压力传感器（1）和S-THB-M008温湿度监测仪（3）都埋设于的包气带土壤内洞壁的小洞中， VX5316无纸记录仪（2）通过数据传输线（5）与PBT330大气压力传感器（1）连接；U-30无纸记录仪（4）通过数据传输线（5）与S-THB-M008温湿度监测仪（3）；VX5316无纸记录仪（2）和U-30无纸记录仪（4）通过电线分别与电源连接。

2.根据权利要求1所述的一种土壤气体活动量的监测装置，利用气压、温湿度物理量来监测土壤气体活动量的方法，其步骤为：

步骤一、 PBT330大气压传感器1和S-THB-M008温湿度监测仪3除一台架设在地上200cm高的支架监测大气压外，其它各PBT330大气压力传感器1和S-THB-M008温湿度监测仪3都埋设于的包气带土壤内，S-THB-M008温湿度监测仪3分别相隔10、30、50、100、200、300、400、500、600 cm； PBT330大气压力传感器1和S-THB-M008温湿度监测仪3分别埋设于10-600 cm坑壁上开挖小洞，回填土夯实；

PBT330大气压力传感器1和S-THB-M008温湿度监测仪3埋设时，需要事先挖坑，在欲监测深度的坑壁上开挖小洞，以刚好放置一个PBT330大气压力传感器1和一个S-THB-M008温湿度监测3为宜。

3.土壤按照挖出次序依次进行回填，每30~50 cm夯实一次；

步骤二、将VX5316无纸记录仪2水平放置于地面，将U-30无纸记录仪4安装于气象站三角支架上，两台记录仪可根据实际需要进行太阳能板的选择；在野外进行监测时VX5316无纸记录仪采用DC24V太阳能板6供电，U-30无纸记录仪采用DC9V太阳能板6"进行供电；

步骤三、VX5316无纸记录仪2通过数据线5与土壤内外PBT330气压力传感器1连接；U-30无纸记录仪3通过数据线5与土壤内外的S-THB-M008温湿度监测仪4连接；

步骤四、VX5316无纸记录仪2 和U-30无纸记录仪4同步设定监测所需的时间间隔10min，30 min、1 hour，或可任意设置；

步骤五、大气压力变送器1所感应的电信号由数据线3传输到无纸记录仪2处理存储，用U盘在UBS接口下载数据，通过气压、温度、湿度测量数据绘制土壤内外的气压、绝对湿度、相对湿度、温度变化关系曲线，并确定需要计算的初始值和最终值；

步骤六、根据监测数据确定土壤气体的运移方向、计算土壤气体的活动数量及水汽运移量。

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