CN111929117A - 甲烷监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种甲烷监测装置，其包括筒状的底座主体，底座主体的下端部分能插入到土壤中以包围植株的下端，在底座主体的侧壁上设置有内外连通的至少一个取气口，以及密封式盖合在底座主体的上端开口处的隔板组件，隔板组件能使得植株密封式竖向穿过，其中，取气口构造为能与底座主体的内腔中的相应的介质对应以用于监测该介质处的甲烷的排放，该甲烷监测装置能精准的测量土壤、表层水和植株甲烷的排放。

Description

甲烷监测装置

技术领域

本发明属于气体监测技术领域，具体涉及一种甲烷监测装置，其可以用于水稻田甲烷或者湿地甲烷的排放的监测。

背景技术

甲烷（CH₄）是仅次于二氧化氮的最重要温室气体，对全球变暖产生重要的影响。湿地植物在生长过程中能排放甲烷。例如，水稻是世界60%以上人口的主要粮食来源，则水稻田也是甲烷最大的人为排放源。大气中甲烷的浓度已经由工业革命前的772ppb增加到2011年的1803ppb。而中国是世界第一水稻生产大国，据估算，中国稻田甲烷排放超过7.4Tg yr^-1。

稻田甲烷排放亟待开展监测，以充分掌握其传输机制进而制定有效减排措施。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种甲烷监测装置。该甲烷监测装置能在植株主体的下端形成相对封闭的空间，以定量地监测甲烷气体的产生和传输。另外，该甲烷监测装置通过取气口与相应的介质的对应关系，可以更加精准的获取该介质处的甲烷气体的排放通量，为政策实施提供更加精准的依据。

根据本发明，提出了一种甲烷监测装置，包括：

筒状的底座主体，底座主体的下端部分能插入到土壤中以包围植株的下端，在底座主体的侧壁上设置有内外连通的至少一个取气口，

密封式盖合在底座主体的上端开口处的隔板组件，隔板组件能使得植株密封式竖向穿过，

其中，取气口构造为能与底座主体的内腔中的相应的介质对应以用于监测该介质处的甲烷的排放。

在一个实施例中，在从上到下方向上，于底座主体的侧壁上间隔式设置气泡传输取气口、液相扩散取气口和土壤溶液取气口三个取气口，其中，气泡传输取气口在竖向上位于隔板组件与表层水的上表面之间，液相扩散取气口在竖向上位于表层水的上表面与表层水的下表面之间，土壤溶液取气口在竖向上位于表层水下表面之下。

在一个实施例中，隔板组件包括两个可以相对式连接的第一隔板和第二隔板，在第一隔板和第二隔板连接后在中间位置处形成用于植株穿过的穿过孔，在穿过孔处设置第一密封件以用于隔板组件与植株的密封连接。

在一个实施例中，第一密封件包括多个径向间隔式套接的密封环，以及设置在相邻的密封环之间的连接部，其中，在径向的从外到内的方向上，密封环的高度依次增加，密封环与连接部均设置为分体式结构用于分别对应第一隔板和第二隔板。

在一个实施例中，在第一隔板的径向内侧的穿过孔之外的侧壁上设置包容槽，在第二隔板的径向内侧的穿过孔之外的侧壁上设置插入部，插入部能径向插入到包容槽并与包容槽形成楔形配合，在包容槽与插入部之间设置第二密封件。

在一个实施例中，在底座主体的侧壁上设置能内外连通的连通孔，连通孔位于土壤溶液取气口的下端。

在一个实施例中，还包括设置在隔板组件的上端的顶箱，顶箱与隔板组件形成用于罩设植株的上端的容纳空间，在顶箱的侧壁上设置内外连通的植株传输取气口。

在一个实施例中，在底座主体的外壁上固定设置竖向截面为折弯状的折弯件，折弯件与底座主体的外壁形成开口向上的容纳槽，顶箱的下端能包围隔板组件式延伸到容纳槽中。

在一个实施例中，在顶箱的顶壁上设置用于连接温度计的温度计接口和气压平衡口。

在一个实施例中，甲烷监测装置还包括多个取气管，各取气管相对应地密封式穿过气泡传输取气口、液相扩散取气口、土壤溶液取气口和植株传输取气口以进行取气，在远离气源端的取气管上设置气路切换阀，在与土壤溶液取气口对应的取气管的气源端设置土壤气体捕捉器。

与现有技术相比，本发明至少具有下列优点中的一个，该甲烷监测装置通过底座主体和隔板组件，在植株的下端部分形成相对稳定的封闭的空间，以更加完全地测量气体地排放。同时，通过设置取气口以对应介质，则可以实现更加精准地获取相应处的甲烷气体排放通量，为后期政策实施提供更加分类化的依据。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的甲烷监测装置；

图2显示了根据本发明地一个实施例的隔板组件；

图3为来自图2的A-A截面图；

图4为来自图2的B-B截面图；

图5显示了根据本发明的一个实施例的底座主体的立体图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1显示了根据本发明的甲烷监测装置100。如图1所示，甲烷监测装置100包括底座主体1和隔板组件2。在甲烷监测装置100使用过程中，该底座主体1的下端能插入到土壤中，并包围植株的下端。隔板组件2密封式盖合在底座主体1的上端开口处，用于密封式隔离底座主体1的开口处。在使用过程中，植株能密封式竖向穿过该隔板组件2。同时，在底座主体1的侧壁上设置内外连通的取气口11。该取气口11至少为一个，以用于监测与其位置相对的底座主体1的内腔中的相应的介质处的甲烷排放浓度。

因此，通过底座主体1和隔板组件2密封式连接，本申请的甲烷监测装置100在植株主体的下端形成了一个相对封闭的空间，方便定量地监测植株下端气体的产生和传输。另外，该甲烷监测装置100通过取气口11与相应的介质的对应关系，可以更加精准的获取该介质处的气体的排放通量。从而，通过该甲烷监测装置100有助于为政策实施提供更加精准的以及分类化的测量依据。

在一个实施例中，如图1和5所示，在从上到下方向上，在底座主体1的侧壁上间隔式设置气泡传输取气口12、液相扩散取气口13和土壤溶液取气口14三个取气口11。在工作过程中，气泡传输取气口12在竖向上位于隔板组件2与表层水的上表面之间，用于监测气泡传输所产生的甲烷。液相扩散取气口13在竖向上位于表层水的上表面与表层水的下表面之间，用于监测液相扩散所产生的甲烷。土壤溶液取气口在竖向上位于表层水下表面之下，以用于监测土壤溶液中的所产生的甲烷气体。在本申请中，针对不同介质设置了用于监测的取气口11，以分别监测土壤溶液扩散、液相扩散和气泡传输扩散等途径产生的甲烷气体。这种多途径的监测方式不仅有助于实现全方位地全面监测，还有助于实现针对性地分类精准监测。

为了植株顺利穿过，隔板组件2可以构造为分体式结构。如图2所示，隔板组件2包括第一隔板21和第二隔板22。在使用过程中，第一隔板21和第二隔板22相对式连接，在中间位置处形成用于植株穿过的穿过孔23。在穿过孔23处设置第一密封件24，以使得植株密封式穿过隔板组件2。这种设置可以保证穿过孔23处的密封，避免不同的地方产生的甲烷通过该穿过孔23在底座主体1的内腔中与顶箱3的内腔中相互窜动，进而保证了监测的精准性。

根据本发明，如图3所示，第一密封件24包括密封环25和连接部26。例如，该第一密封件24可以由橡胶等弹性材料制成。其中，密封环25构造为能包围植株的茎的筒状。优选地，密封环25可以为多个，且多个密封环25径向上依次间隔式套接。进一步优选地，在径向的从外到内的方向上，密封环25的高度依次增加。这种设置使得径向最内侧地密封环25能很大面积地接触包围植株的茎，从而有助于保证该处的密封。连接部26设置在相邻的密封环25之间，主要起到连接作用。可以理解地，该第一密封件24为分体式结构，比如可以通过竖向平面被一分为二，以分别固定在第一隔板21和第二隔板22上。在工作过程中，随着第一隔板21和第二隔板22相对式径向运动，径向最内侧的密封环25接触植株的茎，并最终形成完全包围植株的茎的整体的一个密封环25。上述的第一密封件24具有多个的密封环25并通过连接部26连接，这种结构使得第一密封件24变形比较容易，并能更好地适应植株的茎的非完全圆柱状的形状。并且，径向外侧的密封环25为径向内侧的密封环25提供了很好的支撑，从而保证了径向的最内侧的密封环25对植株的茎的稳固把持。从而，这种构造的第一密封件24具有非常好的密封效果。

另外，为了保证良好的密封，避免气体通过隔板组件2在底座主体1的内腔中与顶箱3的内腔中相互窜动，第一隔板21和第二隔板22可以采用插接的方式进行连接。具体地，如图4所示，在第一隔板21的径向内侧的穿过孔23之外的侧壁上设置包容槽27。同时，在第二隔板22的径向内侧的穿过孔23之外的侧壁上设置插入部28。在包容槽27与插入部28之间设置第二密封件（图中未示出）。优选地，插入部28能径向插入到包容槽27中，并形成楔形配合。在工作过程中，随着第一隔板21和第二隔板22的径向逐渐靠近，插入部28插入到包容槽27中，并挤压第二密封件。随着第一隔板21和第二隔板22的逐步靠近，第二密封件受到挤压力越大，第一隔板21和第二隔板22连接也越来越紧密。插接这种连接方式使得第一隔板21和第二隔板22在相距一定范围内均能实现良好地密封效果，从而使得该装置100更好地适应于不同直径的植株的茎。另外，楔形的配合关系可以相对增加第一隔板21与第二隔板22之间的摩擦力，从而保证两者之间的长期可靠连接，避免两者之间出现间隙，进而保证了密封效果。

隔板组件2与底座主体1之间的密封可以通过设置密封圈来实现。例如，在隔板组件2的下端面上设置密封圈。在隔板组件2盖合到位于底座主体1上时，密封圈正好处于隔板组件2与底座主体1之间，以实现密封。本申请中并不限于上述的密封结构，也就是还可以通过设置其它类型地密封结构来实现隔板组件2与底座主体1之间的密封，下文举例详述。

如图5所示， 在底座主体1的侧壁上设置能内外连通的连通孔15。该连通孔15位于土壤溶液取气口14的下端。优选地，在底座主体1的侧壁上周向上均匀设置多个连通孔15，以用于底座主体1地内外的水分流通，从而更好的收集土壤溶液的扩散气体。

再如图1所示，甲烷监测装置100还包括顶箱3。该顶箱3呈开口向下的桶状以与隔板组件2形成用于罩设植株的上端的容纳空间。在顶箱3的侧壁上设置内外连通的植株传输取气口31。从而，可以通过植株传输取气口31监测通过植株通气组织传送所产生的甲烷。

具体地，在底座主体1的外壁上固定设置竖向截面为折弯状的折弯件16。该折弯件16与底座主体1的外壁形成开口向上的容纳槽17。顶箱3能包围隔板组件2式延伸到容纳槽17中。在将顶箱3罩设在底座主体1上后，可以在容纳槽17中加入例如水等液体，以实现顶箱3与底座主体1之间的密封，保证比较完全地收集植株地上端通气组织产生的甲烷。当然，隔板组件2与底座主体1之间地密封，也可以采用上述的类似的水密封的结构形式。例如，可以在第一隔板21和第二隔板22的下端面上分别设置半圆筒（图中未示出）。在第一隔板21和第二隔板22靠近时，两个半圆筒能形成包围底座主体1的上端外壁的圆筒，并插入到容纳槽17中，由此形成水封。当然，两个半圆筒之间的密封可以参照第一隔板21与第二隔板22之间的密封形式。

另外，在顶箱3的顶壁上设置用于连接温度计的温度计接口32和气压平衡口33。

如图1所示，该甲烷监测装置100还包括多个取气管4，用于密封式穿过各取气口12，13，14，31而进行气体传输。例如，用于气泡传输取气口12和液相扩散取气口13的取气管4大约径向地延伸到底座主体1的内腔中，用于收集甲烷。取气管4延伸到底座主体1的内腔中的长度可以根据实际情况进行调节，例如，末端可以到底座主体1的径向中心位置处。用于植株传输取气口31的取气管4可以与用于气泡传输取气口12的取气管4的设置相同或者类似。而用于土壤溶液取气口的取气管4的气源端可以设置土壤气体捕捉器5，以捕捉土壤溶液中的甲烷，并将捕捉的甲烷传递给相应的取气管4。在取气管4的远离气源的一端设置气路切换阀6，用于实现不同取气管4取气的切换。

另外，为了保证使用效果，甲烷监测装置100的底座主体1、第一隔板21、第二隔板22和顶箱3可以由PC材料制成，以保证使用寿命。

下面根据图1到5详细描述甲烷监测装置100的工作过程。

首先，使得用于土壤溶液取气口的取气管4密封式穿过底座主体1的土壤溶液取气口14。在该取气管4的气源端连接土壤气体捕捉器5。另外，在气泡传输取气口12、液相扩散取气口13也分别密封式连接设置取气管4。将底座主体1安置到稻田中。在竖直方向上调整底座主体1的位置，也就是调整底座主体1的插入到土壤中的深度，用于确保底座主体1的合理位置。底座主体1安装完成后，要保证整个生长季中气泡传输取气口12在表层水的上表面之上始终高出水层，液相扩散取气口13在竖向上位于表层水的上表面与表层水的下表面之间，土壤溶液取气口14在竖向上位于表层水下表面之下。同时，调整各取气管4的气源端的位置，使得其大体水平径向延伸，以及调整土壤气体捕捉器5的位置，以使得其水平向位于土壤中。

大约一周后，移植植株，例如水稻。水稻的根部埋入到底座主体1的内腔中。将第一隔板21和第二隔板22盖合在底座主体1的上端开口处。移动第一隔板21和第二隔板的22，使其两者相对式靠近。其中，分体式的密封环25也随着彼此靠近，并夹持水稻的茎。同时，插入部28也逐渐插入到包容槽27内，实现第一隔板21和第二隔板22之间的密封。此时，不论采用上述两种密封方式中的哪种，，隔板组件2与底座主体1也形成密封。由此，通过隔板组件2封堵了底座主体1的上端开口，在底座主体1的内腔中形成了用于精准化测量的空间。

在顶箱3的植株传输取气口31处密封式设置一根取气管4，并形成固定连接。在每个取样日，将温度计插入温度计接口32，并打开气压平衡口33。顶箱3开口向下插入到容纳槽17中。该顶箱3包围隔板组件2，以在其内腔中形成了罩设水稻上端的空间。在容纳槽17中添加适量的水进行顶箱3与底座主体1之间的密封。将四路取气管4与多路气体转换阀6连接。之后可按照研究需求使用注射器7在不同的取气管4处取气。

在本申请中，甲烷监测装置100具有多路取气管4，并通过配置气体转换阀6，能同时高效的采集多种传输途径的甲烷气体。同时，该甲烷监测装置100结构简单，易于操作，使用方便，降低了研究成本，提高了研究效率。另外，甲烷监测装置100充分利用了土壤、水层、隔板组件2的空间分配特征，将扩散途径区别分类到土壤溶液/气体扩散、液相扩散、气泡扩散和植株通气组织扩散等多途径，提高了监测的精细化程度。

以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种甲烷监测装置，其特征在于，包括：

筒状的底座主体，所述底座主体的下端部分能插入到土壤中以包围植株的下端，在所述底座主体的侧壁上设置有内外连通的至少一个取气口，

密封式盖合在所述底座主体的上端开口处的隔板组件，所述隔板组件能使得植株密封式竖向穿过，

其中，所述取气口构造为能与所述底座主体的内腔中的相应的介质对应以用于监测该介质处的甲烷的排放。

2.根据权利要求1所述的甲烷监测装置，其特征在于，在从上到下方向上，于所述底座主体的侧壁上间隔式设置气泡传输取气口、液相扩散取气口和土壤溶液取气口三个所述取气口，其中，所述气泡传输取气口在竖向上位于所述隔板组件与表层水的上表面之间，所述液相扩散取气口在竖向上位于表层水的上表面与表层水的下表面之间，所述土壤溶液取气口在竖向上位于表层水下表面之下。

3.根据权利要求1所述的甲烷监测装置，其特征在于，所述隔板组件包括两个可以相对式连接的第一隔板和第二隔板，在所述第一隔板和所述第二隔板连接后在中间位置处形成用于植株穿过的穿过孔，在所述穿过孔处设置第一密封件以用于所述隔板组件与植株的密封连接。

4.根据权利要求3所述的甲烷监测装置，其特征在于，所述第一密封件包括多个径向间隔式套接的密封环，以及设置在相邻的所述密封环之间的连接部，其中，在径向的从外到内的方向上，所述密封环的高度依次增加，所述密封环与所述连接部均设置为分体式结构用于分别对应所述第一隔板和所述第二隔板。

5.根据权利要求3或4所述的甲烷监测装置，其特征在于，在所述第一隔板的径向内侧的所述穿过孔之外的侧壁上设置包容槽，在所述第二隔板的径向内侧的所述穿过孔之外的侧壁上设置插入部，所述插入部能径向插入到所述包容槽并与所述包容槽形成楔形配合，在所述包容槽与所述插入部之间设置第二密封件。

6.根据权利要求2所述的甲烷监测装置，其特征在于，在所述底座主体的侧壁上设置能内外连通的连通孔，所述连通孔位于所述土壤溶液取气口的下端。

7.根据权利要求2所述的甲烷监测装置，其特征在于，还包括设置在所述隔板组件的上端的顶箱，所述顶箱与所述隔板组件形成用于罩设植株的上端的容纳空间，在所述顶箱的侧壁上设置内外连通的植株传输取气口。

8.根据权利要求7所述的甲烷监测装置，其特征在于，在所述底座主体的外壁上固定设置竖向截面为折弯状的折弯件，所述折弯件与所述底座主体的外壁形成开口向上的容纳槽，所述顶箱的下端能包围所述隔板组件式延伸到所述容纳槽中。

9.根据权利要求8所述的甲烷监测装置，其特征在于，在所述顶箱的顶壁上设置用于连接温度计的温度计接口和气压平衡口。

10.根据权利要求7到9中任一项所述的甲烷监测装置，其特征在于，还包括多个取气管，各所述取气管相对应地密封式穿过所述气泡传输取气口、液相扩散取气口、土壤溶液取气口和植株传输取气口以进行取气，在远离气源端的所述取气管上设置气路切换阀，在与所述土壤溶液取气口对应的所述取气管的气源端设置土壤气体捕捉器。

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