CN114428150A - 一种土壤呼吸监测仪校准装置以及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤呼吸监测仪校准装置以及校准方法，属于土壤呼吸监测技术领域；一种土壤呼吸监测仪校准装置以及校准方法，依据质量守恒定律，即校准装置仪器内部的二氧化碳减少的量等于实际二氧化碳排放量，结合气体通量定义，提出了两种计算实验中二氧化碳通量的方法，进一步保证了实验过程中二氧化碳通量计算的准确性，将计算所得的两组二氧化碳通量数据与需校准的土壤呼吸监测仪所测得的数据进行的对比分析，更好的保证了土壤呼吸监测仪校准工作的进行；与市面上常见的设计相比，本发明的适用范围更广，校准方式更为多样，同时校准结果更为准确。

Description

一种土壤呼吸监测仪校准装置以及校准方法

技术领域

本发明涉及土壤呼吸监测技术领域，特别是涉及一种土壤呼吸监测仪校准装置以及校准方法。

背景技术

作为碳循环速度最快的陆地生态系统，其土壤碳通量的研究十分关键，即如何从土壤表面准确测量CO₂通量，为“碳中和”领域的土壤碳排放研究提供有力的数据支撑。

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98±12Pg 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：50-60 Pg 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，在监测过程中仪器的设计和计算模型的选择都可能存在缺陷：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，此时选用简单的线性模型估算将产生很大的误差。第二，气室的设计是否平衡内外压差，在扩散和对流都存在的环境下是否能正常测量，例如密闭气室大多都没有解决压力平衡问题，其测量值的偏差也是不容忽视的；部分开放抽气式测量仪其抽气流速的控制是否合理，监测仪气室内是否会存在压力赤字，导致气体排放量增加现象，目前这些问题在气室设计过程中都不能很好的确定。

针对各种气室存在的问题分析，测量误差的判断，设计的气室是否准确，其测量的数值存在多大的误差，目前都无法考证，只能通过各个气室互相比较，给出一个认为相对确切的结果，但由于气室互相比较法，无法确保实验环境的时间或空间统一性；为了解决上述问题，本发明提出了一种能在可控的实验环境下，为土壤呼吸监测仪提供误差分析及数值校准的方法。

发明内容

本发明的目的在于解决背景技术中所提到的问题而提出的一种土壤呼吸监测仪校准装置以及校准方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种土壤呼吸监测仪校准装置，包括有安装壳体，所述安装壳体顶部为敞口式设计，所述安装壳体的底端设置为充气气室，所述充气气室内部安装有二氧化碳浓度传感器，所述充气气室两端侧壁上固定连接有进气管，所述进气管之间固定连接有打孔小软管，所述打孔小软管呈蚊香状盘旋设置在充气气室内底面上；所述充气气室的顶端设置有钢丝网，所述钢丝网固定安装在安装壳体的内侧壁上，所述钢丝网上设置有多孔介质和土壤呼吸仪底座。

优选地，所述安装壳体设计为长方体，长和宽为50cm，高为30cm，由不锈钢材料制成。

优选地，所述二氧化碳浓度传感器固定安装在充气气室内10cm 高度处，所述二氧化碳浓度传感器共设置有5个，分别布置在充气气室内靠近四角及中央位置处。

优选地，两侧所述进气管的进气端通过连接管与外部三通接口相连接，所述三通接口的空闲端接口与可监测和调控气体流速的二氧化碳气罐相连接。

一种土壤呼吸监测仪校准方法，具体包括以下步骤：

S1、对二氧化碳浓度传感器进行统一校准，校准完成后将其安装到土壤呼吸仪校准装置的安装壳体内部，然后将钢丝网固定安装到充气气室的顶端，在钢丝网上铺设经杀菌处理且均匀筛选的多孔介质，所铺设的介质厚度为5～8cm，最后在钢丝网中心处的多孔介质中插入土壤呼吸仪底座；

S2、设备连接、组装完成后，开启二氧化碳气罐，并将二氧化碳气罐设置到合适的通气速率，然后通过连接管向充气气室内充气，并通过充气气室内安装的二氧化碳浓度传感器实时监测气室内二氧化碳的浓度；

S3、持续向充气气室内通气，直至充气气室内的二氧化碳浓度传感器的示数不再发生变化，内外气体交换处于平衡状态，即相同时间内进入充气气室内的二氧化碳体积等于顶部排放的二氧化碳体积；

S4、记录充气气室趋于稳态时二氧化碳气罐的充气速度，计算得出此时充气气室顶面的二氧化碳流速，再根据气体通量定义，计算出充气气室顶面的碳通量f₁；

S5、待S4完成后，关闭二氧化碳气罐，使充气气室内的二氧化碳气体自由扩散，保持二氧化碳浓度传感器正常工作，每隔一定时间间隔读取记录充气气室内的二氧化碳浓度传感器的读数平均值，根据所得数据计算得出充气气室顶面的碳通量f₂；

S6、重复S1～S3，使二氧化碳气罐保持通气，将需要进行校准的土壤呼吸仪平稳安装到土壤呼吸仪底座上，监测、记录此时土壤呼吸仪所测得的碳通量数据f₃；

S7、待S6完成后，关闭二氧化碳气罐，使充气气室内的二氧化碳气体自由扩散，保持二氧化碳浓度传感器正常工作，在与S5中相同的时间间隔内，利用土壤呼吸仪监测、记录相应时间点充气气室顶面的碳通量f₄；

S8、将所得的碳通量数据f₃、f₄分别与f₁、f₂进行对比和分析，判断土壤呼吸仪是否存在问题，完成土壤呼吸仪的校准工作。

优选地，所述S4中提到的碳通量f₁的计算原理是基于质量守恒定律，具体包括以下步骤：

A1、根据质量守恒定律，相同时间内进入充气气室的二氧化碳体积等于从气室顶面排出的二氧化碳体积，计算公式为：

Q＝vA (1)

Q_进＝Q_出 (2)

式中，A表示气体通过的面积；

A2、二氧化碳通入的速度、二氧化碳进入口的面积以及二氧化碳排出口的面积已知，从而可以计算得出气室顶面二氧化碳的排出速度，计算公式为：

v_进A_进＝v_出A_出 (3)

式中，v_进、v_出分别表示二氧化碳注入和排出速度，A_进、A_出分别表示二氧化碳进气口和排出口的面积；

A3、根据气体通量定义，计算得出充气气室顶面的碳通量f₁，计算公式为：

f₁＝v_出C_a(0) (4)

式中，C_a(0)表示充气气室内二氧化碳浓度。

优选地，所述S5中提到的碳通量f₂计算方法，具体包括以下步骤：

B1、根据气体扩散方程建立多孔介质上方二氧化碳气体浓度分布关系式，表达式采取一维形式：

式中，C_a为多孔介质上方二氧化碳浓度；t为时间，z为多孔介质表面以上高度；D_a为二氧化碳气体在实验环境空气中的扩散系数，其计算表达式为：

式中，T表示热力学温度，单位为K；p表示总压强，单位为Pa；μ_A、μ_B分别表示气体A、B的分子量；V_A、V_B分别表示气体A、B在正常沸点时液态克摩尔容积，单位为cm³/g mol；

B2、对方程(5)作拉普拉斯变换，消去方程式对时间的依赖性，得：

B3、求解方程(7)，根据实际物理背景，当z趋向无穷大时，此方程有解，计算得出方程(7)的通解形式为：

B4、根据组分质量守恒定律建立关系式，即多孔介质表面增加的二氧化碳气体量等于气室内的二氧化碳气体排放的量，则表达式为：

式中，V为气室有效体积；A为气室上底面面积；C为气室内二氧化碳气体浓度，在实际计算中，界面处上下的气体浓度差可忽略不计，即C＝C_a(0)；

B5、对方程(9)的时间项作拉普拉斯变换，得：

B6、联立方程(8)和(10)，解得K，代入方程(7)可得：

式中，定义

对方程(11)进行拉普拉斯逆变换，便可得到C_a的表达式，如下：

其中，

当t＝0时，其二氧化碳气体通量可根据fick第一定律导出，即

B7、联立方程(12)、(13)、(14)，便可求得z＝0时的二氧化碳气体浓度随时间变化分布函数式，如下：

式中，定义τ＝V²/A²D_a，根据方程(15)便可求得通过气室上顶面的二氧化碳排放量，即气室碳通量f₂。

优选地，完成B1～B4所述操作后，可直接通过方程(9)计算气室碳通量f₂′，具体包括以下步骤：

C1、选取S5中间隔取样所得的二氧化碳气体浓度数值，使用计算机软件对所选取的数值进行拟合，获得二氧化碳气体浓度数值的表达式，选取拟合度最高的作为二氧化碳浓度的表达式；

C2、根据C1中所选取的表达式，对其时间项进行求导，获取充气气室内实际浓度随时间的变化趋势；

C3、联立C2中处理后的表达式与方程(9)，进一步计算得出气室碳通量f₂′。

与现有技术相比，本发明提供了一种土壤呼吸监测仪校准装置以及校准方法，具备以下有益效果：

本发明提出了一种土壤呼吸监测仪校准装置，同时基于校准装置设计了一种与之相匹配的土壤呼吸监测仪校准方法，本发明依据质量守恒定律，即校准装置仪器内部的二氧化碳减少的量等于实际二氧化碳排放量，结合气体通量定义，提出了两种计算实验中二氧化碳通量的方法，进一步保证了实验过程中二氧化碳通量计算的准确性，将计算所得的两组二氧化碳通量数据与需校准的土壤呼吸监测仪所测得的数据进行的对比分析，更好的保证了土壤呼吸监测仪校准工作的进行；与市面上常见的设计相比，本发明的适用范围更广，校准方式更为多样，同时校准结果更为准确。

附图说明

图1为本发明提出的一种土壤呼吸监测仪校准装置的实物结构示意图；

图2为本发明提出的一种土壤呼吸监测仪校准装置的正视图和俯视图；

图3为本发明提出的一种土壤呼吸监测仪校准方法的流程示意图。

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。

实施例1：

请参阅图1-3，一种土壤呼吸监测仪校准装置，包括有安装壳体，安装壳体顶部为敞口式设计，安装壳体的底端设置为充气气室，充气气室内部安装有二氧化碳浓度传感器，充气气室两端侧壁上固定连接有进气管，进气管之间固定连接有打孔小软管，打孔小软管呈蚊香状盘旋设置在充气气室内底面上；充气气室的顶端设置有钢丝网，钢丝网固定安装在安装壳体的内侧壁上，钢丝网上设置有多孔介质和土壤呼吸仪底座。

安装壳体设计为长方体，长和宽为50cm，高为30cm，由不锈钢材料制成。

二氧化碳浓度传感器固定安装在充气气室内10cm高度处，二氧化碳浓度传感器共设置有5个，分别布置在充气气室内靠近四角及中央位置处。

两侧进气管的进气端通过连接管与外部三通接口相连接，三通接口的空闲端接口与可监测和调控气体流速的二氧化碳气罐相连接。

一种土壤呼吸监测仪校准方法，具体包括以下步骤：

S1、对二氧化碳浓度传感器进行统一校准，校准完成后将其安装到土壤呼吸仪校准装置的安装壳体内部，然后将钢丝网固定安装到充气气室的顶端，在钢丝网上铺设经杀菌处理且均匀筛选的多孔介质，所铺设的介质厚度为5～8cm，最后在钢丝网中心处的多孔介质中插入土壤呼吸仪底座；

S2、设备连接、组装完成后，开启二氧化碳气罐，并将二氧化碳气罐设置到合适的通气速率，然后通过连接管向充气气室内充气，并通过充气气室内安装的二氧化碳浓度传感器实时监测气室内二氧化碳的浓度；

S3、持续向充气气室内通气，直至充气气室内的二氧化碳浓度传感器的示数不再发生变化，内外气体交换处于平衡状态，即相同时间内进入充气气室内的二氧化碳体积等于顶部排放的二氧化碳体积；

S4、记录充气气室趋于稳态时二氧化碳气罐的充气速度，计算得出此时充气气室顶面的二氧化碳流速，再根据气体通量定义，计算出充气气室顶面的碳通量f₁；

S4中提到的碳通量f₁的计算原理是基于质量守恒定律，具体包括以下步骤：

A1、根据质量守恒定律，相同时间内进入充气气室的二氧化碳体积等于从气室顶面排出的二氧化碳体积，计算公式为：

Q＝vA (1)

Q_进＝Q_出 (2)

式中，A表示气体通过的面积；

A2、二氧化碳通入的速度、二氧化碳进入口的面积以及二氧化碳排出口的面积已知，从而可以计算得出气室顶面二氧化碳的排出速度，计算公式为：

v_进A_进＝v_出A_出 (3)

式中，v_进、v_出分别表示二氧化碳注入和排出速度，A_进、A_出分别表示二氧化碳进气口和排出口的面积；

A3、根据气体通量定义，计算得出充气气室顶面的碳通量f₁，计算公式为：

f₁＝v_出C_a(0) (4)

式中，C_a(0)表示充气气室内二氧化碳浓度。

S5、待S4完成后，关闭二氧化碳气罐，使充气气室内的二氧化碳气体自由扩散，保持二氧化碳浓度传感器正常工作，每隔一定时间间隔读取记录充气气室内的二氧化碳浓度传感器的读数平均值，根据所得数据计算得出充气气室顶面的碳通量f₂；

S5中提到的碳通量f₂计算方法，具体包括以下步骤：

B1、根据气体扩散方程建立多孔介质上方二氧化碳气体浓度分布关系式，表达式采取一维形式：

式中，C_a为多孔介质上方二氧化碳浓度；t为时间，z为多孔介质表面以上高度；D_a为二氧化碳气体在实验环境空气中的扩散系数，其计算表达式为：

式中，T表示热力学温度，单位为K；p表示总压强，单位为Pa；μ_A、μ_B分别表示气体A、B的分子量；V_A、V_B分别表示气体A、B在正常沸点时液态克摩尔容积，单位为cm³/g mol；

B2、对方程(5)作拉普拉斯变换，消去方程式对时间的依赖性，得：

B3、求解方程(7)，根据实际物理背景，当z趋向无穷大时，此方程有解，计算得出方程(7)的通解形式为：

B4、根据组分质量守恒定律建立关系式，即多孔介质表面增加的二氧化碳气体量等于气室内的二氧化碳气体排放的量，则表达式为：

式中，V为气室有效体积；A为气室上底面面积；C为气室内二氧化碳气体浓度，在实际计算中，界面处上下的气体浓度差可忽略不计，即C＝C_a(0)；

完成B1～B4操作后，可直接通过方程(9)计算气室碳通量f₂′，具体包括以下步骤：

C1、选取S5中间隔取样所得的二氧化碳气体浓度数值，使用计算机软件对所选取的数值进行拟合，获得二氧化碳气体浓度数值的表达式，选取拟合度最高的作为二氧化碳浓度的表达式；

C2、根据C1中所选取的表达式，对其时间项进行求导，获取充气气室内实际浓度随时间的变化趋势；

C3、联立C2中处理后的表达式与方程(9)，进一步计算得出气室碳通量f₂′；

B5、对方程(9)的时间项作拉普拉斯变换，得：

B6、联立方程(7)和(9)，解得K，代入方程(7)可得：

式中，定义

对方程(11)进行拉普拉斯逆变换，便可得到C_a的表达式，如下：

其中，

当t＝0时，其二氧化碳气体通量可根据fick第一定律导出，即

B7、联立方程(12)、(13)、(14)，便可求得z＝0时的二氧化碳气体浓度随时间变化分布函数式，如下：

式中，定义τ＝V²/A²D_a，根据方程(15)便可求得通过气室上顶面的二氧化碳排放量，即气室碳通量f₂；

S6、重复S1～S3，使二氧化碳气罐保持通气，将需要进行校准的土壤呼吸仪平稳安装到土壤呼吸仪底座上，监测、记录此时土壤呼吸仪所测得的碳通量数据f₃；

S7、待S6完成后，关闭二氧化碳气罐，使充气气室内的二氧化碳气体自由扩散，保持二氧化碳浓度传感器正常工作，在与S5中相同的时间间隔内，利用土壤呼吸仪监测、记录相应时间点充气气室顶面的碳通量f₄；

S8、将所得的碳通量数据f₃、f₄分别与f₁、f₂进行对比和分析，判断土壤呼吸仪是否存在问题，完成土壤呼吸仪的校准工作。

本发明提出了一种土壤呼吸监测仪校准装置，同时基于校准装置设计了一种与之相匹配的土壤呼吸监测仪校准方法，本发明依据质量守恒定律，即校准装置仪器内部的二氧化碳减少的量等于实际二氧化碳排放量，结合气体通量定义，提出了两种计算实验中二氧化碳通量的方法，进一步保证了实验过程中二氧化碳通量计算的准确性，将计算所得的两组二氧化碳通量数据与需校准的土壤呼吸监测仪所测得的数据进行的对比分析，更好的保证了土壤呼吸监测仪校准工作的进行；与市面上常见的设计相比，本发明的适用范围更广，校准方式更为多样，同时校准结果更为准确。

实施例2：

基于实施例1，但有所不同之处在于，

一种土壤呼吸监测仪校准方法，具体包括以下步骤：

S1、对二氧化碳浓度传感器进行统一校准，校准完成后将其安装到土壤呼吸仪校准装置的安装壳体内部，然后将钢丝网固定安装到充气气室的顶端，在钢丝网上铺设经杀菌处理且均匀筛选的多孔介质，所铺设的介质厚度为5～8cm，最后在钢丝网中心处的多孔介质中插入土壤呼吸仪底座；

S2、设备连接、组装完成后，开启二氧化碳气罐，并将二氧化碳气罐设置到合适的通气速率，然后通过连接管向充气气室内充气，并通过充气气室内安装的二氧化碳浓度传感器实时监测气室内二氧化碳的浓度；

S3、持续向充气气室内通气，直至充气气室内的二氧化碳浓度传感器的示数不再发生变化，内外气体交换处于平衡状态，即相同时间内进入充气气室内的二氧化碳体积等于顶部排放的二氧化碳体积；

S4、记录充气气室趋于稳态时二氧化碳气罐的充气速度，计算得出此时充气气室顶面的二氧化碳流速，再根据气体通量定义，计算出充气气室顶面的碳通量f₁；

S4中提到的碳通量f₁的计算原理是基于质量守恒定律，具体包括以下步骤：

A1、根据质量守恒定律，相同时间内进入充气气室的二氧化碳体积等于从气室顶面排出的二氧化碳体积，计算公式为：

Q＝vA (1)

Q_进＝Q_出 (2)

式中，A表示气体通过的面积；

A2、二氧化碳通入的速度、二氧化碳进入口的面积以及二氧化碳排出口的面积已知，从而可以计算得出气室顶面二氧化碳的排出速度，计算公式为：

v_进A_进＝v_出A_出 (3)

式中，v_进、v_出分别表示二氧化碳注入和排出速度，A_进、A_出分别表示二氧化碳进气口和排出口的面积；

A3、根据气体通量定义，计算得出充气气室顶面的碳通量f₁，计算公式为：

f₁＝v_出C_a(0) (4)

式中，C_a(0)表示充气气室内二氧化碳浓度；

S5、重复S1～S3，使二氧化碳气罐保持通气，将需要进行校准的土壤呼吸仪平稳安装到土壤呼吸仪底座上，监测、记录此时土壤呼吸仪所测得的碳通量数据f₃；

S6、将所得的碳通量数据f₃与f₁进行对比和分析，判断土壤呼吸仪是否存在问题，完成土壤呼吸仪的校准工作。

实施例3：

基于实施例1-2，但有所不同之处在于，

一种土壤呼吸监测仪校准方法，具体包括以下步骤：

S1、对二氧化碳浓度传感器进行统一校准，校准完成后将其安装到土壤呼吸仪校准装置的安装壳体内部，然后将钢丝网固定安装到充气气室的顶端，在钢丝网上铺设经杀菌处理且均匀筛选的多孔介质，所铺设的介质厚度为5～8cm，最后在钢丝网中心处的多孔介质中插入土壤呼吸仪底座；

S2、设备连接、组装完成后，开启二氧化碳气罐，并将二氧化碳气罐设置到合适的通气速率，然后通过连接管向充气气室内充气，并通过充气气室内安装的二氧化碳浓度传感器实时监测气室内二氧化碳的浓度；

S3、持续向充气气室内通气，直至充气气室内的二氧化碳浓度传感器的示数不再发生变化，内外气体交换处于平衡状态，即相同时间内进入充气气室内的二氧化碳体积等于顶部排放的二氧化碳体积；

S4、待S3完成后，关闭二氧化碳气罐，使充气气室内的二氧化碳气体自由扩散，保持二氧化碳浓度传感器正常工作，每隔一定时间间隔读取记录充气气室内的二氧化碳浓度传感器的读数平均值，根据所得数据计算得出充气气室顶面的碳通量f₂；

S4中提到的碳通量f₂计算方法，具体包括以下步骤：

B1、根据气体扩散方程建立多孔介质上方二氧化碳气体浓度分布关系式，表达式采取一维形式：

式中，C_a为多孔介质上方二氧化碳浓度；t为时间，z为多孔介质表面以上高度；D_a为二氧化碳气体在实验环境空气中的扩散系数，其计算表达式为：

式中，T表示热力学温度，单位为K；p表示总压强，单位为Pa；μ_A、μ_B分别表示气体A、B的分子量；V_A、V_B分别表示气体A、B在正常沸点时液态克摩尔容积，单位为cm³/g mol；

B2、对方程(5)作拉普拉斯变换，消去方程式对时间的依赖性，得：

B3、求解方程(7)，根据实际物理背景，当z趋向无穷大时，此方程有解，计算得出方程(7)的通解形式为：

B4、根据组分质量守恒定律建立关系式，即多孔介质表面增加的二氧化碳气体量等于气室内的二氧化碳气体排放的量，则表达式为：

式中，V为气室有效体积；A为气室上底面面积；C为气室内二氧化碳气体浓度，在实际计算中，界面处上下的气体浓度差可忽略不计，即C＝C_a(0)；

完成B1～B4操作后，可直接通过方程(9)计算气室碳通量f₂′，具体包括以下步骤：

C1、选取S5中间隔取样所得的二氧化碳气体浓度数值，使用计算机软件对所选取的数值进行拟合，获得二氧化碳气体浓度数值的表达式，选取拟合度最高的作为二氧化碳浓度的表达式；

C2、根据C1中所选取的表达式，对其时间项进行求导，获取充气气室内实际浓度随时间的变化趋势；

C3、联立C2中处理后的表达式与方程(9)，进一步计算得出气室碳通量f₂′；

B5、对方程(9)的时间项作拉普拉斯变换，得：

B6、联立方程(7)和(9)，解得K，代入方程(7)可得：

式中，定义

对方程(11)进行拉普拉斯逆变换，便可得到C_a的表达式，如下：

其中，

当t＝0时，其二氧化碳气体通量可根据fick第一定律导出，即

B7、联立方程(12)、(13)、(14)，便可求得z＝0时的二氧化碳气体浓度随时间变化分布函数式，如下：

式中，定义τ＝V²/A²D_a，根据方程(15)便可求得通过气室上顶面的二氧化碳排放量，即气室碳通量f₂；

S5、重复S1～S3，关闭二氧化碳气罐，使充气气室内的二氧化碳气体自由扩散，保持二氧化碳浓度传感器正常工作，在与S4中相同的时间间隔内，利用土壤呼吸仪监测、记录相应时间点充气气室顶面的碳通量f₄；

S8、将所得的碳通量数据f₄分别与f₂和f₂′进行对比和分析，判断土壤呼吸仪是否存在问题，完成土壤呼吸仪的校准工作。

实施例4：

请参阅图1-3，基于实施例1-3,但有所不同之处在于，

方案一：

在完成土壤呼吸监测仪的安装后，开始对底部的气室充气，同时让二氧化碳传感器实时监测浓度数据，获取气室内的二氧化碳浓度随时间变化趋势，防止个别传感器发生异常跳变，也可及时作出判断。一直通气，直到传感器示数不再发生改变，则可认为气室内外气体交换处于平衡状态，即进出气体体积量相等。

若气室内传感器未出现异常跳变情况，且各个传感器读数都在误差范围内，便可取各个传感器示数的平均值作为此时气室内二氧化碳浓度C₀₁(0)；若有个别浓度传感器发生异常跳变，则取其他正常传感器示数的平均值为C₀₁(0)。

气室达到平衡状态后则可关闭二氧化碳通气罐，使其底部气室内的气体自由扩散，浓度传感器正常运行，此时记录的气室二氧化碳浓度平均值为C_a1(0，t)，其中t为关闭气罐时，气室气体自由扩散的时间间隔，根据此数据便可计算气室内二氧化碳气体排放的量，即碳通量。记录气室浓度随时间变化趋势，其记录时间可灵活机动，则主要取决于待监测仪所工作的时长，一般为10min或30min。收集并保持好此期间的浓度变化数据将作为对照组使用。

完成对照组实验数据收集后，便可进行监测仪的验证实验。其开始步骤与上述对照组实验步骤相同，给气室通气，直至气室内气体浓度达到平衡状态后，记录此时气室二氧化碳浓度值为C₀₂(0)。待平衡后，关闭气罐阀门，同时将需验证的土壤呼吸仪平稳放在开始安装好的底座上，便可开始土壤呼吸仪监测工作。此时，底部气室的二氧化碳传感器实时进行监测其数值为C_a2(0，t)，待土壤呼吸仪设置工作时长结束时，收集并保存好气室浓度变化数据和土壤呼吸仪监测数据，便完成整个操作流程。

下一步开始对土壤呼吸仪性能作出评价，判断是否存在问题。首先，土壤呼吸仪在监测过程中容易出现两个方面的问题，一是土壤呼吸仪的设计在监测过程中会对土壤中气体产生气压波动，影响其气体排放，即没有很好的平衡监测仪的内外压差；二是计算模型的选取，如何针对设计的仪器选择相对正确的估算模型也将会对测量结果产生很大误差，通常线性模型在监测时间几分钟内便会产生7.5％的误差。

针对问题一，我们可将对照组数据与实验组数据进行比较，在不考虑人为操作不当造成实验时的数据偏差，便可分析出实验的监测仪是否存在不可忽略的气压波动，即当仪器设计存在问题，底部气室内监测的浓度必然出现异常波动，仪器气压高，则抑制气体排放，浓度变化趋势下降，仪器气压低，则增加气体排放，浓度变化趋势上升。在完成问题一验证后，方可进行下一步检验，土壤呼吸仪监测数据是否准确，以及如何更正。

具体计算步骤为：

获取C_a2(0，t)、C₀₂(0)浓度数值和相对应的时间，根据底部气室体积V，上底面积S和实验环境下的扩散系数D_a，代入公式

求解气室内二氧化碳气体排放量即碳通量。其数值与上部土壤呼吸仪监测数据进行比较，便可对监测仪器进行评估，进一步完成改进。

若认为上述公式计算较为复杂，也可采用方程

进行仪器验证，其仪器监测和数据收集步骤都和之前相同，主要差异为数据处理方式。本方案将选取平衡状态下到仪器设置监测时间结束这期间的二氧化碳气体浓度数值，使用计算机软件进行数值拟合，获取其表达式，取拟合度最高即R²最大的表达式，再根据其表达式对时间项求导获取气室内实际浓度随时间的变化趋势，结合方程

便可求解气室的碳通量，再与土壤呼吸仪监测的数据进行比较分析。此公式

的方法计算过程相对公式

更好理解。

方案二：

与方案一中相同，完成装置的组装后，调节好气体流速计，充气速度不宜过快，尽可能减少底部气室内的气压产生。通气同时，实时记录浓度传感器的示数，直至浓度不在产生变化，即可认为气室趋于稳态，即相同时间内进入气室的二氧化碳气体体积等于上底面排放的二氧化碳体积，此时根据方程v_进A_进＝v_出A_出、f₁＝v_出C_a(0)便可计算气室碳通量。

在完成上述步骤，再将需验证的土壤呼吸仪平稳放置已插入多孔介质的底座上，同时，气罐一直保存相同的气体流速给气室供气。正常放置后，需验证的土壤呼吸仪便可正常进行监测工作，收集数据，与实际给定流速下的土壤碳通量进行比较分析。此方案对没有平衡压力的气室产生误差较为明显，对开放型气室或已经过平衡压力处理的土壤呼吸监测仪器较为实用。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种土壤呼吸监测仪校准装置，包括有安装壳体，其特征在于，所述安装壳体顶部为敞口式设计，所述安装壳体的底端设置为充气气室，所述充气气室内部安装有二氧化碳浓度传感器，所述充气气室两端侧壁上固定连接有进气管，所述进气管之间固定连接有打孔小软管，所述打孔小软管呈蚊香状盘旋设置在充气气室内底面上；所述充气气室的顶端设置有钢丝网，所述钢丝网固定安装在安装壳体的内侧壁上，所述钢丝网上设置有多孔介质和土壤呼吸仪底座。

2.根据权利要求1所述的一种土壤呼吸监测仪校准装置，其特征在于，所述安装壳体设计为长方体，长和宽为50cm，高为30cm，由不锈钢材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种土壤呼吸监测仪校准装置，其特征在于，所述二氧化碳浓度传感器固定安装在充气气室内10cm高度处，所述二氧化碳浓度传感器共设置有5个，分别布置在充气气室内靠近四角及中央位置处。

4.根据权利要求1所述的一种土壤呼吸监测仪校准装置，其特征在于，两侧所述进气管的进气端通过连接管与外部三通接口相连接，所述三通接口的空闲端接口与可监测和调控气体流速的二氧化碳气罐相连接。

5.根据权利要求1-4中任一所述的一种土壤呼吸监测仪校准装置所使用的土壤呼吸监测仪校准方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、对二氧化碳浓度传感器进行统一校准，校准完成后将其安装到土壤呼吸仪校准装置的安装壳体内部，然后将钢丝网固定安装到充气气室的顶端，在钢丝网上铺设经杀菌处理且均匀筛选的多孔介质，所铺设的介质厚度为5～8cm，最后在钢丝网中心处的多孔介质中插入土壤呼吸仪底座；

S2、设备连接、组装完成后，开启二氧化碳气罐，并将二氧化碳气罐设置到合适的通气速率，然后通过连接管向充气气室内充气，并通过充气气室内安装的二氧化碳浓度传感器实时监测气室内二氧化碳的浓度；

S3、持续向充气气室内通气，直至充气气室内的二氧化碳浓度传感器的示数不再发生变化，内外气体交换处于平衡状态，即相同时间内进入充气气室内的二氧化碳体积等于顶部排放的二氧化碳体积；

S4、记录充气气室趋于稳态时二氧化碳气罐的充气速度，计算得出此时充气气室顶面的二氧化碳流速，再根据气体通量定义，计算出充气气室顶面的碳通量f₁；

S5、待S4完成后，关闭二氧化碳气罐，使充气气室内的二氧化碳气体自由扩散，保持二氧化碳浓度传感器正常工作，每隔一定时间间隔读取记录充气气室内的二氧化碳浓度传感器的读数平均值，根据所得数据计算得出充气气室顶面的碳通量f₂；

S6、重复S1～S3，使二氧化碳气罐保持通气，将需要进行校准的土壤呼吸仪平稳安装到土壤呼吸仪底座上，监测、记录此时土壤呼吸仪所测得的碳通量数据f₃；

S7、待S6完成后，关闭二氧化碳气罐，使充气气室内的二氧化碳气体自由扩散，保持二氧化碳浓度传感器正常工作，在与S5中相同的时间间隔内，利用土壤呼吸仪监测、记录相应时间点充气气室顶面的碳通量f₄；

S8、将所得的碳通量数据f₃、f₄分别与f₁、f₂进行对比和分析，判断土壤呼吸仪是否存在问题，完成土壤呼吸仪的校准工作。

6.根据权利要求5所述的一种土壤呼吸监测仪校准方法，其特征在于，所述S4中提到的碳通量f₁的计算原理是基于质量守恒定律，具体包括以下步骤：

A1、根据质量守恒定律，相同时间内进入充气气室的二氧化碳体积等于从气室顶面排出的二氧化碳体积，计算公式为：

Q＝vA (1)

Q_进＝Q_出 (2)

式中，A表示气体通过的面积；

A2、二氧化碳通入的速度、二氧化碳进入口的面积以及二氧化碳排出口的面积已知，从而可以计算得出气室顶面二氧化碳的排出速度，计算公式为：

v_进A_进＝v_出A_出 (3)

式中，v_进、v_出分别表示二氧化碳注入和排出速度，A_进、A_出分别表示二氧化碳进气口和排出口的面积；

A3、根据气体通量定义，计算得出充气气室顶面的碳通量f₁，计算公式为：

f₁＝v_出C_a(0) (4)

式中，C_a(0)表示充气气室内二氧化碳浓度。

7.根据权利要求5所述的一种土壤呼吸监测仪校准方法，其特征在于，所述S5中提到的碳通量f₂计算方法，具体包括以下步骤：

B1、根据气体扩散方程建立多孔介质上方二氧化碳气体浓度分布关系式，表达式采取一维形式：

式中，C_a为多孔介质上方二氧化碳浓度；t为时间，z为多孔介质表面以上高度；D_a为二氧化碳气体在实验环境空气中的扩散系数，其计算表达式为：

式中，T表示热力学温度，单位为K；p表示总压强，单位为Pa；μ_A、μ_B分别表示气体A、B的分子量；V_A、V_B分别表示气体A、B在正常沸点时液态克摩尔容积，单位为cm³/g mol；

B2、对方程(5)作拉普拉斯变换，消去方程式对时间的依赖性，得：

B3、求解方程(7)，根据实际物理背景，当z趋向无穷大时，此方程有解，计算得出方程(7)的通解形式为：

B4、根据组分质量守恒定律建立关系式，即多孔介质表面增加的二氧化碳气体量等于气室内的二氧化碳气体排放的量，则表达式为：

式中，V为气室有效体积；A为气室上底面面积；C为气室内二氧化碳气体浓度，在实际计算中，界面处上下的气体浓度差可忽略不计，即C＝C_a(0)；

B5、对方程(8)的时间项作拉普拉斯变换，得：

B6、联立方程(8)和(10)，解得K，代入方程(8)可得：

式中，定义

对方程(11)进行拉普拉斯逆变换，便可得到C_a的表达式，如下：

其中，

当t＝0时，其二氧化碳气体通量可根据fick第一定律导出，即

B7、联立方程(13)、(13)、(14)，便可求得z＝0时的二氧化碳气体浓度随时间变化分布函数式，如下：

式中，定义τ＝V²/A²D_a，根据方程(15)便可求得通过气室上顶面的二氧化碳排放量，即气室碳通量f₂。

8.根据权利要求5或7所述的一种土壤呼吸监测仪校准方法，其特征在于，完成B1～B4所述操作后，可直接通过方程(9)计算气室碳通量f₂′，具体包括以下步骤：

C1、选取S5中间隔取样所得的二氧化碳气体浓度数值，使用计算机软件对所选取的数值进行拟合，获得二氧化碳气体浓度数值的表达式，选取拟合度最高的作为二氧化碳浓度的表达式；

C2、根据C1中所选取的表达式，对其时间项进行求导，获取充气气室内实际浓度随时间的变化趋势；

C3、联立C2中处理后的表达式与方程(9)，进一步计算得出气室碳通量f₂′。

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