CN114594229B - 一种流通式土壤呼吸监测仪及呼吸速率计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流通式土壤呼吸监测仪及呼吸速率计算方法，属于土壤呼吸监测技术领域；该监测仪包括流通型气室，数控模块，封闭挡板和土壤环，其中数控模块又包含中央处理器、CO2浓度传感器、温度传感器、压差变送器、抽气泵、流量计及触控显示屏；浓度传感器、温度传感器放置于流通型气室内，压差变送器的低压端与流通型气室的引压口相连，流量计的两端口分别与流通型气室和抽气泵相连；土壤环可与流通型气室的底座相扣，形成密封，封闭挡板放置于土壤环所围土壤表面，便于测量压强差，同时结合上述检测仪，本发明还提出了一种土壤呼吸速率计算方法，并设计了两种方法根据压强差进行校准，有效提高了土壤呼吸的监测精度，并能长时间监测。
Description
技术领域
本发明涉及土壤呼吸监测技术领域，特别是涉及一种流通式土壤呼吸监测仪及呼吸速率计算方法。
背景技术
近年来，由于温室效应的影响，全球极端气候事件发生的频率明显升高。这与温室气体的过量排放息息相关，CO2作为温室气体的主要成分，在极大程度上决定着全球气候变暖的趋势。针对此，2020年9月22日，中国政府在第七十五届联合国大会上提出了2030年控制碳达峰，2060年实现碳中和的宏大蓝图。为了顺利完成碳中和，对碳排放的准确计量不可或缺，而其中的难点之一是对陆地生态系统中的地下部分监测，也即土壤碳排放。
土壤是地球上最大的陆地碳库，碳储量达到约14～15Pg(1Pg＝1015g)，近似为大气碳储量(约750Pg)的2倍，陆地生物碳储量(约560Pg)的3倍。土壤呼吸是土壤未受扰动情况下释放CO2的过程，占整个陆地生态系统的60％-90％，也是土壤碳库向大气碳库输入碳的主要途径，每年从土壤排放的CO2高达50-75Pg，远高于每年因燃料燃烧产生的CO2(约5.2Pg)，因而任何土壤呼吸强度的微弱改变都可能引起大气CO2浓度的较大变化，影响全球气候，准确监测土壤呼吸对探究全球碳循环及气候具有重大意义。
现阶段，土壤呼吸的监测仪器主要基于密闭气室原理，通过将封闭的箱体罩置于土壤表面，测量单位时间内气室内的CO2浓度变化进行线性或指数拟合，测算土壤表面的CO2通量，以表征土壤呼吸速率。然而，应用密闭气室测量土壤呼吸有两大缺陷：一是随着气室内CO2浓度升高，土壤表面与气室间的CO2浓度梯度逐渐减小，使得测量值低估，导致密闭气室不能长时间监测土壤呼吸；二是将放置气室于土壤时可能产生的气室内外压强差。针对上述缺陷，一些生产厂家对密闭气室进行了改进，比较典型的仪器是美国LI-COR公司生产的土壤CO2通量系统，但该系统在监测一段时间后仍需要开口排气，以防止CO2在气室内部过度聚集，同时该仪器成本昂贵，维护支出大；基于上述问题，本发明提出了一种流通式土壤呼吸监测仪及呼吸速率计算方法。
发明内容
本发明的目的是从开放型气室出发，设计一种基于流通原理的土壤呼吸监测仪，以有效避免由于气室内CO2浓度聚集造成的测量低估，同时给出一种土壤呼吸速率计算方法以及在气室内外存在压差时对土壤呼吸速率进行校正的计算方法，实现对土壤呼吸长期、准确的有效监测。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种流通式土壤呼吸监测仪，包括有流通型气室、数控模块、封闭挡板和土壤环，所述流通型气室整体呈圆筒状，所述流通型气室顶部封闭，底部设置为敞口，所述流通型气室的侧壁上固定连接有进气口、出气口和引压口，所述流通型气室的顶端连接有四个缆线接头；所述数控模块安装在流通型气室上，所述数控模块包括有中央处理器、CO2浓度传感器、温度传感器、压差变送器、抽气泵、流量计和触控显示屏，所述CO2浓度传感器、温度传感器、压差变送器、抽气泵、流量计和触控显示屏均与中央处理器电性连接；所述流通型气室底端敞口处还固定连接有气室底座，所述气室底座上开设有连接槽，所述连接槽内部固定安装有橡胶环，所述土壤环通过连接槽扣接在气室底座上，所述封闭挡板连接在土壤环的内侧壁上。
优选地，所述CO2浓度传感器和温度传感器固定安装在流通型气室内部，所述压差变送器通过PU导管与引压口相连接，所述抽气泵和流量计均设置有两个，所述流量计与抽气泵相连接，同时所述流量计还通过气管与进气口和出气口相连。
优选地，所述土壤呼吸监测仪装置本体上还安装有无线传输通信模块，所述流通型气室内部还安装有湿度传感器模块。
一种土壤呼吸速率计算方法，具体包括以下步骤：
S1、将土壤呼吸监测仪本体的土壤环插入土壤中，随后将流通型气室的进气口和出气口通过气管分别与两个独立的流量计相连接，并将流量计的另一端再分别与两个抽气泵相连，将引压口通过导管与压差变送器的低压端连接；
S2、土壤呼吸监测仪本体安装、连接完成后，接通数控模块的电源，开始进行土壤呼吸速率测量工作；
S3、将封闭挡板置于由土壤环围绕的土壤表面，在封闭挡板上表面以及流通型气室的进气口侧和出气口侧分别安装一个CO2浓度传感器，同时在流通型气室的内部中央处安装一个温度传感器，所述CO2浓度传感器和温度传感器的连接线均从流通型气室顶部的缆线接头接出；
S4、通过触控显示屏的人机交互接口调用中央处理器，操控调节抽气泵的流量，并实时记录抽气泵工作时的压差变送器检测到的压差数据ΔP；
S5、根据S4中所获得的压差数据ΔP调节进气口和出气口处抽气泵抽压的气体流速vi、vo，使得压差的波动起伏最小，连续测量十分钟，记录流速数据；
S6、完成流速测量与记录之后，关闭抽气泵，将流通型气室从土壤环上提起，取出之前放置的封闭挡板，将原先封闭挡板表面上的CO2浓度传感器转移至直接与土壤表面接触；
S7、完成CO2浓度传感器位置调整后，再将流通型气室的气室底座与土壤环紧扣，重新开启抽气泵；
S8、通过触控显示屏观察流通型气室的进气口和出气口处CO2浓度的变化，待进气口处CO2浓度Ci和出气口处CO2浓度Co稳定后，计算得出土壤表面的CO2通量F，计算公式为：
式中，vo为出气口处气体流速；Co为出气口处CO2浓度；vi为进气口处气体流速；Ci为进气口处CO2浓度；A为土壤环环绕包裹的土壤面积；
S9、考虑S4中所获得的压差数据ΔP对土壤呼吸速率计算结果的影响，若ΔP＝0，则S8中计算所得的土壤表面的CO2通量F即为土壤呼吸速率；若ΔP≠0，则对S8所得计算结果进行校准，修正由于流通型气室内外压强差导致的测量偏差；
S10、校准完成后，计算获得土壤实际呼吸速率，输出计算结果，土壤呼吸速率计算工作结束。
优选地，所述S3中在土壤表面添加封闭挡板3的目的是防止由于土壤透气性强，导致流通型气室内外压强差ΔP数值无法被检测的情况发生。
优选地，所述S9中提到的通过压差数据ΔP对土壤呼吸速率计算结果进行校准，还可通过计算测量过程中CO2通量的偏差量来修正土壤呼吸速率的测量偏差，具体包括以下步骤：
A1、将出气口封闭，调节抽气泵至最大流量，在进气口瞬时抽取或打入体积为V0的气体；
A2、通过压差变送器记录压强△P0随时间衰变至0的曲线，并通过最小二乘法拟合得到曲线函数式：
ΔP0＝f(t)
A3、结合达西定律计算得出由于压强差引起的理论实时土壤气体传输速率v(t)，计算公式为：
式中，k为土壤的渗透率，μ为空气的动力粘度，△z为土壤下与流通型气室外大气压相同的一点与土壤表面的距离；
A4、计算抽气泵所抽取的气体体积V0,其计算公式为：
A5、根据A4中所得计算公式计算得出实时的气体传输速度，进而结合实际测量过程中检测到的压差△P计算得出CO2通量的偏差量，其计算公式为：
式中，|v(t)|max表示由△P0决定的实时气体传输速度的绝对值最大值；
A6、根据A5中计算所得的偏差量数据进行校正，即可获得真实的土壤呼吸率SR，其计算公式为：
SR＝F-ΔF
式中，F表示测量所得的土壤表面的CO2通量。
优选地，所述S9中提到的通过压差数据ΔP对土壤呼吸速率计算结果进行校准，还可通过计算由于压强变化导致的流通型气室内气体物质的量的变化量来修正土壤呼吸速率的测量偏差，具体包括以下步骤：
B1、根据理想气体状态方程，可知：
PV＝nRT
式中，P为大气压强；V为流通型气室的体积；n为流通型气室内气体的总物质的量；R为摩尔气体常数；T为开氏温度；
B2、所述S4中压差变送器检测到的压差数据为ΔP，温度传感器在压差产生的前一时刻示数记为T1，压差产生的后一时刻示数记为T2，结合B1中理想气体状态方程，可得方程组：
B3、联立B2中所得方程组，计算得出由于压强变化导致的流通型气室内气体物质的量的变化量Δn，其计算公式为：
B4、近似认为流通型气室内处于恒温状态，故T1＝T2＝T，因此B3中计算公式可简化为：
B5、结合B4中简化后的计算公式，可计算得出流通型气室内气体物质的量的变化量△F，将CO2通量F减去变化量△F即为实际土壤呼吸速率，其计算公式为：
式中，Vm为气体摩尔体积，△t为从压差产生到消失的时间间隔，Cs为土壤表面的CO2浓度，Cc表示气室内气体均匀混合后的CO2浓度，在稳态情况下Cc＝Co，Ca为从气室外打入的气体中CO2的浓度，即为Ci。
与现有技术相比，本发明提供了一种流通式土壤呼吸监测仪及呼吸速率计算方法，具备以下有益效果：
本发明提出了一种流通式土壤呼吸监测仪及呼吸速率计算方法，通过气室内气体的不断流动，有效消除因CO2聚集导致的土壤呼吸抑制效果，同时通过测量气体流通时可能产生的压强差，进行校正计算，有效提高了土壤呼吸速率的监测精度。
附图说明
图1为本发明提出的一种流通式土壤呼吸监测仪的数控模块电路连接原理图；
图2为本发明提出的一种流通式土壤呼吸监测仪的的结构示意图。
图中标号：
1、流通型气室；2、数控模块；3、封闭挡板；4、土壤环；5、中央处理器；6、CO2浓度传感器；7、温度传感器；8、压差变送器；9、抽气泵；10、流量计；11、触控显示屏；12、进气口；13、出气口；14、缆线接头；15、引压口；16、气室底座。
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1-2，一种流通式土壤呼吸监测仪，包括有流通型气室1、数控模块2、封闭挡板3和土壤环4，流通型气室1整体呈圆筒状，直径300mm，高300mm，流通型气室1顶部封闭，底部设置为敞口，流通型气室1的侧壁上固定连接有进气口12、出气口13和引压口15，流通型气室1的顶端连接有四个缆线接头14；数控模块2安装在流通型气室1上，数控模块2包括有中央处理器5、CO2浓度传感器6、温度传感器7、压差变送器8、抽气泵9、流量计10和触控显示屏11，CO2浓度传感器6、温度传感器7、压差变送器8、抽气泵9、流量计10和触控显示屏11均与中央处理器5电性连接；流通型气室1底端敞口处还固定连接有气室底座16，气室底座16上开设有连接槽，连接槽内部固定安装有橡胶环，土壤环4通过连接槽扣接在气室底座16上，封闭挡板3连接在土壤环4的内侧壁上。
CO2浓度传感器6和温度传感器7固定安装在流通型气室1内部，压差变送器8通过PU导管与引压口15相连接，抽气泵9和流量计10均设置有两个，流量计10与抽气泵9相连接，同时流量计10还通过气管与进气口12和出气口13相连。
一种土壤呼吸速率计算方法，具体包括以下步骤：
S1、将土壤呼吸监测仪本体的土壤环4插入土壤中，随后将流通型气室1的进气口12和出气口13通过气管分别与两个独立的流量计10相连接，并将流量计10的另一端再分别与两个抽气泵9相连，将引压口15通过导管与压差变送器8的低压端连接；
S2、土壤呼吸监测仪本体安装、连接完成后，接通数控模块2的电源，开始进行土壤呼吸速率测量工作；
S3、将封闭挡板3置于由土壤环4围绕的土壤表面，在封闭挡板3上表面以及流通型气室1的进气口12侧和出气口13侧分别安装一个CO2浓度传感器6，同时在流通型气室1的内部中央处安装一个温度传感器7，CO2浓度传感器6和温度传感器7的连接线均从流通型气室1顶部的缆线接头14接出；
S3中在土壤表面添加封闭挡板3的目的是防止由于土壤透气性强，导致流通型气室1内外压强差ΔP数值无法被检测的情况发生；
S4、通过触控显示屏11的人机交互接口调用中央处理器5，操控调节抽气泵9的流量，并实时记录抽气泵9工作时的压差变送器8检测到的压差数据ΔP；
S5、根据S4中所获得的压差数据ΔP调节进气口12和出气口13处抽气泵9抽压的气体流速vi、vo，使得压差的波动起伏最小，连续测量十分钟，记录流速数据；
S6、完成流速测量与记录之后，关闭抽气泵9，将流通型气室1从土壤环4上提起，取出之前放置的封闭挡板3，将原先封闭挡板3表面上的CO2浓度传感器6转移至直接与土壤表面接触；
S7、完成CO2浓度传感器6位置调整后，再将流通型气室1的气室底座16与土壤环4紧扣，重新开启抽气泵9；
S8、通过触控显示屏11观察流通型气室1的进气口12和出气口13处CO2浓度的变化，待进气口12处CO2浓度Ci和出气口13处CO2浓度Co稳定后，计算得出土壤表面的CO2通量F，计算公式为：
式中，vo为出气口处气体流速；Co为出气口处CO2浓度；vi为进气口处气体流速；Ci为进气口处CO2浓度；A为土壤环4环绕包裹的土壤面积；
S9、考虑S4中所获得的压差数据ΔP对土壤呼吸速率计算结果的影响，若ΔP＝0，则S8中计算所得的土壤表面的CO2通量F即为土壤呼吸速率；若ΔP≠0，则对S8所得计算结果进行校准，修正由于流通型气室1内外压强差导致的测量偏差；
S9中提到的通过压差数据ΔP对土壤呼吸速率计算结果进行校准，可通过计算测量过程中CO2通量的偏差量来修正土壤呼吸速率的测量偏差，具体包括以下步骤：
A1、将出气口13封闭，调节抽气泵9至最大流量，在进气口12瞬时抽取或打入体积为V0的气体；
A2、通过压差变送器8记录压强△P0随时间衰变至0的曲线，并通过最小二乘法拟合得到曲线函数式：
ΔP0＝f(t)
A3、结合达西定律计算得出由于压强差引起的理论实时土壤气体传输速率v(t)，计算公式为：
式中，k为土壤的渗透率，μ为空气的动力粘度，△z为土壤下与流通型气室1外大气压相同的一点与土壤表面的距离；
A4、计算抽气泵9所抽取的气体体积V0,其计算公式为：
A5、根据A4中所得计算公式计算得出实时的气体传输速度，进而结合实际测量过程中检测到的压差△P计算得出CO2通量的偏差量，其计算公式为：
式中，|v(t)|max表示由△P0决定的实时气体传输速度的绝对值最大值；
A6、根据A5中计算所得的偏差量数据进行校正，即可获得真实的土壤呼吸率SR，其计算公式为：
SR＝F-ΔF
式中，F表示测量所得的土壤表面的CO2通量；
S10、校准完成后，计算获得土壤实际呼吸速率，输出计算结果，土壤呼吸速率计算工作结束。
本发明提出了一种流通式土壤呼吸监测仪及呼吸速率计算方法，通过气室内气体的不断流动，有效消除因CO2聚集导致的土壤呼吸抑制效果，同时通过测量气体流通时可能产生的压强差，进行校正计算，有效提高了土壤呼吸速率的监测精度。
实施例2：
请参阅图1-2，基于实施例1，但有所不同之处在于，
一种土壤呼吸速率计算方法，具体包括以下步骤：
S1、将土壤呼吸监测仪本体的土壤环4插入土壤中，随后将流通型气室1的进气口12和出气口13通过气管分别与两个独立的流量计10相连接，并将流量计10的另一端再分别与两个抽气泵9相连，将引压口15通过导管与压差变送器8的低压端连接；
S2、土壤呼吸监测仪本体安装、连接完成后，接通数控模块2的电源，开始进行土壤呼吸速率测量工作；
S3、将封闭挡板3置于由土壤环4围绕的土壤表面，在封闭挡板3上表面以及流通型气室1的进气口12侧和出气口13侧分别安装一个CO2浓度传感器6，同时在流通型气室1的内部中央处安装一个温度传感器7，CO2浓度传感器6和温度传感器7的连接线均从流通型气室1顶部的缆线接头14接出；
S3中在土壤表面添加封闭挡板3的目的是防止由于土壤透气性强，导致流通型气室1内外压强差ΔP数值无法被检测的情况发生；
S4、通过触控显示屏11的人机交互接口调用中央处理器5，操控调节抽气泵9的流量，记录抽气泵9工作时的压差变送器8检测到的压差数据ΔP；
S5、根据S4中所获得的压差数据ΔP调节进气口12和出气口13处抽气泵9抽压的气体流速vi、vo，使得压差的波动起伏最小，经测得vi＝vo＝1.5L/min，连续测量十分钟，记录流速数据；
S6、完成流速测量与记录之后，关闭抽气泵9，将流通型气室1从土壤环4上提起，取出之前放置的封闭挡板3，将原先封闭挡板3表面上的CO2浓度传感器6转移至直接与土壤表面接触；
S7、完成CO2浓度传感器6位置调整后，再将流通型气室1的气室底座16与土壤环4紧扣，重新开启抽气泵9；
S8、通过触控显示屏11观察流通型气室1的进气口12和出气口13处CO2浓度的变化，待进气口12处CO2浓度Ci和出气口13处CO2浓度Co稳定后，计算得出土壤表面的CO2通量F，计算公式为：
式中，vo为出气口处气体流速；Co为出气口处CO2浓度；vi为进气口处气体流速；Ci为进气口处CO2浓度；A为土壤环4环绕包裹的土壤面积；
测得vi＝vo＝v＝1.5L/min；△C＝Co-Ci＝133ppm；A＝0.070685835m2；
故计算得出
S9、考虑S4中所获得的压差数据ΔP对土壤呼吸速率计算结果的影响，若ΔP＝0，则S8中计算所得的土壤表面的CO2通量F即为土壤呼吸速率；若ΔP≠0，则对S8所得计算结果进行校准，修正由于流通型气室1内外压强差导致的测量偏差；
S9中提到的通过压差数据ΔP对土壤呼吸速率计算结果进行校准，可通过计算测量过程中CO2通量的偏差量来修正土壤呼吸速率的测量偏差，具体包括以下步骤：
A1、将出气口13封闭，调节抽气泵9至最大流量12L/min(即0.2L/s)，在进气口12瞬时抽取或打入体积为V0的气体；
A2、通过压差变送器8记录压强△P0随时间衰变至0的曲线，并通过最小二乘法拟合得到曲线函数式：
ΔP0＝f(t)
A3、结合达西定律计算得出由于压强差引起的理论实时土壤气体传输速率v(t)，计算公式为：
式中，k为土壤的渗透率，k＝1.5×10-11m2；μ为空气的动力粘度，μ＝0.0000179Pa·s；△z为土壤下与流通型气室1外大气压相同的一点与土壤表面的距离，△z＝0.03m；
A4、计算抽气泵9所抽取的气体体积V0,其计算公式为：
A5、根据A4中所得计算公式计算得出实时的气体传输速度，进而结合实际测量过程中检测到的压差△P计算得出CO2通量的偏差量，其计算公式为：
式中，|v(t)|max表示由△P0决定的实时气体传输速度的绝对值最大值，|v(t)|max＝0.0058717877m/s，代入具体数值计算可得：
式中，△P表示平均压差，△P＝+0.1Pa；|P(t)|max表示峰值压差，
|P(t)|max＝70.07Pa；
|v(t)|max表示由△P0决定的实时气体传输速度的绝对值最大值，
|v(t)|max＝0.0058717877m/s；Cs表示气室内CO2摩尔分数，
Cs＝585ppm≈26004.5μmol·m-3；
A6、根据A5中计算所得的偏差量数据进行校正，即可获得
真实的土壤呼吸率SR，其计算公式为：
SR＝F-ΔF＝2.317876μmol·m-2·s-1
式中，F表示测量所得的土壤表面的CO2通量；
而对照组测量所得LI-COR 8100数据为2.42μmol·m-2·s-1；
S10、校准完成后，计算获得土壤实际呼吸速率，输出计算结果，土壤呼吸速率计算工作结束。
实施例3：
请参阅图1-2，基于实施例1-2但有所不同之处在于：
一种土壤呼吸速率计算方法，具体包括以下步骤：
S1、将土壤呼吸监测仪本体的土壤环4插入土壤中，随后将流通型气室1的进气口12和出气口13通过气管分别与两个独立的流量计10相连接，并将流量计10的另一端再分别与两个抽气泵9相连，将引压口15通过导管与压差变送器8的低压端连接；
S2、土壤呼吸监测仪本体安装、连接完成后，接通数控模块2的电源，开始进行土壤呼吸速率测量工作；
S3、将封闭挡板3置于由土壤环4围绕的土壤表面，在封闭挡板3上表面以及流通型气室1的进气口12侧和出气口13侧分别安装一个CO2浓度传感器6，同时在流通型气室1的内部中央处安装一个温度传感器7，CO2浓度传感器6和温度传感器7的连接线均从流通型气室1顶部的缆线接头14接出；
S3中在土壤表面添加封闭挡板3的目的是防止由于土壤透气性强，导致流通型气室1内外压强差ΔP数值无法被检测的情况发生；
S4、通过触控显示屏11的人机交互接口调用中央处理器5，操控调节抽气泵9的流量，并实时记录抽气泵9工作时的压差变送器8检测到的压差数据ΔP；
S5、根据S4中所获得的压差数据ΔP调节进气口12和出气口13处抽气泵9抽压的气体流速vi、vo，使得压差的波动起伏最小，连续测量十分钟，记录流速数据；
S6、完成流速测量与记录之后，关闭抽气泵9，将流通型气室1从土壤环4上提起，取出之前放置的封闭挡板3，将原先封闭挡板3表面上的CO2浓度传感器6转移至直接与土壤表面接触；
S7、完成CO2浓度传感器6位置调整后，再将流通型气室1的气室底座16与土壤环4紧扣，重新开启抽气泵9；
S8、通过触控显示屏11观察流通型气室1的进气口12和出气口13处CO2浓度的变化，待进气口12处CO2浓度Ci和出气口13处CO2浓度Co稳定后，计算得出土壤表面的CO2通量F，计算公式为：
式中，vo为出气口处气体流速；Co为出气口处CO2浓度；vi为进气口处气体流速；Ci为进气口处CO2浓度；A为土壤环4环绕包裹的土壤面积；
S9、考虑S4中所获得的压差数据ΔP对土壤呼吸速率计算结果的影响，若ΔP＝0，则S8中计算所得的土壤表面的CO2通量F即为土壤呼吸速率；若ΔP≠0，则对S8所得计算结果进行校准，修正由于流通型气室1内外压强差导致的测量偏差；
S9中提到的通过压差数据ΔP对土壤呼吸速率计算结果进行校准，还可通过计算由于压强变化导致的流通型气室1内气体物质的量的变化量来修正土壤呼吸速率的测量偏差，具体包括以下步骤：
B1、根据理想气体状态方程，可知：
PV＝nRT
式中，P为大气压强；V为流通型气室1的体积；n为流通型气室1内气体的总物质的量；R为摩尔气体常数；T为开氏温度；
B2、S4中压差变送器8检测到的压差数据为ΔP，温度传感器7在压差产生的前一时刻示数记为T1，压差产生的后一时刻示数记为T2，结合A1中理想气体状态方程，可得方程组：
B3、联立B2中所得方程组，计算得出由于压强变化导致的流通型气室1内气体物质的量的变化量Δn，其计算公式为：
B4、近似认为流通型气室1内处于恒温状态，故T1＝T2＝T，因此B3中计算公式可简化为：
B5、结合B4中简化后的计算公式，可计算得出流通型气室1内气体物质的量的变化量△F，将CO2通量F减去变化量△F即为实际土壤呼吸速率，其计算公式为：
式中，Vm为气体摩尔体积，△t为从压差产生到消失的时间间隔，Cs为土壤表面的CO2浓度，Cc表示气室内气体均匀混合后的CO2浓度，在稳态情况下Cc＝Co，Ca为从气室外打入的气体中CO2的浓度，即为Ci；
S10、校准完成后，计算获得土壤实际呼吸速率，输出计算结果，土壤呼吸速率计算工作结束。
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 (3)
1.一种流通式土壤呼吸监测仪，其特征在于：包括有流通型气室(1)、数控模块(2)、封闭挡板(3)和土壤环(4)，所述流通型气室(1)整体呈圆筒状，所述流通型气室(1)顶部封闭，底部设置为敞口，所述流通型气室(1)的侧壁上固定连接有进气口(12)、出气口(13)和引压口(15)，所述流通型气室(1)的顶端连接有四个缆线接头(14)；所述数控模块(2)安装在流通型气室(1)上，所述数控模块(2)包括有中央处理器(5)、CO2浓度传感器(6)、温度传感器(7)、压差变送器(8)、抽气泵(9)、流量计(10)和触控显示屏(11)，所述CO2浓度传感器(6)、温度传感器(7)、压差变送器(8)、抽气泵(9)、流量计(10)和触控显示屏(11)均与中央处理器(5)电性连接；所述流通型气室(1)底端敞口处还固定连接有气室底座(16)，所述气室底座(16)上开设有连接槽，所述连接槽内部固定安装有橡胶环，所述土壤环(4)通过连接槽扣接在气室底座(16)上，所述封闭挡板(3)连接在土壤环(4)的内侧壁上。
2.根据权利要求1所述的一种流通式土壤呼吸监测仪，其特征在于，所述CO2浓度传感器(6)和温度传感器(7)固定安装在流通型气室(1)内部，所述压差变送器(8)通过PU导管与引压口(15)相连接，所述抽气泵(9)和流量计(10)均设置有两个，所述流量计(10)与抽气泵(9)相连接，同时所述流量计(10)还通过气管与进气口(12)和出气口(13)相连。
3.根据权利要求1-2中任一所述的一种流通式土壤呼吸监测仪所使用的一种土壤呼吸速率计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、将土壤呼吸监测仪本体的土壤环(4)插入土壤中，随后将流通型气室(1)的进气口(12)和出气口(13)通过气管分别与两个独立的流量计(10)相连接，并将流量计(10)的另一端再分别与两个抽气泵(9)相连，将引压口(15)通过导管与压差变送器(8)的低压端连接；
S2、土壤呼吸监测仪本体安装、连接完成后，接通数控模块(2)的电源，开始进行土壤呼吸速率测量工作；
S3、将封闭挡板(3)置于由土壤环(4)围绕的土壤表面，在封闭挡板(3)上表面以及流通型气室(1)的进气口(12)侧和出气口(13)侧分别安装一个CO2浓度传感器(6)，同时在流通型气室(1)的内部中央处安装一个温度传感器(7)，所述CO2浓度传感器(6)和温度传感器(7)的连接线均从流通型气室(1)顶部的缆线接头(14)接出；
S4、通过触控显示屏(11)的人机交互接口调用中央处理器(5)，操控调节抽气泵(9)的流量，并实时记录抽气泵(9)工作时的压差变送器(8)检测到的压差数据ΔP；
S5、根据S4中所获得的压差数据ΔP调节进气口(12)和出气口(13)处抽气泵(9)抽压的气体流速vi、vo，使得压差的波动起伏最小，连续测量十分钟，记录流速数据；
S6、完成流速测量与记录之后，关闭抽气泵(9)，将流通型气室(1)从土壤环(4)上提起，取出之前放置的封闭挡板(3)，将原先封闭挡板(3)表面上的CO2浓度传感器(6)转移至直接与土壤表面接触；
S7、完成CO2浓度传感器(6)位置调整后，再将流通型气室(1)的气室底座(16)与土壤环(4)紧扣，重新开启抽气泵(9)；
S8、通过触控显示屏(11)观察流通型气室(1)的进气口(12)和出气口(13)处CO2浓度的变化，待进气口(12)处CO2浓度Ci和出气口(13)处CO2浓度Co稳定后，计算得出土壤表面的CO2通量F，计算公式为：
式中，vo为出气口处气体流速；Co为出气口处CO2浓度；vi为进气口处气体流速；Ci为进气口处CO2浓度；A为土壤环(4)环绕包裹的土壤面积；
S9、考虑S4中所获得的压差数据ΔP对土壤呼吸速率计算结果的影响，若ΔP＝0，则S8中计算所得的土壤表面的CO2通量F即为土壤呼吸速率；若ΔP≠0，则对S8所得计算结果进行校准，修正由于流通型气室(1)内外压强差导致的测量偏差；
所述S9中提到的通过压差数据ΔP对土壤呼吸速率计算结果进行校准，通过计算测量过程中CO2通量的偏差量来修正土壤呼吸速率的测量偏差，具体包括以下步骤：
A1、将出气口(13)封闭，调节抽气泵(9)至最大流量，在进气口(12)瞬时抽取或打入体积为V0的气体；
A2、通过压差变送器(8)记录压强△P0随时间衰变至0的曲线，并通过最小二乘法拟合得到曲线函数式：
ΔP0＝f(t)
A3、结合达西定律计算得出由于压强差引起的理论实时土壤气体传输速率v(t)，计算公式为：
式中，k为土壤的渗透率，μ为空气的动力粘度，△z为土壤下与流通型气室(1)外大气压相同的一点与土壤表面的距离；
A4、计算抽气泵(9)所抽取的气体体积V0,其计算公式为：
A5、根据A4中所得计算公式计算得出实时的气体传输速度，进而结合实际测量过程中检测到的压差△P计算得出CO2通量的偏差量，其计算公式为：
式中，|v(t)|max表示由△P0决定的实时气体传输速度的绝对值最大值；
A6、根据A5中计算所得的偏差量数据进行校正，即可获得真实的土壤呼吸率SR，其计算公式为：
SR＝F-ΔF
式中，F表示测量所得的土壤表面的CO2通量；
S10、校准完成后，计算获得土壤实际呼吸速率，输出计算结果，土壤呼吸速率计算工作结束。
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