CN116183870A - 一种“菇”式土壤呼吸检测装置及有效计算方法 - Google Patents

一种“菇”式土壤呼吸检测装置及有效计算方法 Download PDF

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CN116183870A CN202310167960.6A CN202310167960A CN116183870A CN 116183870 A CN116183870 A CN 116183870A CN 202310167960 A CN202310167960 A CN 202310167960A CN 116183870 A CN116183870 A CN 116183870A
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胡军国
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Abstract

本发明属于土壤呼吸监测技术领域，且公开了一种“菇”式土壤呼吸检测装置，包括“菇”形气室与数据接收处理模块；所述“菇”形气室包括圆柱通气室、菇形气帽和闭气环，所述圆柱通气室的上下开口尺寸相同，且底部可与闭气环连接，所述圆柱通气室的顶部还安装有菇形气帽。本发明通过气室采用蘑菇形、底部带有通气孔的开放式可分离动态气室进行监测，一方面降低了土壤呼吸的抑制作用，解决了由于气室密闭导致室内气压增大和气体浓度梯度减小引起的计算结果偏低的问题，另一方面也能够避免土壤排放的气体不断被稀释和装置周围空气湍流运动而引起的复杂问题，从而提高土壤呼吸监测的精确度，并给出高效的计算方法。

Description

一种“菇”式土壤呼吸检测装置及有效计算方法
技术领域
本发明属于土壤呼吸监测技术领域，具体为一种“菇”式土壤呼吸检测装置及有效计算方法。
背景技术
温室气体导致的气候变化已经影响到整个世界，包括全球的各种极端天气条件，例如干旱、热浪、大雨，而洪水和山体滑坡变得越来越普遍，气候迅速变化的其他后果还包括海平面上升，海洋酸化和生物多样性的丧失，因此温室气体中最主要成分二氧化碳成为亟待解决的问题，“碳中和”的定量必定需要可靠且精确的测量技术，其中土壤呼吸所产生CO2的监测就是一项重而难的任务。
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。
近些年来，土壤呼吸监测方法逐渐增多，形成微气象学法、气井法、模型法和气室法等，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，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，气室监测法使用最广泛，占95％以上，主要有密闭式气室法和开放式气室法，前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，而现使用率较高的气室在监测过程中都各自存在缺陷：第一，密闭气室进行土壤呼吸监测时，由于室内CO2浓度升高，气体不能有效的排放，从而抑制土壤呼吸，无法长时间监测并其计算结果会产生误差；第二，一般敞开气室在进行土壤呼吸监测时，其土壤排放的气体不断被稀释和装置周围空气湍流运动而引起的复杂问题都会导致计算结果存在较大误差。
综上所述，亟须设计一种准确且合理的土壤呼吸监测仪，本设计将考虑现有仪器存在的问题，并结合理论知识与实际情景，发明一种有效的监测仪器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种“菇”式土壤呼吸检测装置及有效计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种“菇”式土壤呼吸检测装置，包括“菇”形气室与数据接收处理模块；
所述“菇”形气室包括圆柱通气室、菇形气帽和闭气环，所述圆柱通气室的上下开口尺寸相同，且底部可与闭气环连接，所述圆柱通气室的顶部还安装有菇形气帽；
所述数据接收处理模块包括CO2传感器、ARM板和USB无线网卡，所述CO2传感器按高度等距安装于圆柱通气室的内壁，且通过串口线与ARM板连接，所述ARM板可将传感器数据收集存储于本地SD卡，所述ARM板安装USB无线网卡后，数据可通过联网传输至智能收集或PC终端。
优选的，所述圆柱通气室桶高500mm，桶开口内径300mm，壁厚5mm，距离桶顶部向下200mm处的桶壁外围四周环绕侧视图为50mm×50mm直角的矩形折角固定柱。
优选地，将一长700mm，宽350mm，圆角半径为200mm的圆角矩形按短轴截成一半的正视图即为菇形气帽的外壳，壁厚2mm，在直角底边以长轴为中心截取460mm，气帽中内嵌以100mm为半径的内凹弧边梯形，长700mm，短400mm，短边两端各突出50mm，将长边挖空，将上述整体按长轴旋转360°以构成菇形气帽，另外，弧边梯形旋转成的类圆台几何体被均匀打上气孔，所述闭气环主要由一高50mm，壁厚1mm，直径300mm的铁圈与高30mm，内径280mm，外径320mm的铁环接合而成，所述圆柱通气室的底部可置于环上，形成密闭。
优选的，包括检测仪器设计模块和计算模型及原理；
检测仪器设计模块：仪器采用可分离的蘑菇形状作为顶部；
计算模型及原理：
一、气室内气体非稳态阶段，如图4所示：
设一个横截面面积为A且无限深度的土柱，其中含有二氧化碳的源，土柱顶部放有仪器主部容积为V，t＝0初始时刻气室内CO2浓度均匀分布，值为C0，经过一段时间t后，测得气室内CO2浓度Ct，并根据浓度的增加来计算土壤CO2通量，分析土壤呼吸强度。
首先进行合理假设：大气与土壤界面上下两处的CO2浓度相同，将该界面处的CO2浓度记为Cs,且气室容积V内浓度的改变值Ct取气室内平均值的改变量记为
Figure SMS_1
在靠近CO2生产区上限的土壤下某一深度d处，存在一个在相对较短的测量时间内不受土壤覆盖影响的CO2浓度Cd恒定平面；CO2浓度在地表s与深度d之间的相对均匀土层中随深度呈线性增加，则在t时间土柱内累积的CO2量可用微分方程近似表示：
Figure SMS_2
取Q为土壤CO2在从开始测量到气室顶部a处浓度值发生变化的T时段内排放的总量，则微元dQ可以表示为体积V与浓度C变化微元dC的乘积：
Figure SMS_3
其中Ds为CO2在土壤中的扩散系数，初始t＝0时，易知
Figure SMS_4
结合【1】、【2】式进行分离变量得到的积分等式如下：
Figure SMS_5
进一步化解：
Figure SMS_6
在t＝T时刻，气室内浓度平均值取b处CO2浓度记为CT，代入公式【4】，计算出CO2气体在土壤中的扩散系数：
Figure SMS_7
于是往【1】式代入【5】式得到土壤CO2通量F的表达式如下:
Figure SMS_8
接下来将土壤下方恒定无穷远处的CO2浓度Cd从方程中消去，其中b处CO2气体浓度随时间变化的曲线是已知的，则可以取CO2浓度积累曲线上t＝T/2对应的浓度点，令其浓度为CT/2。则假设t＝T/2，t＝T两个测量周期的b处浓度增加与初始土壤浓度梯度的比值相同，即：
Figure SMS_9
可解得无穷远处的浓度Cd值为：
Figure SMS_10
最后，由假设知近地表c处CO2浓度Cc稳定时与地表s浓度相等，即Cc＝Cs，若令
Figure SMS_11
则再结合式子【6】和【8】即可得到非完全稳态情况下的实际CO2通量值:
Figure SMS_12
二、气室内气体稳态阶段
当气室内a、b、c处的CO2浓度曲线值不随时间改变，则认为气室内CO2气体处于稳态，气室圆筒内各处的浓度梯度相等，由Fick第一定律可得：
Figure SMS_13
其中D0为CO2气体在空气中的扩散系数，dC/dz为CO2气体浓度梯度。
三、在T时间至稳态前或气室内气体达到稳态后
实际监测过程中，外部环境会有其他不可排除的影响因素增加土壤CO2的排放，为了更加准确地测量实际通量，本设计考虑加入实时监测项，其中比较常见的外界变化导致通量变化的因素即为风，若土壤表面吹过一阵风，将可能导致土壤CO2排放量的增加，根据土壤与大气间连续介质模型，外界因素导致土壤CO2排放通量改变的最直观现象就是气室内CO2浓度将会发生相应的变化，此时增加的通量F可表示为单位面积上单位时间内体积v与气室内地表c处CO2浓度变化微元dCc的乘积，即
Figure SMS_14
其中v/A可定义为T时间气体扩散的距离h，在t时间内，气体扩散距离近似记为△t/T*h，，代入【11】式可得：
Figure SMS_15
因此在T时刻后至稳态前或在气室内达到稳态后，土壤CO2通量实时监测公式可以统一表示为：
F＝Fo+ΔF【13】
其中Fo为发生改变前的碳通量值，在T时刻后，Fo为2.1节中的【9】式，若在稳态后发生改变，Fo为2.2节中的【10】式。
一种“菇”式土壤呼吸检测装置的有效计算方法，
包括以下步骤：
S1.使用时首先提前1-2天将闭气环底部铁圈压入土壤50mm固定，以确保底部土壤释放气体不被泄露并形成稳态，接着将圆柱通气室底部放置在闭气环顶部内环外部，最后把菇形气帽盖置于圆柱通气室的外围侧矩形折角固定柱，如图5所示；
S2.测量过程中，菇形气帽中弧边圆台上的通气孔使得气室保持开放性，有效消除了密闭时带来的土壤呼吸抑制效应，同时，菇形气帽下方的狭缝可以防止由于气室外刮风对气室顶部带来的流动干扰，造成气室内浓度稀释，避免了传统开放型气室对大气流动敏感的弊端，提高了土壤呼吸速率的监测精度，位于圆柱通气室内壁上中下三处的CO2传感器收集所在高度对应CO2浓度，通过菇形气帽狭缝外接串口线与ARM板相连，每时每刻将数据发送至ARM板，并可经由USB无线网卡传输至远程终端，菇形气帽抗干扰的原理如图6所示；
S3.假设有一气室外风由右至左流动，区域①折角起着挡板作用，将原本从圆柱通气室下方进入的大部分气流x隔档回弹，抑制正压，对于由气流x流动造成的室内外溢气流y，区域②缓冲了由负压导致的对流作用，使圆柱通气室内的气体扩散尽量不受影响，此外，气室内区域③处的圆弧可以将圆柱通气室内土壤排出的气体z引流至区域②排出；
S4.在菇形气帽的保护作用下，土壤呼吸释放的气体通过圆柱通气室顶部流出的过程可近似视为纯扩散过程，土壤气体的扩散有三种情况，一是气体在圆柱通气室内的自由扩散状态，二是气桶内气体扩散饱和的动态平衡状态，三是由外界条件变换间接引起的瞬时动态平衡状态打破；
S5.对于第一种情况，取距离土壤地面0mm，250mm，500mm处点分别为c、b、a，对应安装CO2传感器，浓度分别取Cc、Cb、Ca，设顶部a处浓度发生改变的时间为T，近似认为b点为圆柱通气室1中的浓度平均变化点，并用下式校正非稳态情况下b点的浓度：
Figure SMS_16
设初始气室内CO2浓度为C0，令Ct＝Cb’，代入一中提及的非稳态阶段公式【9】得碳通量计算公式为：
Figure SMS_17
Figure SMS_18
第二种情况，圆柱通气室内各高度处的浓度梯度相等，因此可以直接使用Fick定律计算，根据二中稳态阶段的计算公式【10】式可得：
Figure SMS_19
其中F为土壤呼吸速率，D0为CO2在正常空气中的扩散系数，z表示通气桶中某点距离土壤表面的距离，za＝0mm，zb＝250mm，zc＝500mm，Ca、Cb、Cc表示距离土壤表面za、zb、zc处的CO2浓度；
为了提高计算准确度并便于处理，上述(1)、(3)式的计算对各个传感器样本取均值处理，在实际过程中还可采用一阶迎风或者二阶迎风离散化处理提高准确度；
S6.第三种情况的发生原因是复杂的，可能由于气室外气温变化、以及吹过阵风等物理、化学、生物等因素造成气室内土壤呼吸速率的改变，对原先气桶内部CO2分布造成瞬时影响，对于该情况，仅需加入实时监测项F即可，其余公式不变，具体参照公式【13】，浓度以及通量变化值通过在数据处理模块获得的CO2浓度数据绘制的随时间变化的曲线图得出。
本发明的有益效果如下：
本发明通过气室采用蘑菇形、底部带有通气孔的开放式可分离动态气室进行监测，一方面降低了土壤呼吸的抑制作用，解决了由于气室密闭导致室内气压增大和气体浓度梯度减小引起的计算结果偏低的问题，另一方面也能够避免土壤排放的气体不断被稀释和装置周围空气湍流运动而引起的复杂问题，从而提高土壤呼吸监测的精确度，并给出高效的计算方法；该有效计算方法，基于碳通量公式可以对应土壤气体的三种情况，即分别为气体在圆柱通气室内的自由扩散状态、气桶内气体扩散饱和的动态平衡状态和由外界条件变换间接引起的瞬时动态平衡状态打破，通过对各个传感器样本取均值斥力，在实际过程中还可采用一阶迎风或者二阶迎风离散化处理提高准确度，同时，还对应室外不同的气温变化及吹过阵风等理化生因素对突然呼吸速率的测量，从而可以在对应的数据处理模块获得CO2浓度数据绘制的随之间变化的曲线图，计算准确且精度高。
附图说明
图1为本发明“菇”式气室的结构示意图；
图2为本发明数据接收与处理装置示意图；
图3为本发明菇”式土壤呼吸监测装置的整体协作框图；
图4为本发明气室内气体非稳态阶段示意图；
图5为本发明CO2生产源由地表扩散示意图；
图6为本发明菇形气帽抗干扰的原理示意图。
图中：1、圆柱通气室；2、菇形气帽；3、闭气环；4、CO2传感器，5、ARM板，6、USB无线网卡。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图6所示，本发明实施例提供了一种“菇”式土壤呼吸检测装置，包括“菇”形气室与数据接收处理模块；
“菇”形气室包括圆柱通气室1、菇形气帽2和闭气环3，圆柱通气室1的上下开口尺寸相同，且底部可与闭气环3连接，圆柱通气室1的顶部还安装有菇形气帽2；
数据接收处理模块包括CO2传感器4、ARM板5和USB无线网卡6，CO2传感器4按高度等距安装于圆柱通气室1的内壁，且通过串口线与ARM板5连接，ARM板5可将传感器数据收集存储于本地SD卡，ARM板5安装USB无线网卡6后，数据可通过联网传输至智能收集或PC终端；
圆柱通气室1通过圆柱外形可向上连接菇形气帽2，从而方便CO2排出，CO2传感器4安装在圆柱通气室1的内部可用于检测CO2浓度。
气室采用蘑菇形、底部带有通气孔的开放式可分离动态气室进行监测，一方面降低了土壤呼吸的抑制作用，解决了由于气室密闭导致室内气压增大和气体浓度梯度减小引起的计算结果偏低的问题，另一方面也能够避免土壤排放的气体不断被稀释和装置周围空气湍流运动而引起的复杂问题，从而提高土壤呼吸监测的精确度，并给出高效的计算方法。
其中，圆柱通气室1桶高500mm，桶开口内径300mm，壁厚5mm，距离桶顶部向下200mm处的桶壁外围四周环绕侧视图为50mm×50mm直角的矩形折角固定柱；
圆柱通气室1尺寸设计可便于放置菇形气帽2，距离桶顶部向下200mm处的桶臂外围四周环绕俯视图50mm×50mm直角的矩形角固定柱。
其中，将一长700mm，宽350mm，圆角半径为200mm的圆角矩形按短轴截成一半的正视图即为菇形气帽2的外壳，壁厚2mm，在直角底边以长轴为中心截取460mm，气帽中内嵌以100mm为半径的内凹弧边梯形，长700mm，短400mm，短边两端各突出50mm，将长边挖空，将上述整体按长轴旋转360°以构成菇形气帽2，另外，弧边梯形旋转成的类圆台几何体被均匀打上气孔，闭气环3主要由一高50mm，壁厚1mm，直径300mm的铁圈与高30mm，内径280mm，外径320mm的铁环接合而成，圆柱通气室1的底部可置于环上，形成密闭；
弧边梯形旋转成的类圆台几何体被均匀打上气孔，气孔便于从圆柱通气室1传递来的气体流出，且圆柱通气室1的底部可设置环上，形成密闭空间。
其中，包括检测仪器设计模块和计算模型及原理；
检测仪器设计模块：仪器采用可分离的蘑菇形状作为顶部，其目的是和平顶箱式设计比较，前者更有助于扩散气体的迎流，顶部下方设置成多孔筛状，有助于进行气体循环，避免抑制土壤呼吸；
仪器主部为高H，直径R的圆柱体，两端全开放，在圆柱体离土壤表面z1、z2、z3……各点具体个数由实际而定安装一个CO2传感器4，用于计算土壤呼吸速率，设a点安装于圆柱顶部，c点在圆柱底部，安装位置b位于a、c中点处，其结果经过数据处理模块接收处理后发送至远程终端。
计算模型及原理：
一、气室内气体非稳态阶段无风或风俗微弱情况下，如图4所示：
设一个横截面面积为A且无限深度的土柱，其中含有二氧化碳的源，土柱顶部放有仪器主部容积为V，t＝0初始时刻气室内CO2浓度均匀分布，值为C0，经过一段时间t后，测得气室内CO2浓度Ct，并根据浓度的增加来计算土壤CO2通量，分析土壤呼吸强度。
首先进行合理假设：i大气与土壤界面上下两处的CO2浓度相同，将该界面处的CO2浓度记为Cs,且气室容积V内浓度的改变值Ct取气室内平均值的改变量记为
Figure SMS_20
在从开始测量到a处浓度值发生变化的T时段内；ii在靠近CO2生产区上限的土壤下某一深度d处，存在一个在相对较短的测量时间内不受土壤覆盖影响的CO2浓度Cd恒定平面；iiiCO2浓度在地表s与深度d之间的相对均匀土层中随深度呈线性增加，则在tt<T时间土柱内累积的CO2量可用微分方程近似表示：
Figure SMS_21
取Q为土壤CO2在从开始测量到气室顶部a处浓度值发生变化的T时段内排放的总量，则微元dQ可以表示为体积V与浓度C变化微元dC的乘积：
Figure SMS_22
其中Ds为CO2在土壤中的扩散系数，初始t＝0时，易知
Figure SMS_23
结合【1】、【2】式进行分离变量得到的积分等式如下：
Figure SMS_24
进一步化解：
Figure SMS_25
在t＝T时刻，气室内浓度平均值取b处CO2浓度记为CT，代入公式【4】，计算出CO2气体在土壤中的扩散系数：
Figure SMS_26
于是往【1】式代入【5】式得到土壤CO2通量F的表达式如下:
Figure SMS_27
接下来将土壤下方恒定无穷远处的CO2浓度Cd从方程中消去，其中b处CO2气体浓度随时间变化的曲线是已知的，则可以取CO2浓度积累曲线上t＝T/2对应的浓度点，令其浓度为CT/2。则假设t＝T/2，t＝T两个测量周期的b处浓度增加与初始土壤浓度梯度的比值相同，即：
Figure SMS_28
可解得无穷远处的浓度Cd值为：
Figure SMS_29
最后，由假设i知近地表c处CO2浓度Cc稳定时与地表s浓度相等，即Cc＝Cs，若令
Figure SMS_30
则再结合式子【6】和【8】即可得到非完全稳态情况下的实际CO2通量值:
Figure SMS_31
二、气室内气体稳态阶段
当气室内a、b、c处的CO2浓度曲线值不随时间改变，则认为气室内CO2气体处于稳态，气室圆筒内各处的浓度梯度相等，由Fick第一定律可得：
Figure SMS_32
其中D0为CO2气体在空气中的扩散系数，dC/dz为CO2气体浓度梯度。
三、在T时间至稳态前或气室内气体达到稳态后
实际监测过程中，外部环境会有其他不可排除的影响因素增加土壤CO2的排放，为了更加准确地测量实际通量，本设计考虑加入实时监测项，其中比较常见的外界变化导致通量变化的因素即为风，若土壤表面吹过一阵风，将可能导致土壤CO2排放量的增加，根据土壤与大气间连续介质模型，外界因素导致土壤CO2排放通量改变的最直观现象就是气室内CO2浓度将会发生相应的变化，此时增加的通量F可表示为单位面积上单位时间内体积v与气室内地表c处CO2浓度变化微元dCc的乘积，即
Figure SMS_33
其中v/A可定义为T时间气体扩散的距离h，在t时间内，气体扩散距离近似记为△t/T*h，，代入【11】式可得：
Figure SMS_34
因此在T时刻后至稳态前或在气室内达到稳态后，土壤CO2通量实时监测公式可以统一表示为：
F＝Fo+ΔF【13】
其中Fo为发生改变前的碳通量值，在T时刻后，Fo为2.1节中的【9】式，若在稳态后发生改变，Fo为2.2节中的【10】式；
气室内气体稳态的三个阶段可有效监测和控制CO2气体的扩散程度和扩散速度，在不同的外界因素作用下，CO2排放量不同，根据土壤与大期间连续介质模型，外界因素导致土壤CO2排放通量发生了最直观的变化。
一种“菇”式土壤呼吸检测装置的有效计算方法，
包括以下步骤：
S1.使用时首先提前1-2天将闭气环3底部铁圈压入土壤50mm固定，以确保底部土壤释放气体不被泄露并形成稳态，接着将圆柱通气室1底部放置在闭气环3顶部内环外部，最后把菇形气帽2盖置于圆柱通气室1的外围侧矩形折角固定柱，如图5所示；
S2.测量过程中，菇形气帽2中弧边圆台上的通气孔使得气室保持开放性，有效消除了密闭时带来的土壤呼吸抑制效应，同时，菇形气帽2下方的狭缝可以防止由于气室外刮风对气室顶部带来的流动干扰，造成气室内浓度稀释，避免了传统开放型气室对大气流动敏感的弊端，提高了土壤呼吸速率的监测精度，位于圆柱通气室1内壁上中下三处的CO2传感器4收集所在高度对应CO2浓度，通过菇形气帽2狭缝外接串口线与ARM板5相连，每时每刻将数据发送至ARM板5，并可经由USB无线网卡6传输至远程终端，菇形气帽2抗干扰的原理如图6所示；
S3.假设有一气室外风由右至左流动，区域①折角起着挡板作用，将原本从圆柱通气室1下方进入的大部分气流x隔档回弹，抑制正压，对于由气流x流动造成的室内外溢气流y，区域②缓冲了由负压导致的对流作用，使圆柱通气室1内的气体扩散尽量不受影响，此外，气室内区域③处的圆弧可以将圆柱通气室1内土壤排出的气体z引流至区域②排出；
S4.在菇形气帽2的保护作用下，土壤呼吸释放的气体通过圆柱通气室1顶部流出的过程可近似视为纯扩散过程，土壤气体的扩散有三种情况，一是气体在圆柱通气室1内的自由扩散状态，二是气桶内气体扩散饱和的动态平衡状态，三是由外界条件变换间接引起的瞬时动态平衡状态打破；
S5.对于第一种情况，取距离土壤地面0mm，250mm，500mm处点分别为c、b、a，对应安装CO2传感器4，浓度分别取Cc、Cb、Ca，设顶部a处浓度发生改变的时间为T，近似认为b点为圆柱通气室1中的浓度平均变化点，并用下式校正非稳态情况下b点的浓度：
Figure SMS_35
设初始气室内CO2浓度为C0，令Ct＝Cb’，代入一中提及的非稳态阶段公式【9】得碳通量计算公式为：
Figure SMS_36
/>
Figure SMS_37
第二种情况，圆柱通气室1内各高度处的浓度梯度相等，因此可以直接使用Fick定律计算，根据二中稳态阶段的计算公式【10】式可得：
Figure SMS_38
其中F为土壤呼吸速率，D0为CO2在正常空气中的扩散系数，z表示通气桶中某点距离土壤表面的距离，za＝0mm，zb＝250mm，zc＝500mm，Ca、Cb、Cc表示距离土壤表面za、zb、zc处的CO2浓度；
为了提高计算准确度并便于处理，上述1、3式的计算对各个传感器样本取均值处理，在实际过程中还可采用一阶迎风或者二阶迎风离散化处理提高准确度；
S6.第三种情况的发生原因是复杂的，可能由于气室外气温变化、以及吹过阵风等物理、化学、生物等因素造成气室内土壤呼吸速率的改变，对原先气桶内部CO2分布造成瞬时影响，对于该情况，仅需加入实时监测项F即可，其余公式不变，具体参照公式【13】，浓度以及通量变化值通过在数据处理模块获得的CO2浓度数据绘制的随时间变化的曲线图得出；
该有效计算方法，基于碳通量公式可以对应土壤气体的三种情况，即分别为气体在圆柱通气室1内的自由扩散状态、气桶内气体扩散饱和的动态平衡状态和由外界条件变换间接引起的瞬时动态平衡状态打破，通过对各个传感器样本取均值斥力，在实际过程中还可采用一阶迎风或者二阶迎风离散化处理提高准确度，同时，还对应室外不同的气温变化及吹过阵风等理化生因素对突然呼吸速率的测量，从而可以在对应的数据处理模块获得CO2浓度数据绘制的随之间变化的曲线图，计算准确且精度高。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种“菇”式土壤呼吸检测装置，其特征在于：包括“菇”形气室与数据接收处理模块；
所述“菇”形气室包括圆柱通气室(1)、菇形气帽(2)和闭气环(3)，所述圆柱通气室(1)的上下开口尺寸相同，且底部可与闭气环(3)连接，所述圆柱通气室(1)的顶部还安装有菇形气帽(2)；
所述数据接收处理模块包括CO2传感器(4)、ARM板(5)和USB无线网卡(6)，所述CO2传感器(4)按高度等距安装于圆柱通气室(1)的内壁，且通过串口线与ARM板(5)连接，所述ARM板(5)可将传感器数据收集存储于本地SD卡，所述ARM板(5)安装USB无线网卡(6)后，数据可通过联网传输至智能收集或PC终端。
2.根据权利要求1所述的一种“菇”式土壤呼吸检测装置，其特征在于：所述圆柱通气室(1)桶高500mm，桶开口内径300mm，壁厚5mm，距离桶顶部向下200mm处的桶壁外围四周环绕侧视图为50mm×50mm直角的矩形折角固定柱。
3.根据权利要求1所述的一种“菇”式土壤呼吸检测装置，其特征在于：将一长700mm，宽350mm，圆角半径为200mm的圆角矩形按短轴截成一半的正视图即为菇形气帽(2)的外壳，壁厚2mm，在直角底边以长轴为中心截取460mm，气帽中内嵌以100mm为半径的内凹弧边梯形，长700mm，短400mm，短边两端各突出50mm，将长边挖空，将上述整体按长轴旋转360°以构成菇形气帽(2)，另外，弧边梯形旋转成的类圆台几何体被均匀打上气孔，所述闭气环(3)主要由一高50mm，壁厚1mm，直径300mm的铁圈与高30mm，内径280mm，外径320mm的铁环接合而成，所述圆柱通气室(1)的底部可置于环上，形成密闭。
4.权利要求1所述的一种“菇”式土壤呼吸检测装置，其特征在于：包括检测仪器设计模块和计算模型及原理；
所述检测仪器设计模块采用可分离的蘑菇形状作为顶部；
计算模型及原理：
一、气室内气体非稳态阶段(无风或风俗微弱情况下)，
设一个横截面面积为A且无限深度的土柱，其中含有二氧化碳的源，土柱顶部放有仪器主部容积为V，t＝0初始时刻气室内CO2浓度均匀分布，值为C0，经过一段时间t后，测得气室内CO2浓度Ct，并根据浓度的增加来计算土壤CO2通量，分析土壤呼吸强度。
首先进行合理假设：(i)大气与土壤界面上下两处的CO2浓度相同，将该界面处的CO2浓度记为Cs,且气室容积V内浓度的改变值Ct取气室内平均值的—
改变量记为C(在从开始测量到a处浓度值发生变化的T时段内)；(ii)在靠近CO2生产区上限的土壤下某一深度d处，存在一个在相对较短的测量时间内不受土壤覆盖影响的CO2浓度Cd恒定平面；(iii)CO2浓度在地表s与深度d之间的相对均匀土层中随深度呈线性增加，则在t(t<T)时间土柱内累积的CO2量可用微分方程近似表示。
二、气室内气体稳态阶段
当气室内a、b、c处的CO2浓度曲线值不随时间改变，则认为气室内CO2气体处于稳态，气室圆筒内各处的浓度梯度相等，由Fick第一定律可得，其中D0为CO2气体在空气中的扩散系数，dC/dz为CO2气体浓度梯度。
三、在T时间至稳态前或气室内气体达到稳态后
实际监测过程中，外部环境会有其他不可排除的影响因素增加土壤CO2的排放，为了更加准确地测量实际通量，本设计考虑加入实时监测项，其中比较常见的外界变化导致通量变化的因素即为风，若土壤表面吹过一阵风，将可能导致土壤CO2排放量的增加，根据土壤与大气间连续介质模型，外界因素导致土壤CO2排放通量改变的最直观现象就是气室内CO2浓度将会发生相应的变化，此时增加的通量F可表示为单位面积上单位时间内体积v与气室内地表c处CO2浓度变化微元dCc的乘积。
5.适用于权利要求1-4的任意一项所述的一种“菇”式土壤呼吸检测装置的有效计算方法，其特征在于：
包括以下步骤：
S1.使用时首先提前1-2天将闭气环(3)底部铁圈压入土壤50mm固定，以确保底部土壤释放气体不被泄露并形成稳态，接着将圆柱通气室(1)底部放置在闭气环(3)顶部内环外部，最后把菇形气帽(2)盖置于圆柱通气室(1)的外围侧矩形折角固定柱；
S2.测量过程中，菇形气帽(2)中弧边圆台上的通气孔使得气室保持开放性，有效消除了密闭时带来的土壤呼吸抑制效应，位于圆柱通气室(1)内壁上中下三处的CO2传感器(4)收集所在高度对应CO2浓度，通过菇形气帽(2)狭缝外接串口线与ARM板(5)相连，每时每刻将数据发送至ARM板(5)，并可经由USB无线网卡(6)传输至远程终端；
S3.假设有一气室外风由右至左流动，区域①折角起着挡板作用，将原本从圆柱通气室(1)下方进入的大部分气流x隔档回弹，抑制正压，对于由气流x流动造成的室内外溢气流y，区域②缓冲了由负压导致的对流作用，使圆柱通气室(1)内的气体扩散尽量不受影响，此外，气室内区域③处的圆弧可以将圆柱通气室(1)内土壤排出的气体z引流至区域②排出；
S4.在菇形气帽(2)的保护作用下，土壤呼吸释放的气体通过圆柱通气室(1)顶部流出的过程可近似视为纯扩散过程，土壤气体的扩散有三种情况，一是气体在圆柱通气室(1)内的自由扩散状态，二是气桶内气体扩散饱和的动态平衡状态，三是由外界条件变换间接引起的瞬时动态平衡状态打破；
S5.对于第一种情况，取距离土壤地面0mm，250mm，500mm处点分别为c、b、a，对应安装CO2传感器(4)，浓度分别取Cc、Cb、Ca，设顶部a处浓度发生改变的时间为T，近似认为b点为圆柱通气室1中的浓度平均变化点，并用下式校正非稳态情况下b点的浓度；
第二种情况，圆柱通气室(1)内各高度处的浓度梯度相等，因此可以直接使用Fick定律计算，其中F为土壤呼吸速率，D0为CO2在正常空气中的扩散系数，z表示通气桶中某点距离土壤表面的距离，za＝0mm，zb＝250mm，zc＝500mm，Ca、Cb、Cc表示距离土壤表面za、zb、zc处的CO2浓度；
为了提高计算准确度并便于处理，上述步骤中的计算对各个传感器样本取均值处理，在实际过程中还可采用一阶迎风或者二阶迎风离散化处理提高准确度；
S6.第三种情况的发生原因是复杂的，可能由于气室外气温变化、以及吹过阵风等物理、化学、生物等因素造成气室内土壤呼吸速率的改变，对原先气桶内部CO2分布造成瞬时影响，对于该情况，仅需加入实时监测项F即可，其余公式不变，浓度以及通量变化值通过在数据处理模块获得的CO2浓度数据绘制的随时间变化的曲线图得出。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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