CN201078754Y - 全自动多通量箱系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种全自动多通量箱系统，包括空气压缩机、红外CO₂分析仪、缓冲器、干燥器、过滤器、流量计、气泵、数据采集器和多个通量箱，所述通量箱侧壁及上盖间装有一气缸，空气压缩机连接一多通阀，该多通阀分出若干支路，每一支路上设有一电磁阀，每一支气路与一通量箱内的气缸连接；每一通量箱由设有一电磁阀的气路连接一多通阀，依次连接缓冲器、干燥器、过滤器、流量计、红外CO₂分析仪、气泵后与另一多通阀连接，该多通阀分出的每一支路连接一通量箱，每一支路上设有一电磁阀，形成循环气路。红外CO₂分析仪与通过电路一数据采集器连接。所述系统中和气缸相连，控制气缸伸缩的电磁阀，以及通量箱上用于控制循环气路的电磁阀皆通过电路与一逻辑控制器连接。该实用新型具有反应速度快、高频率、能在多个地点进行全天候连续循环监测、对被观测对象扰动小的优点。

Description

全自动多通量箱系统

技术领域

本发明涉及陆地生态系统监测领域，具体的说是一种监测陆地生态系统与大气间的CO₂交换通量的全自动多通量箱系统。

背景技术

陆地生态系统与大气间CO₂交换是全球碳循环的最重要组成部分，是判断陆地生态系统是“碳源”或“碳汇”的重要指标。科学地测定其CO₂交换通量一直是陆地生态系统碳循环研究的核心工作之一。提高观测的效率和减少观测对自然的干扰，是科学精确地估算区域和全球尺度上的陆地生态系统与大气间CO₂交换量的关键。目前较好的是采用动态通量箱红外CO₂分析仪法进行监测，而采用多个通量箱进行多点连续监测，是监测技术的发展方向。自动通量箱的自动开启系统一般采用电动机驱动或汽缸驱动，目前的大部分通量箱只能够在一个地点进行相对连续的观测(Fang and Moncrieff 1998)，或者在有限的几个地点用若干小通量箱进行相对连续的观测(Law etal2001，Drewitt，2002)。土壤呼吸存在空间变异(Rochette et al.1991，McGinn et al.1998，Kelliher et al.1999，Rayment and Jarvis2000)，而且小的通量箱边缘效应明显，易于造成较大的误差(Norman et al.1997)。所以，全自动、大尺寸、多通量箱系统对于CO₂的测定变得很有意义。Jill Bubier利用由10个大尺寸通量箱组成的闭路循环观测系统对冬季积雪情况下的CO₂释放特征进行了研究，实现了相对连续的半自动监测，但是每个通量箱的测定需要18分钟，3个小时后才能够对同一个点进行第二次测定，连续性受到影响，同时，其通量箱自动控制技术有待提高，没有实现全天候自动循环监测。梁乃申开发出一套由16个大尺寸通量箱组成的开放气路循环系统，并应用此系统对林地CO₂释放作了研究，证明了该系统的可靠性。然而该系统所需平衡时间较长，每个箱需要20分钟，这可能阻碍了雨水和凋落物的进入，同时，因为闭合时间长通量箱内部环境会有较大改变，特别是温度升高效应，这不利于农田生态系统、草原生态系统、林业生态系统内部的林窗等光照充分的地方的测定(Naishen Liang，2003)。此外，通量箱的开闭用数据采集器控制，控制能力不够，每次需要6个箱一起关闭才能循环，在反映空间变异时有很大的局限。目前已有系统主要问题与不足是，自动控制技术落后，不能全天候在多个地点快速连续监测，并且对被观测对象的扰动较大，进而影响测量的精确性。

发明内容

本发明的目的为提供一种反应速度快、高频率、能在多个地点进行全天候连续循环监测，对被监测对象扰动小的全自动多通量箱系统。

实现上述发明目的的技术方案如下：

全自动多通量箱系统，包括空气压缩机、红外CO₂分析仪、缓冲器、干燥器、过滤器、流量计、气泵、数据采集器和多个通量箱，所述通量箱侧壁及上盖间装有一气缸，空气压缩机连接一多通阀，该多通阀分出若干支路，支路上设有一电磁阀，每一支路与一通量箱内的气缸连接；每一通量箱由设有一电磁阀的气路管道连接一多通阀，多通阀的总管依次连接缓冲器、干燥器、过滤器、流量计、红外CO₂分析仪、气泵后与另一多通阀的总管连接，该多通阀分出的每一支路连接一通量箱，每一支路上设有一电磁阀，形成循环气路，红外CO₂分析仪通过电路与一数据采集器连接，所述系统中和气缸相连，用于控制气缸伸缩的电磁阀，以及通量箱上用于控制循环气路的电磁阀皆通过电路与一逻辑控制器连接。所述通量箱内还安装有一风扇，该风扇通过电路与上述逻辑控制器连接。

所述通量箱的个数可根据实际情况来确定，一般在6个以上，30个一下就能达到要求，效果较好的采用18-20个即可。

所述通量箱上盖上设有一气管，连通通量箱内外。

所述通量箱的上盖上固定有“U”形加强筋，加强筋可采用金属或高强度材料制作。

本发明拥有压力补偿机制，通量箱顶部和外部连通的管道平衡了箱内外气压，使CO₂以正常模式释放，有效避免了通量箱内压力改变对测量结果的影响。通过测定证明系统是稳定的，数据是可靠的。具有如下优点：(1)对环境改变最小。通量箱在一个循环里除测量时都处于开放状态，这较好的促进了箱内外能量的交换，使通量箱内外温度，特别是和土壤呼吸相关性最好的地表温度内外差异不显著。同时，因为箱盖大部分时间处于打开状态，雨、雪、凋落物都可以进入通量箱，为恰当描述地表CO₂释放提供了保证。在测定NEE时，因为通量箱盖和四壁都采用98％透光率的亚克力板，有效保证了光线的进入，使结果更接近真实。如果在森林生态系统内部或者果园内部测定地表植被(草、低矮灌丛、苔藓)的NEE效果更好。(2)取样面积大，有效的减小了“边缘效应”(3)快速。只要3分钟就可以完成对一个样点的测定。比同类系统快出15到17分钟。这样就有效抑制了通量箱闭合后的升温效应，使内外环境差别尽可能缩小。而且，更为重要的是使测定时间密度更大，样点更多成为现实。(4)多箱。本系统含有多个通量箱，比目前世界上公开发表的文献记载中含通量箱数目多。多箱的好处在于，其一，测定NEE时，较多的重复可以有效避免偶然现象造成的误差。比如，浮云的影响。其二，反映地表CO₂释放或者土壤呼吸的空间变异并且使代表性更强；其三，可以允许不同水平的较多重复，方便比较研究。(6)自动。系统可完全自动运行不用人力。数据自动采集、记录。(7)维护保养简单易行。(8)连续。该系统可以在正常电力供应下一直连续运行。这使生态系统碳动态的连续变化测定变成了现实。实现了全天候监测，而且密度更为集中。(9)经济。18个通量箱共用一台CO₂分析仪，相对于商品仪器而言是非常经济的。(10)原位监测，采样测量时对观测对象扰动小。

附图说明

图1为本发明的结构框图

图2为本发明中控制装置的结构框图

图3为本发明中采样分析装置的结构框图

图4为本发明中通量箱的结构示意图

图5为本发明实施例进行监测的麦田生态系统与大气间CO₂交换通量图

图6为本发明实施例进行监测的麦田土壤呼吸和果园土壤呼吸图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，全自动多通量箱系统，采用18个通量箱，包括控制装置和采样分析装置，控制装置包括空气压缩机和通量箱，所述通量箱侧壁与上盖间装有一气缸2，空气压缩机连接一多通阀，该多通阀分出18个支路，支路上设有一电磁阀，每一支路与一通量箱内的气缸连接，所述电磁阀通过电路与一逻辑控制器连接，所述通量箱内还安装有一风扇3，该风扇通过电路与逻辑控制器连接；采样分析装置包括红外CO₂分析仪、缓冲器、干燥器、过滤器、流量计、气泵、数据采集器和通量箱，所述数据采集器通过电路与红外CO₂分析仪连接，红外CO₂分析仪的进气口通过气路管道依次与流量计、过滤器、干燥器、缓冲器连接，缓冲器与一多通阀的总管连接，多通阀分出若干支路，每一支路上设有一电磁阀后与一通量箱相连通，形成流入气路，红外CO₂分析仪的出气口通过气路管道连接一气泵，气泵连接一多通阀的总管，该多通阀分出若干支路，每一支路上设有一电磁阀后与一通量箱相连通，形成流出气路，气路上的电磁阀与一逻辑控制器相连接。流入气路位于通量箱体的一侧靠上位置，对侧的靠下位置为流出气路。

通量箱是长、宽、高均为50cm的正方体，框架是由铝合金制成。箱体四壁采用透明的亚克力板(透光率98％)，并通过双面密封胶条和铝合金框架粘接起来用螺钉固定。箱盖采用较厚的亚克力板(透光率98％)，与箱体间用普通合页链接。为了防止箱盖的热胀冷缩变形，箱盖的外表面固定有高强度U型铝合金板。箱体与箱盖间镶有高密度密封条以提高气密性。

当一个循环开始时，逻辑控制器控制一通量箱的电磁阀打开，空气压缩机给汽缸供气，汽缸回缩，通量箱盖在气缸臂拉力作用下关闭。同时，固定在汽缸上的风扇开始工作，搅拌空气，与此同时，在同一逻辑控制器控制下，该通量箱的流入气路和流出气路的电磁阀打开，其他通量箱对应的电磁阀关闭，在气泵作用下，从该通量箱中流出的气体都要经由管道先流过控制其气路的电磁阀，而后流经控制流入气体的多通阀，之后，经过缓冲器、干燥器、过滤器、流量计，进入CO₂分析仪，随后经由多通阀，流经控制回流气路的电磁阀，流回通量箱，构成闭路循环。第180秒时，在逻辑控制器的控制下，电磁阀工作，汽缸伸展开，通量箱盖在气缸臂推力作用下打开，风扇同步停止工作，流入气路和流出气路的电磁阀关闭。在上一个通量箱盖打开的同时，下一个通量箱关闭，内部风扇开始工作，与之对应的控制流入与流出的电磁阀打开，开始相同的闭路循环过程，同样历时180秒。以此类推，逐个闭合打开，在多个地点循环测定。当所有的箱都测定过后，系统停止6分钟后，重新从第一个通量箱开始进行下一轮循环测定，这样同一通量箱进行测量的间隔为1小时，较为适宜。

结合图5和图6，对使用本发明全自动多通量箱系统进行观测加以说明，4月21日到4月22日在中国科学院长武农业生态试验站对小麦田和果园进行了研究。4月21日，小麦田生态系统与大气间的CO₂生态系统净收支(NEE，Net Ecosystem Exchange)如图6(a)所示，在0:00到6:00间整体表现为释放，从0:00到4:00变化相对平缓，5:00有所降低，6:00略有升高，7:00左右，生态系统由释放CO₂转化为吸收固定CO₂。在9:00时间段，小麦生态系统吸收固定CO₂的强度达到最大，然后降低，到18:00生态系统再次由吸收固定CO₂转为释放CO₂，表现为由负值逐渐变为正值。19:00时，生态系统释放CO₂的强度最小。生态系统释放CO₂水平在晚上20:00时间段最大，然后逐渐降低。由4月21日和22日两天的连续观测结果来看，小麦生态系统净收支的日变化的特点是，晚间变化相对平缓，早上7:00左右，晚上19:00左右是生态系统吸收固定和释放的转折时间点，上午9:00到10:00生态系统的吸收固定强度最大。连续2d的夜间麦田生态系统的排放强度分别在3.34～6.92μmol·m^-2·s^-1间变化。在晴天呈现近似单峰变化。连续2d的CO₂吸收最大强度分别为-15.9μmol·m^-2·s^-1和-17.1μmol·m^-2·s^-1。连续观测2d的麦田生态系统与大气间的CO₂交换通量平均值为-2.35μmol·m^-2·s^-1，即该时期的麦田生态系统整体上吸收固定CO₂的能力强于释放CO₂的能力。

果园和麦田的土壤呼吸速率的日变化趋势如图6(b)，果园的平均呼吸速率是6.61μmol·m^-2·s^-1，麦田是3.87μmol·m^-2·s^-1。果园土壤的呼吸强度在15:00到16:00左右最大，约9.8μmol·m^-2·s^-1到10μmol·m^-2·s^-1。麦田土壤的呼吸强度分别在16:00和12:00左右最大，约5.2μmol·m^-2·s^-1到5.4μmol·m^-2·s^-1。

Claims (6)

1.全自动多通量箱系统，包括空气压缩机、红外CO₂分析仪、缓冲器、干燥器、过滤器、流量计、气泵、数据采集器和多个通量箱，其特征为所述通量箱侧壁及上盖间装有一气缸，空气压缩机连接一多通阀，该多通阀分出若干支路，支路上设有一电磁阀，每一支路与一通量箱内的气缸连接；每一通量箱由设有一电磁阀的气路管道连接一多通阀，多通阀的总管依次连接缓冲器、干燥器、过滤器、流量计、红外CO₂分析仪、气泵后与另一多通阀的总管连接，该多通阀分出的每一支路连接一通量箱，每一支路上设有一电磁阀，形成循环气路，红外CO₂分析仪与一数据采集器连接，所述系统中和气缸相连，用于控制气缸伸缩的电磁阀，以及通量箱上用于控制循环气路的电磁阀皆通过电路与一逻辑控制器连接。

2.根据权利要求1所述的全自动多通量箱系统，其特征为所述通量箱的个数为18-20个。

3.根据权利要求1或2所述的全自动多通量箱系统，其特征为所述通量箱内还安装有一风扇，该风扇通过电路与逻辑控制器连接。

4.根据权利要求1或2所述的全自动多通量箱系统，其特征为所述通量箱上盖上设有一气管，连通通量箱内外。

5.根据权利要求1或2所述的全自动多通量箱系统，其特征为所述通量箱的上盖上固定有U形加强筋。

6.根据权利要求1或2所述的全自动多通量箱系统，其特征为所述通量箱上盖内侧边缘设有密封圈。

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