CN203572823U - 一种原位观测湿地碳排放的静态箱系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种原位观测湿地碳排放的静态箱系统，包括底座、箱体和气体采样装置；底座的顶面和底面均为开口,底座的上部还设有环状的第一水槽;底座的外侧壁上设有刻度尺;箱体的顶面封闭，其底面为开口；箱体的底部开口端插接于底座的第一水槽中;在箱体的顶面上设有风扇；箱体的外侧壁上设有刻度尺;在箱体的顶面上还设有通孔；气体采样装置包括采样管、抽气泵和气体收集容器;采样管的一端穿过箱体的通孔伸入箱体的内腔中，其另一端与抽气泵连接；抽气泵将抽出的气体通过气管输送到气体收集容器中。本实用新型具有结构简单、操作容易、密封性好、稳定性好、实用性强、方便可靠的特点，可适合长期原位观测采集湿地碳排放通量情况。
Description
技术领域
本实用新型属于生态环境的湿地温室气体排放通量监测技术领域，具体涉及一种能在湖泊湿地、滩涂湿地、河流湿地等特别是城市人工湿地进行观测碳排放的静态箱系统，能对湿地的碳排放（CH4、CO2等）快速准确采集测量。
背景技术
近年来，湿地生态系统是目前陆地生态系统中仅次于森林的重要碳汇，在全球碳循环发挥着显著影响，并上升到地球气候的高度。在全球气候变化过程中，湿地是最容易受其影响的生态系统之一，它对CH4和CO2等微量温室气体的产生排放起着重要的作用。气候变暖可加速湿地沉积物的分解速率，释放甲烷或二氧化碳等温室气体，加速全球气候变暖，继而又排放出更多的甲烷和二氧化碳至大气中。湿地的碳通量近年来成为全球气候变化研究关注的热点问题。而城市湿地具备娱乐教育社会服务功能、丰富生物多样性和净化水质等生态功能外，在“碳汇”和调节气候上具有非常重要的作用。研究湿地特别是城市湿地的碳排放具有较强的理论价值和现实意义。
湿地中的碳主要存储于土壤和植被中，来自地上和地下的有机物质生产构成了湿地系统碳积累和碳排放的主要来源。从循环过程看，大气中的CO2通过湿地植物的光合作用形成有机碳储存于植物体中成为巨大的“碳汇”，植物地上部分和根死亡后残留在湿地沉积物中形成沉积物有机质，有机质经微生物分解再次以CO2、CH4等形式排放到大气中而成为“碳源”。湿地的碳排放大部分来源于湿地土壤碳通量的排放。
目前，研究湿地碳排放的观测方法主要有涡度相关法、边界层测定法和箱法等方法。涡度相关法是微气象法的一种，主要用来测定碳排放的垂直通量，该方法的优点是响应快，覆盖面积大，能够克服碳排放在小尺度空间上的变异性，但造价高，并对下垫面和大气稳定度要求高，对传感器的灵敏度和响应速度非常苛刻，不适合在野外观测。边界层测定法是根据水体表明和大气的气体浓度差和气体在水-气界面的交换速率计算得到，测定过程非常快速，适合在短时间内完成大样本的采集和碳排放通量日变化的观测。而箱法技术有三种类型：密闭式静态箱、密闭式动态箱和开发式动态箱。开放式动态箱是通过箱入口和出口处气体浓度差来计算待测气体的排放通量，属于准稳态箱；密闭式静态箱和密闭式动态箱主要是根据箱内气体浓度随时间的变化率来计算被罩地面待测气体的排放通量，属于非稳态箱。以上各方面各有优缺点和适用条件，在相同的气象条件下，不同的方法得到的结果可能存在2-18倍的差异。其中，密闭式静态箱法因简单易行，造价便宜，装卸携带方便，目前被广泛用于湿地植被和地表碳排放通量的测定。但也有一定的局限性。比如，长期观测野外湿地恢复过程中植物的碳排放情况时需要同步观测植物的生长高度情况，因湿地水位都会有变化，每次只是用卷尺观测植物生长高度时，导致人为主观因素影响引起的误差，同时测量过程中对植物和水体扰动较大；生长无统一的设计标准，不同设计规格和采样方式可能导致采样和分析结果的偏差；长期（数月或者半年以上）观测时，湿地植物生长较快，箱体高度可能满足不了植物的高度；湿地常含有不同深度的水体，如采用浮箱法，水体扰动、风力、降雨都会造成影响等。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型的目的是为了提供一种原位观测湿地碳排放的静态箱系统，具有结构简单、操作容易、密封性好、稳定性好、实用性强、方便可靠的特点，可适合长期原位观测采集湿地碳排放通量情况。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种原位观测湿地碳排放的静态箱系统，其特征在于：包括底座、箱体和气体采样装置；
1)所述底座的顶面和底面均为开口,所述底座的上部还设有环状的第一水槽;所述底座的外侧壁上设有刻度尺;
2)所述箱体的顶面封闭，其底面为开口；所述箱体的底部开口端插接于所述底座的第一水槽中;在箱体的顶面上设有2-3个风扇；所述箱体的外侧壁上设有刻度尺;在箱体的顶面上还设有一个通孔；
3)所述气体采样装置包括采样管、抽气泵和气体收集容器;所述采样管的一端穿过箱体的顶面上的通孔伸入箱体的内腔中，其另一端与抽气泵连接；所述抽气泵将抽出的气体通过气管输送到气体收集容器中。
实现本实用新型的目的还可以通过采取如下技术方案达到：
实现本实用新型的一种实施方式是：所述箱体包括一个顶箱和一个延长箱；所述延长箱的顶面和底面均为开口,其上部还设有环状的第二水槽；所述顶箱的顶面封闭，其底面为开口；所述顶箱的底部开口端插接于所述延长箱的第二水槽中，延长箱的底部开口端插接于所述底座的第一水槽中。
实现本实用新型的一种实施方式是：所述顶箱和延长箱的外侧壁上都设有刻度尺，所述刻度尺的尺寸单位为mm。刻度尺的设置是为了方便观测水位高度和植物生长高度情况。
实现本实用新型的一种实施方式是：所述的箱体是采用透明有机玻璃板制作的透明结构。质地较硬，能够保障在野外观测时牢固稳定，不受环境因素（如风雨等）的干扰。同时，材质透明能够保证箱体内的植物在正常光照下被观测，能够比较合理地模拟所需的观测的植物的条件。
实现本实用新型的一种实施方式是：所述的气体收集容器为注射器或气样袋。或其他采样器，可根据实际情况选用合适的采样容器。
实现本实用新型的一种实施方式是：所述的底座的底部设有尖端，方便底座插入底泥。
实现本实用新型的一种实施方式是：所述静态箱系统还包括设置于顶箱的内侧壁上的用于检测空气温度和湿度的空气温湿度传感器，所述空气温湿度传感器的导线的一端穿过箱体的顶面上的通孔与外部的温湿度测定仪连接。
实现本实用新型的一种实施方式是：所述空气温湿度传感器与采样管的采样嘴位于同一水平面上。
实现本实用新型的一种实施方式是：所述静态箱系统还包括设置于延长箱的内侧壁上的用于测量土壤温度和湿度的土壤温湿度传感器，所述土壤温湿度传感器的导线的一端穿过箱体的顶面上的通孔与外部的温湿度测定仪连接。
实现本实用新型的一种实施方式是：所述静态箱系统还包括设置于延长箱的内侧壁上的液位计，所述液位计的导线的一端穿过箱体的顶面上的通孔与外部的液位测定仪连接。
本实用新型的有益效果在于：
1、本实用新型的主体结构由采集箱、延长箱、底座组成；为保障观察植物气体排放时整体箱结构的气密性，在各个部件之间设计了水槽，在罩箱期间往水槽内注水，以达到密封作用；三个部分可以根据湿地植物的实际生长状况组合使用，根据所需观测的生态系统的实际情况，可选择性增减延长箱的数量，灵活性较大。采样方便，易于实施。本实用新型还包括气体采集装置、温湿度检测装置和液位检测装置，具有结构简单、操作容易、密封性好、稳定性好、实用性强、方便可靠的特点，可适合长期原位观测采集湿地碳排放通量情况，尽可能减少了人为干扰。
2、本实用新型在底座、延长箱和顶箱侧面设置了尺寸单位为mm的刻度尺，可以十分方便地观测水位高度和植物生长高度情况。
3、本实用新型所述的静态箱系统将温湿检测系统、气体采样装置及液位计等的输出端共用一个通孔，既方便维护管理又避免了漏气。
4、本实用新型的延长箱和底座的水槽可贮存少量水，可以为箱子提供密封作用，同时又不影响箱体内系统的物化性质。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
其中，1、底座;11、第一水槽;2、箱体；20、通孔；21、顶箱；22、延长箱；22-1、第二水槽;3、气体采样装置；31、采样管；32；抽气泵；33、气体收集容器;4、风扇;5、刻度尺；6、空气温湿度传感器;7、温湿度测定仪。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述：
具体实施例：
参照图1，本实施例所述的原位观测湿地碳排放的静态箱系统，包括底座1、箱体2和气体采样装置3；
所述底座1的顶面和底面均为开口,所述底座1的上部还设有环状的第一水槽11;所述底座1的外侧壁上设有刻度尺5;所述的底座1的底部设有尖端，方便底座插入底泥。
所述箱体2的顶面封闭，其底面为开口；所述箱体2的底部开口端插接于所述底座1的第一水槽11中;在箱体2的顶面上设有2个风扇4，风扇由外置电源（如蓄电池）供电；在箱体2的顶面上还设有一个通孔20，孔径不可过大，以防漏气；所述箱体2包括一个顶箱21和一个延长箱22；所述延长箱22的顶面和底面均为开口,其上部还设有环状的第二水槽22-1；所述顶箱21的顶面封闭，其底面为开口；所述顶箱21的底部开口端插接于所述延长箱22的第二水槽22-1中，延长箱22的底部开口端插接于所述底座1的第一水槽11中。所述顶箱21和延长箱22的外侧壁上都设有刻度尺5，所述刻度尺5的尺寸单位为mm。刻度尺的设置是为了方便观测水位高度和植物生长高度情况。
所述的箱体2是采用4mm厚的透明有机玻璃板制作的透明结构；质地较硬，能够保障在野外观测时牢固稳定，不受环境因素（如风雨等）的干扰。同时，材质透明能够保证箱体内的植物在正常光照下被观测，能够比较合理地模拟所需的观测的植物的条件。
优选地，所述箱体2的整体高度为120cm，底面积为50*50cm2。延长箱的是否使用取决于监测对象植物的高度，若植物的高度高于50cm，则需要使用延长箱，否则可以选择不使用。
第一水槽11和第二水槽22-1的外形为正方形，边长55cm,高5cm。每次使用该装置进行罩箱操作之前，需要往第一水槽11和第二水槽22-1内注入一定量的水。鉴于本装置考虑用于监测湿地植物，所以水源可以是湿地内的湖水、沼泽水等。
所述气体采样装置3包括采样管31、抽气泵32和气体收集容器33;所述采样管31的一端穿过箱体2的顶面上的通孔20伸入箱体2的内腔中，其另一端与抽气泵32连接；所述抽气泵32将抽出的气体通过气管输送到气体收集容器33中。所述的气体收集容器33为注射器或气样袋。
所述静态箱系统还包括设置于顶箱21的内侧壁上的用于检测空气温度和湿度的空气温湿度传感器6，所述空气温湿度传感器的导线的一端穿过箱体2的顶面上的通孔20与外部的温湿度测定仪7连接。所述空气温湿度传感器6与采样管31的采样嘴位于同一水平面上。所述静态箱系统还包括设置于延长箱22的内侧壁上的用于测量土壤温度和湿度的土壤温湿度传感器，所述土壤温湿度传感器的导线的一端穿过箱体2的顶面上的通孔20与外部的温湿度测定仪连接。所述静态箱系统还包括设置于延长箱22的内侧壁上的液位计，所述液位计的导线的一端穿过箱体2的顶面上的通孔20与外部的液位测定仪连接。
由于底座长期在外日晒雨淋,水槽容易积水难排出,容易发臭或滋生蚊子,因此可以有如下改进：底座上的水槽底部开设有排水小孔,小孔附接上带开关阀门需要排水时打开阀门即可。
本实用新型的工作原理：
正式采集样品前1～2周，选择好监测用的样方并且固定好底座。正式采样时，往第一水槽和第二水槽中注入适量湿地水，接通顶箱的风扇的电源，使空气流通，然后将延长箱放入装有水的第一水槽中，将顶箱放入装有水的第二水槽中，使顶箱的底部开口四周淹没在水中，隔绝顶箱中空气与外界空气的交换，同时用透明胶密封顶箱顶端采样管所在的通孔。在所有密闭工作完成后，开始用抽气泵通过采样管采样气体，同时通过空气温湿度传感器检测箱内中的温度、湿度，通过土壤温湿度传感器检测土壤中的温度、湿度，通过液位计检测液位高度。然后每隔一段时间采集一次样品，获得所需的若干个样品。样品采集完毕后，将顶箱（或延长箱）向上提起，转移至空气流通的地方，侧放在地面或者平面上。
根据碳排放通量的定义，即单位时间内通过单位面积的物质的量，为
经过代入转化，以装置中碳排放浓度的增加率来计算湿地碳排放通量，计算公式为：
式中F为气体交换通量，ρ为气体标况密度(mg/mL)（CH4为0.77mg/mL、CO2为1.963mg/mL、N2O的为1.964mg/mL），H为采样箱高度，单位为m，P为采样点的气压，单位为kPa，P0和T0分别为标准状态下的大气压和空气绝对温度，即为101.325kPa和273.15K，T为采样时该点的温度。△C/△t为气体质量浓度随时间的变化率。交换量为正值时表示系统向大气排放气体，为负值时表示系统从大气吸收气体。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种原位观测湿地碳排放的静态箱系统，其特征在于：包括底座、箱体和气体采样装置；
1)所述底座的顶面和底面均为开口,所述底座的上部还设有环状的第一水槽;所述底座的外侧壁上设有刻度尺;
2)所述箱体的顶面封闭，其底面为开口；所述箱体的底部开口端插接于所述底座的第一水槽中;在箱体的顶面上设有2-3个风扇；所述箱体的外侧壁上设有刻度尺;在箱体的顶面上还设有一个通孔；
3)所述气体采样装置包括采样管、抽气泵和气体收集容器;所述采样管的一端穿过箱体的顶面上的通孔伸入箱体的内腔中，其另一端与抽气泵连接；所述抽气泵将抽出的气体通过气管输送到气体收集容器中。
2.根据权利要求1所述的原位观测湿地碳排放的静态箱系统，其特征在于：所述箱体包括一个顶箱和一个延长箱；所述延长箱的顶面和底面均为开口,其上部还设有环状的第二水槽；所述顶箱的顶面封闭，其底面为开口；所述顶箱的底部开口端插接于所述延长箱的第二水槽中，延长箱的底部开口端插接于所述底座的第一水槽中。
3.根据权利要求2所述的原位观测湿地碳排放的静态箱系统，其特征在于：所述顶箱和延长箱的外侧壁上都设有刻度尺，所述刻度尺的尺寸单位为mm。
4.根据权利要求2所述的原位观测湿地碳排放的静态箱系统，其特征在于：所述的箱体是采用透明有机玻璃板制作的透明结构。
5.根据权利要求2所述的原位观测湿地碳排放的静态箱系统，其特征在于：所述的气体收集容器为注射器或气样袋。
6.根据权利要求2所述的原位观测湿地碳排放的静态箱系统，其特征在于：所述的底座的底部设有尖端。
7.根据权利要求2所述的原位观测湿地碳排放的静态箱系统，其特征在于：所述静态箱系统还包括设置于顶箱的内侧壁上的用于检测空气温度和湿度的空气温湿度传感器，所述空气温湿度传感器的导线的一端穿过箱体的顶面上的通孔与外部的温湿度测定仪连接。
8.根据权利要求7所述的原位观测湿地碳排放的静态箱系统，其特征在于：所述空气温湿度传感器与采样管的采样嘴位于同一水平面上。
9.根据权利要求2所述的原位观测湿地碳排放的静态箱系统，其特征在于：所述静态箱系统还包括设置于延长箱的内侧壁上的用于测量土壤温度和湿度的土壤温湿度传感器，所述土壤温湿度传感器的导线的一端穿过箱体的顶面上的通孔与外部的温湿度测定仪连接。
10.根据权利要求2所述的原位观测湿地碳排放的静态箱系统，其特征在于：所述静态箱系统还包括设置于延长箱的内侧壁上的液位计，所述液位计的导线的一端穿过箱体的顶面上的通孔与外部的液位测定仪连接。
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