原位测量土壤温室气体排放速率的系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种原位测量土壤温室气体排放速率的系统及其方法。该系统具有密闭腔体和检测部件，还具有腔体内外连通部件；所述腔体内外连通部件包括细管和位于细管内的液滴、一端与细管连通的针孔部件；所述检测部件包括压强、温度、氧气、二氧化碳和甲烷传感器，5种传感器与密闭腔体外的数据采集电脑连接，数据采集电脑还连接有视觉传感器，所述视觉传感器对应液滴设置。通过本系统的连通部件可实现腔体内外压强一致，从而获取更为精确的土壤气体排放测量和计算数值。本发明专利技术还提供了一种土壤温室气体排放速率的测量和计算方法。

System and method for in situ measurement of greenhouse gas emission rate of soil

The present invention discloses a system and method for in situ measurement of greenhouse gas emission rate of soil. The system has a sealed cavity and a detection part, is connected inside and outside the cavity parts; the cavity inside and outside connected components including capillary droplet, and is located in the end and the tube hole communicated with parts tubule; the detection components include pressure, temperature, oxygen, carbon dioxide and methane sensor, data acquisition computer of 5 kinds of sensors and closed cavity connection, data acquisition computer is also connected with a vision sensor, the vision sensor corresponding droplet settings. Through the connected components of the system, the pressure inside and outside the chamber can be consistent, so as to obtain more accurate measurement and calculation value of soil gas emission. The present invention also provides a method for measuring and calculating the greenhouse gas emission rate of the soil.

【技术实现步骤摘要】
原位测量土壤温室气体排放速率的系统及其方法
本专利技术涉及一种土壤温室气体排放速率的技术，具体涉及一种在原位状态下测量土壤释放的温室气体的速率的技术，属于温室气体排放

技术介绍
现有测量土壤温室气体释放速率的主流方法是：从野外抽取一定量气体，并带回实验室，利用气相的方式对相关浓度进行测定，因而其操作过程较为复杂，且花费较大。同时，该方法，无法实时获取土壤呼吸速率、土壤硝化反应、土壤反硝化反应、甲烷气体排放等参数。而目前基于气体理想状态方程获取相关速率的方法，需要将待测土壤密闭，由于在该类方法中，密闭空间体积不变，因而当密闭腔体内的土壤发生相关化学反应放出气体或吸收气体时，密闭腔体内的压强将发生变化，同时由于腔体外部压强受到大气环境中相关参数变化影响也发生相关变化。但是由于腔体体积一定，因而，在测量过程中，内外压强会出现不一致的情况。因此，过去的方法测量的土壤相关速率还存在压强参数与外界不一致的问题。同时，过去的方法并未考虑土壤在某些条件下会释放甲烷气体的事实，因而没有测量甲烷气体的排放速率。而事实上，有些土壤单位时间内释放甲烷气体的量要高于氮氧化物的释放量。因此，土壤释放温室气体速率的测定必须要考虑甲烷气体的排放。同时，因为没有考虑释放甲烷气体，因而也造成以前的方法对土壤硝化、反硝化、土壤呼吸等过程的速率的测定的误差较大。因此亟需开发一种对土壤化学反应过程考虑全面的温室气体释放速率的计算方法。
技术实现思路
针对现有温室气体释放速率的测量装置和计算方法存在的排放气体类型测定不全面和测定速率不精确的问题，本专利技术提供了一种原位测量土壤温室气体排放速率的系统及其方法。本系统可以保持在测量土壤释放相关气体过程中，其测量温度、压强参数与外部环境一致。因而，本系统可以为土壤呼吸、硝化、反硝化等速率的测量提供与外部环境更为准确、一致的测量环境；同时，本系统可以实现对土壤释放的多种温室气体排放速率的测定，包括二氧化碳、甲烷、氮氧化物的排放速率测定。从而系统地增加土壤释放气体相关过程速率测量的准确性。因而，本系统可以获取更为精确的测量数值。本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：一种原位测量土壤温室气体排放速率的系统，具有密闭腔体和检测部件，其特征在于：还具有腔体内外连通部件；所述密闭腔体包括密闭安装在一起的腔体上盖和腔体下盖，在密闭腔体上嵌入式安装有密闭塞；所述腔体内外连通部件包括细管和位于细管内的液滴、一端与细管连通的针孔部件，所述针孔部件另一端穿过密闭塞延伸入密闭腔体内将细管与密闭腔体连通；所述检测部件包括压强传感器、温度传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器和甲烷传感器，所述5种传感器设置于密闭腔体内，并与密闭腔体外的数据采集电脑连接，数据采集电脑还连接有视觉传感器，所述视觉传感器用于实时获取细管中液滴的位置，并传递给数据采集电脑。作为优选，所述细管与针孔部件为一体式结构。作为优选，所述细管与针孔部件为分体式结构。作为优选，所述密闭塞采用橡胶材料制成。作为优选，所述细管为透明管。作为优选，所述液滴为不具有挥发性，不易吸收二氧化碳、甲烷、氮氧化合物、氧气等空气中气体成分，且带有颜色的液滴，以方便观察其在细管内的位置。本专利技术还提供一种原位测量土壤温室气体排放速率的方法，包括以下步骤：(1)计算密闭腔体中气体所占体积：采用上述的原位测量土壤温室气体排放速率的系统，将待测土壤盛放于腔体下盖内，密闭腔体上盖与腔体下盖形成密闭腔体，在未安装腔体内外连通部件的情况下，记录密闭腔体内的压强、温度数值；然后用抽气针筒快速抽取出气体Lml，再次记录此时的压强、温度数据，记录完数据后，将抽气针筒的气体推入密闭腔体内，并拔出抽气针筒，根据理想气体状态方程PV＝NRT，通过抽气前后的压强、温度和体积数据，可计算得到密闭腔体中气体所占体积；(2)获得密闭系统的气体体积：拔出抽气针筒后，将液滴、细管和针孔部件组成的腔体内外连通部件通过针孔部件穿透密闭塞的方式安装在密闭腔体上，形成连通的密闭系统；细管为透明管，可以通过液滴的位置变化获取细管内被液滴密闭部分的细管中的气体体积；针孔部件体积一定；根据液滴位置到细管内端之间的细管内气体的体积与针孔部件中的气体体积和步骤(1)所得到的密闭腔体内的气体体积之和得到液滴所密闭的整个腔体的气体体积；(3)通过传感器读取某一时刻的压强、温度、二氧化碳浓度、氧气浓度、甲烷浓度参数；(4)土壤温室气体排放速率计算：单位时间内，土壤呼吸反应中产生的CO2的量：单位时间内，硝化反应中消耗的O2的量：单位时间内，反硝化反应中产生的NxOy的量：单位时间内，土壤中甲烷气体的排放量为：式中：t1表示t1时刻的时间；t2表示t2时刻的时间；x表示单位时间内土壤呼吸反应中产生的CO2的量，单位为mol；y表示单位时间内土壤硝化反应中消耗的O2的量，单位为mol；z表示单位时间内土壤反硝化反应中产生的NxOy的量，单位为mol；w表示单位时间内土壤释放CH4气体的量，单位为mol；表示在t1时刻到t2时刻的时间内密闭系统中CO2变化的量，单位为mol；表示在t1时刻到t2时刻的时间内O2变化的量，单位为mol；表示在t1时刻到t2时刻的时间内CH4变化的量，单位为mol；表示t1时刻密闭系统内气体摩尔总量，单位为mol，通过理想气体状态方程可计算：其中，R为常数，分别为t1时刻密闭系统内的压强、气体体积和温度；为t2时刻密闭系统内气体摩尔总量，单位为mol，通过理想气体状态方程可计算：其中，R为常数，分别为t2时刻密闭系统内的压强、气体体积和温度。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：在测量土壤释放相关气体过程中，可以保持测量温度、压强参数与外部环境一致。因而，本系统可以为土壤呼吸、硝化、反硝化、甲烷气体排放等速率的测量提供与外部环境更为准确、一致的测量环境；同时，本系统可以实现对土壤释放的多种温室气体排放速率的测定，包括二氧化碳、甲烷、氮氧化物的排放速率测定，从而系统地增加土壤释放气体相关过程速率测量的准确性。因而，本系统可以获取更为精确的测量数值。在计算土壤释放的多种温室气体排放速率时，由于系统全面地考虑到了土壤中各种气体的排放情况，因此对二氧化碳、甲烷、氮氧化物的排放速率的计算结果也更加准确，对于土壤温室气体排放数据的统计更具有参考价值。附图说明图1是原位测量土壤温室气体排放速率的系统的结构示意图(安装了液滴和细管的结构示意图)。图2是原位测量土壤温室气体排放速率的系统使用抽气针管的结构示意图。附图中的数字标记分别是：1液滴，2细管，3压强传感器，4温度传感器，5氧气传感器，6二氧化碳传感器，7甲烷传感器，8土壤，9数据线，10数据采集电脑，11腔体上盖，12腔体下盖，13密闭塞，14视觉传感器，15图像数据线，16针孔部件，17抽气针筒。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本专利技术作进一步的说明。如图1和图2所示，一种原位测量土壤温室气体排放速率的系统，包括以下部件：(1)密闭腔体：包括腔体上盖11和腔体下盖12，腔体上盖11下缘涂抹胶泥，以压紧密闭的方式将腔体下盖12包裹其中，形成密闭腔体；在腔体上盖11上嵌入式安装有密闭塞13；(2)腔体内外连通部件：包括细管2和位于细管2内的液滴1、针孔部件16，针孔部件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原位测量土壤温室气体排放速率的系统，具有密闭腔体和检测部件，其特征在于：还具有腔体内外连通部件；所述密闭腔体包括密闭安装在一起的腔体上盖(11)和腔体下盖(12)，在密闭腔体上嵌入式安装有密闭塞(13)；所述腔体内外连通部件包括细管(2)和位于细管内的液滴(1)、一端与细管连通的针孔部件(16)，所述针孔部件另一端穿过密闭塞延伸入密闭腔体内将细管与密闭腔体连通；所述检测部件包括压强传感器(3)、温度传感器(4)、氧气传感器(5)、二氧化碳传感器(6)和甲烷传感器(7)，所述5种传感器设置于密闭腔体内，并与密闭腔体外的数据采集电脑(10)连接，数据采集电脑还连接有视觉传感器(14)，所述视觉传感器用于实时获取细管中液滴的位置图像，并传递给数据采集电脑。

【技术特征摘要】
1.一种原位测量土壤温室气体排放速率的系统，具有密闭腔体和检测部件，其特征在于：还具有腔体内外连通部件；所述密闭腔体包括密闭安装在一起的腔体上盖(11)和腔体下盖(12)，在密闭腔体上嵌入式安装有密闭塞(13)；所述腔体内外连通部件包括细管(2)和位于细管内的液滴(1)、一端与细管连通的针孔部件(16)，所述针孔部件另一端穿过密闭塞延伸入密闭腔体内将细管与密闭腔体连通；所述检测部件包括压强传感器(3)、温度传感器(4)、氧气传感器(5)、二氧化碳传感器(6)和甲烷传感器(7)，所述5种传感器设置于密闭腔体内，并与密闭腔体外的数据采集电脑(10)连接，数据采集电脑还连接有视觉传感器(14)，所述视觉传感器用于实时获取细管中液滴的位置图像，并传递给数据采集电脑。2.根据权利要求1所述的原位测量土壤温室气体排放速率的系统，其特征在于：所述细管(2)与针孔部件(16)为一体式结构。3.根据权利要求1所述的原位测量土壤温室气体排放速率的系统，其特征在于：所述细管(2)与针孔部件(16)为分体式结构。4.根据权利要求1所述的原位测量土壤温室气体排放速率的系统，其特征在于：所述密闭塞(13)采用橡胶材料制成。5.根据权利要求1所述的原位测量土壤温室气体排放速率的系统，其特征在于：所述细管(2)为透明管。6.根据权利要求1所述的原位测量土壤温室气体排放速率的系统，其特征在于：所述液滴(1)为不具有挥发性，不易吸收二氧化碳、甲烷、氮氧化合物、氧气等空气中气体成分，且带有颜色的液滴。7.一种原位测量土壤温室气体排放速率的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)计算密闭腔体中气体所占体积：采用权利要求1至6任一项所述的原位测量土壤温室气体排放速率的系统，将待测土壤(8)盛放于腔体下盖(12)内，密闭腔体上盖(11)与腔体下盖(12)形成密闭腔体，在未安装腔体内外连通部件的情况下，记录密闭腔体内的压强、温度数值；然后用抽气针筒(17)快速抽取出气体Lml，再次记录此时的压强、温度数据，根据理想气体状态方...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋海波，杜忠，颜忠峰，高巧，
申请(专利权)人：中国科学院成都生物研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51