專利名稱：土壤二氧化碳通量原位測定方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二氧化碳通量測定方法及裝置，特別涉及土壤二氧化碳通量原位測定方法及裝置。
背景技術(shù)：
土壤二氧化碳通量是陸地碳循環(huán)的主要組成(文獻1Raich，J.W.；Schlesinger，W.S.1992.The global carbon dioxide flux in soil respirationand its relationship to vegetation and climate.Tellus.44D81-99；文獻2.陳泮勤，黃耀，于貴瑞等，2004.地球系統(tǒng)碳循環(huán)，北京科學出版社，12；文獻3周存宇等，2004，鼎湖山森林地表CO2通量及其影響因子的研究，中國科學D輯地球科學，34(增)175-182)它對地球氣候變化的貢獻和影響之大，已經(jīng)受到全世界人們的關(guān)注和重視。準確地進行陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳核算，必須對土壤二氧化碳通量做精確測量(文獻4孫向陽，1999，森林土壤和大氣間的溫室效應(yīng)氣體交換，世界林業(yè)研究，12(2)38-43；文獻5張萬儒，許本彤，1984.森林土壤定位研究方法，北京中國林業(yè)出版社，66-76)。
土壤二氧化碳通量類似土壤呼吸，但是不同于土壤呼吸土壤呼吸是指土壤由于土壤微生物、動物和植物根系新陳代謝放出二氧化碳，吸入氧氣的過程，而土壤二氧化碳通量不限于土壤呼吸，還包含土壤有機質(zhì)分解、碳酸鹽的礦化和沉積所釋放或吸入二氧化碳的量值。影響土壤二氧化碳通量大小的因素比較多除了來源于土壤微生物和動物活動、植物根系新陳代謝及碳酸鹽變化、有機質(zhì)礦質(zhì)化以外，同時受到土壤溫度、濕度、土壤孔隙度、土壤結(jié)構(gòu)、土壤質(zhì)地等土壤物理、化學和生物性質(zhì)以及人類利用方式等環(huán)境條件的影響，因此，土壤二氧化碳通量是土壤與大氣界面以土壤為對象，放出或者進入土壤的二氧化碳氣體的綜合數(shù)量化指標。土壤二氧化碳通量的測定可用于農(nóng)業(yè)土壤、草原土壤、森林土壤、荒漠土、凍原土等陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量測定，這個指標對于陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支核算，對于人類認識和控制全球變化具有現(xiàn)實和深遠的意義。
目前，有關(guān)土壤二氧化碳通量測定的方法有以下幾種
1.微氣象學測定是建立在氣象學基礎(chǔ)上的微型化氣象測定方法，是根據(jù)氣溫、地溫、風向、風速、太陽輻射、降雨量等氣象因子來推算土壤二氧化碳通量，顯然是一種間接的方法，不適用于準確測定土壤中釋放或吸收二氧化碳的通量。
2.箱法測定包括靜態(tài)和動態(tài)兩種方法，箱子有透明和不透明之分，靜態(tài)箱法即用密封的箱子收集土壤或植物呼吸所釋放的二氧化碳，再用注射器采集氣體樣品，拿回到實驗室上氣相色譜測定二氧化碳的濃度，進而推算土壤呼吸強度。該方法的優(yōu)點是結(jié)果穩(wěn)定，重現(xiàn)性良好，缺點是需要配備價格昂貴、保養(yǎng)困難、專業(yè)操作的氣相色譜，同時不直接，需要將樣品從野外拿到實驗室分析不方便。
3.室內(nèi)培養(yǎng)法是一種化學方法，是將采集的土壤樣品和盛有氫氧化鈉的盤一同放入一個密閉的容器里，在實驗室內(nèi)培養(yǎng)，氫氧化鈉吸收土壤釋放的二氧化碳，用稀酸中和過量的氫氧化鈉，然后求出培養(yǎng)期間土壤釋放的二氧化碳的量。這種方法的優(yōu)點是簡單、易行，不需要大型精密的儀器設(shè)備，缺點是不能反映土壤原來的狀況，盡管在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有所改進(專利文獻CN1525166A，CN2605571Y)，還是不便于野外觀測和使用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適于在自然狀況下原位測定土壤二氧化碳通量的土壤二氧化碳通量原位測定方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種適于在自然狀況下原位測定土壤二氧化碳通量的土壤二氧化碳通量原位測定裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種土壤二氧化碳通量原位測定方法，包括以下步驟a、在待測定土壤表層二氧化碳通量的地面上預(yù)先固定底圈，以確定被測區(qū)域；b、在所述底圈上密封安裝開口測量容器；c、用連接開口測量容器的所述二氧化碳分析儀1測量所述開口測量容器內(nèi)的二氧化碳濃度，以得到二氧化碳初始濃度值X1；d、密封所述開口測量容器開口，使其與底圈形成封閉測量空間，以采集土壤在一個持續(xù)時間釋放的二氧化碳濃度；以及
e、用所述二氧化碳分析儀測量土壤在所述持續(xù)時間釋放的二氧化碳濃度，以得到實際測定的二氧化碳濃度值X2。
在所述步驟c和e中，所述二氧化碳分析儀利用紅外線測定土壤的二氧化碳濃度值。
其中，所述的步驟a還包括去除底圈內(nèi)的活植物體，以避免干擾所測定范圍。
其中，在所述步驟b中，所述開口測量容器在密封安裝在所述底圈以前，已經(jīng)用進氣管和排氣管連接所述二氧化碳分析儀；或者所述開口測量容器在密封安裝在所述底圈后，用進氣管和排氣管連接所述二氧化碳分析儀。
在所述步驟d中，用帶有風扇的蓋子密封所述開口測量容器的開口，利用風扇對容器內(nèi)氣體的強迫循環(huán)，使容器內(nèi)的二氧化碳濃度均勻分布。
其中，所述持續(xù)時間為3-5分鐘。
其中，土壤二氧化碳通量F(mg.m-2.h-1)為F＝K×(X2-X1)×H/T其中，H(m)為高度，T(h)為測量持續(xù)時間；X1為二氧化碳初始濃度值；X2實際測量的濃度值；K為換算系數(shù)，通常為1.80。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種土壤二氧化碳通量原位測定裝置，包括底圈，預(yù)先固定在待測定土壤表層二氧化碳通量的地面上，以確定被測區(qū)域；測量時密封安裝在所述底圈上的開口測量容器；在測量容器內(nèi)初始二氧化碳濃度值X1后，密封所述開口測量容器開口的蓋子；以及連接所述開口測量容器的二氧化碳分析儀。
其中，所述二氧化碳分析儀利用紅外線測定土壤的二氧化碳濃度值。
其中，所述開口測量容器在密封安裝在所述底圈之前，預(yù)先用進氣管和排氣管連接所述二氧化碳分析儀，或者所述開口測量容器在密封安裝在所述底圈時，用進氣管和排氣管連接所述二氧化碳分析儀；以及所述蓋子上設(shè)有強迫容器內(nèi)氣體循環(huán)，以便二氧化碳濃度在容器內(nèi)均勻分布的風扇。
本發(fā)明的原理是利用一個密閉的可以移動的箱體，蓋在所選樣地上，根據(jù)紅外線對二氧化碳氣體特殊吸收的物理性質(zhì)，定時測定土壤放出或吸收二氧化碳的量值。在提前放置好的一定面積的底圈上(剪去圈內(nèi)植物)，蓋上帶具有一定體積大小的、具有連接管的密封蓋子，連接管通向CO2紅外線測定儀形成一個閉合回路，定時測量箱體內(nèi)的CO2濃度變化，即可得到單位面積內(nèi)土壤的二氧化碳通量值。
因此與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明除了具有簡單、易操作、省時、花費小的優(yōu)點外，還具有以下優(yōu)點1.在野外測定，而且不干擾土壤結(jié)構(gòu)和狀況，是一種自然狀況下的原位測定，測定更實際、及時。
2.可以多地點、多樣地、重復(fù)測定，利用時間和空間位置的變異，移動箱體和儀器，達到多點測定的目的。
3.測定數(shù)據(jù)可靠、直接、快速紅外線測定二氧化碳氣體的濃度是國家規(guī)定的測定公共場所空氣中二氧化碳濃度的標準測定方法(GB/T18204.24-2000)，是具有仲裁效力的方法，本發(fā)明將其移植到土壤二氧化碳通量的原位測定，理論依據(jù)可靠。由于是原位測定，使得測定結(jié)果更直接和快速。
4.適用范圍廣可以使用本發(fā)明的測定方法和裝置，進行各種土壤類型的測定，無論高山、平地，只要有手掌大小的平地，就可以進行土壤二氧化碳通量的測定。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。
圖1是顯示本發(fā)明的土壤二氧化碳通量原位測定裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是顯示本發(fā)明的土壤二氧化碳通量原位測定裝置的測量容器部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剖面圖。
具體實施例方式
參見圖1和圖2，一般來說，本發(fā)明的土壤二氧化碳通量原位測定裝置包括底圈3，預(yù)先固定在待測定土壤表層二氧化碳通量的地面上，以確定被測區(qū)域；在將要測量土壤二氧化碳濃度時，密封安裝在所述底圈3上的開口測量容器6；在測量容器6內(nèi)初始二氧化碳濃度值(X1)后，密封所述開口測量容器6開口的蓋子7；以及連接所述開口測量容器6的二氧化碳分析儀1。
其中，所述二氧化碳分析儀1利用紅外線測定土壤的二氧化碳濃度值。
其中，所述開口測量容器6在密封安裝在所述底圈3之前，預(yù)先用進氣管2和排氣管8連接所述二氧化碳分析儀1，或者所述開口測量容器6在密封安裝在所述底圈3時，用進氣管2和排氣管8連接所述二氧化碳分析儀1；以及所述蓋子7上設(shè)有強迫容器內(nèi)氣體循環(huán)，以便二氧化碳濃度在容器內(nèi)均勻分布的風扇，這樣就可以快速和準確地測定二氧化碳濃度值。
所述開口測量容器6設(shè)有進氣管頭5和排氣管頭10；所述進氣管頭5連接進氣管2的一端，以及所述排氣管頭10連接排氣管8的一端。
所述排氣管8的另一端連接所述二氧化碳分析儀1的測量端口，所述進氣管2的另一端連接所述二氧化碳分析儀1的氣泵出口。
其中，所述底圈3的兩端開口，其一端插入地表層下。
其中，所述蓋子7通過帶密封條的絲口密封連接所述開口測量容器6，所述密封條最好是橡膠墊片。
在一個具體的實例中，參見圖1和圖2，本發(fā)明的土壤二氧化碳通量測定裝置由儀器部分和測量容器部分組成。
儀器部分是便攜式紅外線分析儀1。本發(fā)明的一個重要特點是，利用紅外線對二氧化碳氣體特殊吸收的物理性質(zhì)來測定土壤的二氧化碳濃度。
測量容器部分包括底圈3，它是土壤和箱體連接的媒介體，需要提前固定到待測量土壤表層；開口測量容器(或大蓋)6，設(shè)有進氣管頭5和排氣管頭10，在測量時密封安裝在底圈3上，以便和底圈3一同限定測量體積；蓋子(或小蓋)7，內(nèi)置微型風扇9，該微型風扇9通過外置電池4供電，蓋子7通過絲口(帶橡膠墊片)密封連接開口測量容器6。
開口測量容器6的進氣管頭5和排氣管頭10分別通過進氣膠管2和排氣膠管8連接便攜式紅外線分析儀1。
本發(fā)明的土壤二氧化碳通量原位測定方法基于圖1和圖2所示的測量裝置，該土壤二氧化碳通量原位測定方法包括以下步驟a、在待測定土壤表層二氧化碳通量的地面上預(yù)先固定底圈(3)，以確定被測區(qū)域；b、在所述底圈3上密封安裝開口測量容器6；c、用連接開口測量容器6的所述二氧化碳分析儀1測量所述開口測量容器6內(nèi)的二氧化碳濃度，以得到二氧化碳初始濃度值(X1)；d、密封所述開口測量容器6開口，使其與底圈(3)形成封閉測量空間，以采集土壤在一個持續(xù)時間釋放的二氧化碳濃度；以及e、用所述二氧化碳分析儀1測量土壤在所述持續(xù)時間釋放的二氧化碳濃度，以得到實際測定的二氧化碳濃度值(X2)。
在所述步驟c和e中，所述二氧化碳分析儀1利用紅外線測定土壤的二氧化碳濃度值。
所述的步驟a還包括去除底圈3內(nèi)的活植物體，以避免干擾所測定范圍。
在所述步驟b中，所述開口測量容器6在密封安裝在所述底圈3以前，已經(jīng)用進氣管2和排氣管8連接所述二氧化碳分析儀1；或者所述開口測量容器6在密封安裝在所述底圈3后，用進氣管2和排氣管8連接所述二氧化碳分析儀1。
在所述步驟d中，用帶有風扇的蓋子7密封所述開口測量容器6的開口，利用風扇對容器內(nèi)氣體的強迫循環(huán)，使容器內(nèi)的二氧化碳濃度均勻分布。
其中，所述持續(xù)時間為3-5分鐘。
本發(fā)明的土壤二氧化碳通量F(mg.m-2.h-1)可以通過下式算出F＝K×(X2-X1)×H/T其中，H(m)為高度，T(h)為測量持續(xù)時間；X1為二氧化碳初始濃度值；X2實際測量的濃度值；K為換算系數(shù)，通常為1.80(25℃，1個標準大氣壓)。
下面描述本發(fā)明的土壤二氧化碳通量原位測定的一個具體過程
預(yù)先(比如提前2小時)把底圈3固定到計劃測定土壤表層二氧化碳通量的地面上，并盡可能避免干擾所測定范圍，去除底圈內(nèi)的活植物體。底圈3的個數(shù)根據(jù)需要而定。測量時，首先用乳膠管將儀器1和開口測量容器(或大蓋)6按照進氣和出氣方向?qū)?yīng)連接起來，把開口測量容器6蓋到底圈3上，用一次性膠帶密封起來，這時，打開儀器1的泵開關(guān)，二氧化碳初始濃度值(X1)即在顯示器上讀出來；然后，盡快將裝有微型風扇和電池的蓋子(小蓋)7擰到開口測量容器(大蓋)6上。立即記錄時間，持續(xù)3-5分鐘時，打開儀器1氣泵開關(guān)，在顯示器上所讀數(shù)值即為該時間二氧化碳的即時濃度值(X2)，此時，第一個樣點的土壤表層二氧化碳通量測量完畢，可以逆組裝順序依次卸下小圈、大圈，移向下一個樣點進行測定。
一般一臺便攜式紅外線分析儀可以在3-4小時內(nèi)測量20-50個樣點。
權(quán)利要求
1.一種土壤二氧化碳通量原位測定方法，包括以下步驟a、在待測定土壤表層二氧化碳通量的地面上預(yù)先固定底圈(3)，以確定被測區(qū)域；b、在所述底圈(3)上密封安裝開口測量容器(6)；c、用連接開口測量容器(6)的所述二氧化碳分析儀(1)測量所述開口測量容器(6)內(nèi)的二氧化碳濃度，以得到二氧化碳初始濃度值X1；d、密封所述開口測量容器(6)開口，使其與底圈(3)形成封閉測量空間，以采集土壤在一個持續(xù)時間釋放的二氧化碳濃度；以及e、用所述二氧化碳分析儀(1)測量土壤在所述持續(xù)時間釋放的二氧化碳濃度，以得到實際測定的二氧化碳濃度值X2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定方法，其中，在所述步驟c和e中，所述二氧化碳分析儀(1)利用紅外線測定土壤的二氧化碳濃度值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定方法，其中，所述的步驟a還包括去除底圈(3)內(nèi)的活植物體，以避免干擾所測定范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定方法，其中，在所述步驟b中，所述開口測量容器(6)在密封安裝在所述底圈(3)以前，已經(jīng)用進氣管(2)和排氣管(8)連接所述二氧化碳分析儀(1)；或者所述開口測量容器(6)在密封安裝在所述底圈(3)后，用進氣管(2)和排氣管(8)連接所述二氧化碳分析儀(1)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定方法，其中，在所述步驟d中，用帶有風扇的蓋子(7)密封所述開口測量容器(6)的開口，利用風扇對容器內(nèi)氣體的強迫循環(huán)，使容器內(nèi)的二氧化碳濃度均勻分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的測定方法，其中所述持續(xù)時間為3-5分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定方法，其中土壤二氧化碳通量F(mg.m-2.h1)為F＝K×(X2-X1)×H/T其中，H(m)為高度，T(h)為測量持續(xù)時間；X1為二氧化碳初始濃度值；X2實際測量的濃度值；K為換算系數(shù)，通常為1.80。
8.一種土壤二氧化碳通量原位測定裝置，包括底圈(3)，預(yù)先固定在待測定土壤表層二氧化碳通量的地面上，以確定被測區(qū)域；在測量時，密封安裝在所述底圈(3)上的開口測量容器(6)；在測量容器(6)內(nèi)初始二氧化碳濃度值(X1)后，密封所述開口測量容器(6)開口的蓋子(7)；以及連接所述開口測量容器(6)的二氧化碳分析儀(1)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測定裝置，其中，所述二氧化碳分析儀(1)利用紅外線測定土壤的二氧化碳濃度值。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測定裝置，其中，所述開口測量容器(6)在密封安裝在所述底圈(3)之前，預(yù)先用進氣管(2)和排氣管(8)連接所述二氧化碳分析儀(1)，或者所述開口測量容器(6)在密封安裝在所述底圈(3)時，用進氣管(2)和排氣管(8)連接所述二氧化碳分析儀(1)；以及所述蓋子(7)上設(shè)有強迫容器內(nèi)氣體循環(huán)，以便二氧化碳濃度在容器內(nèi)均勻分布的風扇。
全文摘要
本發(fā)明公開了土壤二氧化碳通量原位測定方法及裝置。土壤二氧化碳通量原位測定方法包括在待測定土壤表層二氧化碳通量的地面上預(yù)先固定底圈，以確定被測區(qū)域；在所述底圈上密封安裝開口測量容器；用連接開口測量容器的所述二氧化碳分析儀測量所述開口測量容器內(nèi)的二氧化碳濃度，以得到二氧化碳初始濃度值X
文檔編號G01N21/17GK1987421SQ20061016966
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者孫向陽, 高程達 申請人:北京林業(yè)大學, 孫向陽, 高程達