專(zhuān)利名稱(chēng)：一種不同深度土壤的溫室氣體采集裝置和原位觀(guān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不同深度土壤的溫室氣體采集裝置和原位觀(guān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
全球環(huán)境變化，特別是氣候變暖已引起全世界的廣泛關(guān)注。C02 、CH4和N2O是主要的溫室氣體，大氣中C02、CH4和N2O除來(lái)自人類(lèi)活動(dòng)排放外，陸地生態(tài)系統(tǒng)也是重要的排放源。關(guān)于溫室氣體排放的監(jiān)測(cè)主要集中在植物生長(zhǎng)季，多采用靜態(tài)箱法采集溫室氣體，所采集的氣體是植被及地表氣體的釋放。這種采集氣體的方法沒(méi)有區(qū)分土壤不同深度處溫室氣體的產(chǎn)生和排放特征。因此，研制一套適用于不同土壤深度的溫室氣體采集的裝置和采集方法，觀(guān)測(cè)溫室氣體排放特征及其與土壤性質(zhì)的關(guān)系，對(duì)控制和調(diào)節(jié)溫室氣體具有重要意義，也對(duì)全面認(rèn)識(shí)溫室氣體的排放通量和影響機(jī)理至關(guān)重要。(參考文獻(xiàn)①Dong YS，Zhang S，Qi Y C，et al. Fluxes of CO2, N2O and CH4 from a typical temperategrassland in Inner Mongolia and its daily variation [J]. Chinese ScienceBulletin, 2000，45(17) : 1590-1594.②宋長(zhǎng)春，張麗華，王毅勇，等.淡水沼澤濕地CO2XH4和N2O排放通量年際變化及其對(duì)氮輸入的響應(yīng)[J].環(huán)境科學(xué)，2006，27(12):2369-2375.)。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決已有技術(shù)存在的僅能夠采集植被及土壤表面溫室氣體的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種不同深度土壤的溫室氣體采集裝置和原位觀(guān)測(cè)方法。該方法適用于生長(zhǎng)季水分不飽和土壤以及非生長(zhǎng)季水分飽和土壤不同深度的溫室氣體的采集與觀(guān)測(cè)。一種不同深度的土壤溫室氣體排放采集裝置，其包括2個(gè)以上的采集器，每個(gè)采集器的圓儲(chǔ)氣管的長(zhǎng)度不同，長(zhǎng)度依據(jù)采集氣體的土壤深度確定；
采集器的構(gòu)成如下圓儲(chǔ)氣管，接口管箍通過(guò)螺紋把頂蓋與圓儲(chǔ)氣管的上端密閉連接；導(dǎo)管穿過(guò)頂蓋并與頂蓋密封，風(fēng)扇固定在導(dǎo)管的一端并置于圓儲(chǔ)氣管內(nèi)前取氣管進(jìn)口的下部，電線(xiàn)穿過(guò)導(dǎo)管與風(fēng)扇連接，用蓄電池通過(guò)風(fēng)扇電線(xiàn)向風(fēng)扇16供電，導(dǎo)管上端連同電線(xiàn)密封；上端開(kāi)口的溫度測(cè)量管穿過(guò)頂蓋并與頂蓋密封，該溫度測(cè)量管內(nèi)置入溫度計(jì)，測(cè)量圓儲(chǔ)氣管內(nèi)的溫度；
前取氣管18穿過(guò)頂蓋并與頂蓋密封，并且，前取氣管進(jìn)口深入到圓儲(chǔ)氣管的中上部；前取氣管的另一端與后取氣管密閉連接；前取氣管與后取氣管連接的一端裝有截止閥，該截止閥可以打開(kāi)或關(guān)閉前取氣管；后取氣管的出氣端與負(fù)壓?jiǎn)蜗蜷y連接；三通管的三個(gè)端口分別與負(fù)壓?jiǎn)蜗蜷y出氣口、氣泵進(jìn)出氣共用口和正壓?jiǎn)蜗蜷y進(jìn)氣口密閉連接相通；正壓?jiǎn)蜗蜷y進(jìn)口安裝氣體流量計(jì)，真空鋁塑復(fù)合氣袋與正壓?jiǎn)蜗蜷y出氣口密閉連通；圓儲(chǔ)氣管的下部有多個(gè)集氣孔，集氣孔的外面纏繞尼龍紗網(wǎng)；圓儲(chǔ)氣管的下端通過(guò)螺紋與錐形管密閉連接；錐形管可以使圓儲(chǔ)氣管順暢的進(jìn)入土壤中。本發(fā)明提供的一種不同深度土壤的溫室氣體排放采集裝置的原位觀(guān)測(cè)的方法，其步驟如下
(1)依據(jù)采集氣體的土壤深度，用與圓儲(chǔ)氣管直徑相同的金屬管打孔，然后將多個(gè)圓儲(chǔ)氣管長(zhǎng)度不同的采集器分別安插到待測(cè)土壤的相應(yīng)位置，圓儲(chǔ)氣管的管壁四周用土封嚴(yán)；
(2)打開(kāi)電源，用蓄電池向風(fēng)扇供電，開(kāi)啟截止閥，使土壤溫室氣體排放采集裝置的風(fēng)扇處于工作狀態(tài)；運(yùn)行10 min后開(kāi)始采集氣體；
(3)采集氣體樣時(shí),在30min時(shí)段內(nèi)，分別于O min、10 min、20 min和30 min，分別進(jìn)行以下操作啟動(dòng)氣泵，負(fù)壓?jiǎn)蜗蜷y開(kāi)啟，氣泵運(yùn)行I分鐘，把截止閥至的氣體，通過(guò)氣泵的排氣閥排放；關(guān)閉氣泵的排氣閥，通過(guò)氣泵使得取氣管，以及三通管內(nèi)充滿(mǎn)圓儲(chǔ)氣管內(nèi)的氣體，并使內(nèi)壓力為正壓，負(fù)壓?jiǎn)蜗蜷y關(guān)閉，正壓?jiǎn)蜗蜷y開(kāi)啟，如此反復(fù)，通過(guò)氣泵向真空鋁塑復(fù)合氣袋注入氣體200 mL ;注入氣體量由正壓?jiǎn)蜗蜷y進(jìn)口的流量計(jì)確定；氣體樣品密封儲(chǔ)存，立即帶回實(shí)驗(yàn)室，用島津GC-14A氣相色譜儀測(cè)定，結(jié)果在顯示器上顯示或打?。?br>
(4)采樣頻次為每月2次以上；
(5)同步通過(guò)置入上端開(kāi)口的溫度測(cè)量管內(nèi)的溫度計(jì)測(cè)量圓儲(chǔ)氣管內(nèi)的溫度；還通過(guò)溫度計(jì)測(cè)量環(huán)境氣溫和土壤溫度。有益效果1.本發(fā)明提供的不同深度的土壤溫室氣體排放采集裝置，包括2個(gè)以上的圓儲(chǔ)氣管長(zhǎng)度不同的氣體采集器。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，適用于水分不飽和土壤和非生長(zhǎng)季水分飽和土壤不同深度處溫室氣體的采集，并且能夠連續(xù)采集C02、N20和CH4等氣體。2.本發(fā)明提供的不同深度土壤的溫室氣體排放采集裝置的環(huán)境擾動(dòng)小，降低了氣體采集過(guò)程中的影響因素，操作簡(jiǎn)單，采集的氣體更具有單位面積排放強(qiáng)度的代表性。3.可連續(xù)多年對(duì)土壤溫室氣體排放進(jìn)行觀(guān)測(cè)；并可觀(guān)測(cè)凍結(jié)過(guò)程中溫室氣體累積并通過(guò)土壤融化過(guò)程的排放狀況?？蓮V泛應(yīng)用于各種土壤不同深度的溫室氣體排放的觀(guān)測(cè)和研究。
圖I是土壤溫室氣體采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖的主視圖。圖2是土壤溫室氣體采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖的俯視圖。圖3是不同深度土壤溫室氣體采集裝置布設(shè)示意圖。圖4是濕地不同深度土壤的溫室氣體CH4的排放特征曲線(xiàn)圖。圖5是濕地不同深度土壤的溫室氣體N2O的排放特征曲線(xiàn)圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I 如圖1、2所示，一種不同深度的土壤溫室氣體排放采集裝置，其包括2個(gè)以上的采集器，每個(gè)采集器的圓儲(chǔ)氣管12的長(zhǎng)度不同，長(zhǎng)度依據(jù)采集氣體的土壤深度確定；采集器的構(gòu)成如下一個(gè)圓儲(chǔ)氣管12，圓儲(chǔ)氣管12的長(zhǎng)度依據(jù)采集氣體的土壤深度確定；接口管箍11通過(guò)螺紋把頂蓋10與圓儲(chǔ)氣管12的上端密閉連接；導(dǎo)管19穿過(guò)頂蓋10并與頂蓋10密封，風(fēng)扇16固定在導(dǎo)管19的下端并置于圓儲(chǔ)氣管12內(nèi)的前取氣管18進(jìn)口17的下部，電線(xiàn)9穿過(guò)導(dǎo)管19與風(fēng)扇16連接,用蓄電池通過(guò)風(fēng)扇電線(xiàn)9向風(fēng)扇16供電；導(dǎo)管19上端連同電線(xiàn)9密封；上端開(kāi)口的溫度測(cè)量管20穿過(guò)頂蓋10并與頂蓋10密封，該溫度測(cè)量管內(nèi)置入溫度計(jì)；該溫度測(cè)量管內(nèi)可以置入溫度計(jì)測(cè)量圓儲(chǔ)氣管12內(nèi)的溫度；
前取氣管18穿過(guò)頂蓋10并與頂蓋10密封，并且前取氣管18進(jìn)口 17深入到圓儲(chǔ)氣管12的中上部；前取氣管18的另一端與后取氣管7密閉連接；前取氣管18與后取氣管7連接的一端裝有截止閥8，該截止閥8可以打開(kāi)或關(guān)閉前取氣管18 ;后取氣管7的出氣端與負(fù)壓?jiǎn)蜗蜷y6連接，三通管2的三個(gè)端口分別與負(fù)壓?jiǎn)蜗蜷y6出氣口、氣泵I進(jìn)出氣共用口和正壓?jiǎn)蜗蜷y4進(jìn)氣口密閉連接相通，正壓?jiǎn)蜗蜷y4進(jìn)口安裝氣體流量計(jì)3，500 mL真空鋁塑復(fù)合氣袋5與正壓?jiǎn)蜗蜷y4出氣口密閉連通；
圓儲(chǔ)氣管12的下部有多個(gè)集氣孔13，集氣孔13的外面纏繞尼龍紗網(wǎng)14 ;圓儲(chǔ)氣管12的下端通過(guò)螺紋與錐形管15密閉連接；錐形管15可以使圓儲(chǔ)氣管12順暢的進(jìn)入土壤中。
本實(shí)施例一共采用6個(gè)土壤溫室氣體排放采集裝置，其中圓儲(chǔ)氣管12的長(zhǎng)度分別為 40 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm 和150 cm ;圓儲(chǔ)氣管 12 米用內(nèi)直徑 10. 0 cm,管壁厚O. 32 mm的聚氯乙烯(PVC)管；前取氣管18為直徑為8.0 mm，管壁厚O. 16 mm的聚氯乙烯(PVC)管，長(zhǎng)度依據(jù)采樣深度確定；后取氣管7為與前取氣管管徑相同的橡膠軟管；導(dǎo)管19為直徑8. O mm，管壁厚O. 16 mm的聚氯乙烯(PVC)管，長(zhǎng)度依據(jù)采樣深度確定；溫度測(cè)量管20的管徑與水銀溫度計(jì)的直徑相一致，以便于密封。集氣孔13共布設(shè)40個(gè)，集氣孔13的孔徑為5. O mm，均勻布設(shè)在圓儲(chǔ)氣管12的下部；尼龍紗網(wǎng)14的網(wǎng)眼是O. 5 mmX0.5 mm ;地面上的露出的圓儲(chǔ)氣管12的管段長(zhǎng)度均為30 cm。利用上述本發(fā)明提供的不同深度土壤的溫室氣體排放采集裝置，于2006年10月至2007年5月在黑龍江省三江平原小葉章苔草濕地進(jìn)行了不同深度土壤的溫室氣體排放的觀(guān)測(cè)。一種不同深度土壤的溫室氣體排放采集裝置的原位觀(guān)測(cè)方法，其步驟如下
(1)依據(jù)三江平原沼澤濕地土壤凍深，如圖3所示，依據(jù)植物及表層土壤22、凍層或中層土壤23、未凍層或下層土壤24,設(shè)定監(jiān)測(cè)凍層深10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm和120cm 土壤的溫室氣體排放狀況，土壤未凍結(jié)之前，在選定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，采用下述的方法進(jìn)行布設(shè)與觀(guān)測(cè)
依據(jù)采集氣體的土壤深度，用與圓儲(chǔ)氣管12直徑相同的金屬管打孔，然后將6個(gè)圓儲(chǔ)氣管12長(zhǎng)度不同的采集器分別安插到待測(cè)土壤的相應(yīng)位置，圓儲(chǔ)氣管12的管壁四周用土封嚴(yán)；
(2)打開(kāi)電源,用12V蓄電池向風(fēng)扇供電,開(kāi)啟截止閥8,使土壤的溫室氣體排放米集裝置的風(fēng)扇處于工作狀態(tài)；運(yùn)行10 min后開(kāi)始采集氣體；
(3)采集氣體樣時(shí),在30min時(shí)段內(nèi)，分別于O min、10 min、20 min和30 min，分別進(jìn)行以下操作啟動(dòng)氣泵1，負(fù)壓?jiǎn)蜗蜷y6開(kāi)啟，氣泵I運(yùn)行I分鐘，把截止閥8至的氣體，通過(guò)氣泵I的排氣閥排放；關(guān)閉氣泵I的排氣閥，通過(guò)氣泵I使得取氣管7，以及三通管2內(nèi)充滿(mǎn)圓儲(chǔ)氣管12內(nèi)的氣體，并使內(nèi)壓力為正壓，負(fù)壓?jiǎn)蜗蜷y6關(guān)閉，正壓?jiǎn)蜗蜷y4開(kāi)啟，如此反復(fù)，通過(guò)氣泵I向500 m L真空鋁塑復(fù)合氣袋5注入氣體200 mL ;注入氣體量由正壓?jiǎn)蜗蜷y4進(jìn)口的流量計(jì)3確定；氣體樣品密封儲(chǔ)存，立即帶回實(shí)驗(yàn)室，用島津GC-14A氣相色譜儀測(cè)定，結(jié)果在顯示器上顯示或打?。?br>
(4)采樣頻次為每月2次以上；
(5)同步通過(guò)置入上端開(kāi)口的溫度測(cè)量管20內(nèi)的溫度計(jì)測(cè)量圓儲(chǔ)氣管12內(nèi)的溫度；還通過(guò)溫度計(jì)測(cè)量環(huán)境氣溫和土壤溫度。
采集期間結(jié)果=CH4氣體表現(xiàn)為排放濃度較高；在土壤20 cm深處出現(xiàn)低值，其體積濃度為1045 - 1560 ppb ;然后逐漸增大,最高值出現(xiàn)在土壤80 cm深度,其體積濃度為2040 - 2145 ppb ；80 cm深度以下的濃度變化比較平穩(wěn)。與CH4相比，N2O氣體濃度的變化趨勢(shì)相反，具體表現(xiàn)為N2O氣體濃度較低；土壤20cm - 40 cm深度處濃度最高,其體積濃度為350 - 1220 ppb,采集初期濃度較低；80 cm以下深度處氣體濃度變化趨于平穩(wěn)。檢測(cè)結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4是濕地不同深度土壤的溫室氣體CH4的排放特征曲線(xiàn)圖；圖5是濕地不同深度土壤的溫室氣體N2O的排放特征曲線(xiàn)圖。圖3是不同深度土壤的溫室氣體排放采集裝置布設(shè)示意圖。其中，21是土壤溫室氣體采集裝置地上露出部分，
22是植物及表層土壤，23是凍層或中層土壤，24是未凍層或下層土壤。
權(quán)利要求
1.一種不同深度的土壤溫室氣體排放采集裝置，其特征在于，其包括2個(gè)以上的采集器，每個(gè)采集器的圓儲(chǔ)氣管12的長(zhǎng)度不同，長(zhǎng)度依據(jù)采集氣體的土壤深度確定；采集器的構(gòu)成如下圓儲(chǔ)氣管(12)，接口管箍(11)通過(guò)螺紋把頂蓋(10)與圓儲(chǔ)氣管(12)的上端密閉連接；導(dǎo)管(19)穿過(guò)頂蓋(10)并與頂蓋(10)密封，風(fēng)扇(16)固定在導(dǎo)管(19)的一端并置于圓儲(chǔ)氣管(12)內(nèi)前取氣管(18)進(jìn)口(17)的下部，電線(xiàn)(9)穿過(guò)導(dǎo)管(19)與風(fēng)扇(16)連接，用蓄電池通過(guò)風(fēng)扇電線(xiàn)(9)向風(fēng)扇(16)供電，導(dǎo)管(19)上端連同電線(xiàn)(9)密封；上端開(kāi)口的溫度測(cè)量管(20)穿過(guò)頂蓋(10)并與頂蓋(10)密封，該溫度測(cè)量管內(nèi)置入溫度計(jì)； 前取氣管(18)穿過(guò)頂蓋(10)并與頂蓋(10)密封，并且，前取氣管(18)進(jìn)口(17)深入到圓儲(chǔ)氣管(12)的中上部；前取氣管(18)的另一端與后取氣管(7)密閉連接；前取氣管(18)與后取氣管(7)連接的一端裝有截止閥(8);后取氣管(7)的出氣端與負(fù)壓?jiǎn)蜗蜷y(6)連接；三通管⑵的三個(gè)端口分別與負(fù)壓?jiǎn)蜗蜷y(6)出氣口、氣泵⑴進(jìn)出氣共用口和正壓?jiǎn)蜗蜷y(4)進(jìn)氣口密閉連接相通；正壓?jiǎn)蜗蜷y(4)進(jìn)口安裝氣體流量計(jì)(3)，真空鋁塑復(fù)合氣袋(5)與正壓?jiǎn)蜗蜷y⑷出氣口密閉連通； 圓儲(chǔ)氣管(12)的下部有多個(gè)集氣孔(13)，集氣孔(13)的外面纏繞尼龍紗網(wǎng)(14);圓儲(chǔ)氣管(12)的下端通過(guò)螺紋與錐形管(15)密閉連接。
2.如權(quán)利要求所述的一種不同深度土壤的溫室氣體排放采集裝置的原位觀(guān)測(cè)方法，其步驟如下 (1)依據(jù)采集氣體的土壤深度，用與圓儲(chǔ)氣管(12)直徑相同的金屬管打孔，然后將多個(gè)圓儲(chǔ)氣管(12)長(zhǎng)度不同的采集器分別安插到待測(cè)土壤的相應(yīng)位置，圓儲(chǔ)氣管(12)的管壁四周用土封嚴(yán)； (2)打開(kāi)電源,用蓄電池向風(fēng)扇(16)供電,開(kāi)啟截止閥(8),使土壤溫室氣體排放米集裝置的風(fēng)扇(16)處于工作狀態(tài)；運(yùn)行10 min后開(kāi)始采集氣體； (3)采集氣體樣時(shí),在30min時(shí)段內(nèi)，分別于O min、10 min、20 min和30 min，分別進(jìn)行以下操作啟動(dòng)氣泵(I )，負(fù)壓?jiǎn)蜗蜷y(6 )開(kāi)啟，運(yùn)行I分鐘； 把截止閥⑶至取氣管⑵，以及三通管(2)內(nèi)的氣體，通過(guò)氣泵⑴的排氣閥排放；關(guān)閉氣泵(I)的排氣閥，通過(guò)氣泵(I)使得取氣管(7)，以及三通管(2)內(nèi)充滿(mǎn)圓儲(chǔ)氣管(12)內(nèi)的氣體，并使內(nèi)壓力為正壓，負(fù)壓?jiǎn)蜗蜷y(6)關(guān)閉，正壓?jiǎn)蜗蜷y(4)開(kāi)啟，如此反復(fù)，通過(guò)氣泵(I)向真空鋁塑復(fù)合氣袋(5)注入氣體200 mL ;注入氣體量由正壓?jiǎn)蜗蜷y(4)進(jìn)口的流量計(jì)(3)確定；氣體樣品密封儲(chǔ)存，立即帶回實(shí)驗(yàn)室，用島津GC-14A氣相色譜儀測(cè)定，結(jié)果在顯示器上顯示或打印； (4)采樣頻次為每月2次以上； (5)同步通過(guò)置入上端開(kāi)口的溫度測(cè)量管(20)內(nèi)的溫度計(jì)測(cè)量圓儲(chǔ)氣管(12)內(nèi)的溫度；還通過(guò)溫度計(jì)測(cè)量環(huán)境氣溫和土壤溫度。
全文摘要
本發(fā)明提供的不同深度的土壤溫室氣體排放采集裝置，包括2個(gè)以上的圓儲(chǔ)氣管長(zhǎng)度不同的氣體采集器。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，適用于水分不飽和土壤和非生長(zhǎng)季水分飽和土壤不同深度處溫室氣體的采集，并且能夠連續(xù)采集CO2、N2O和CH4等氣體。采集氣體時(shí)的環(huán)境擾動(dòng)小，降低了氣體采集過(guò)程中的影響因素，操作簡(jiǎn)單，采集的溫室氣體更具有單位面積排放強(qiáng)度的代表性?？蛇B續(xù)多年對(duì)土壤溫室氣體排放進(jìn)行觀(guān)測(cè)；并可觀(guān)測(cè)凍結(jié)過(guò)程中溫室氣體累積并通過(guò)土壤融化過(guò)程的排放狀況?？蓮V泛應(yīng)用于農(nóng)田、草原、濕地等各種土壤不同深度的溫室氣體排放的觀(guān)測(cè)和研究。
文檔編號(hào)G01N1/22GK102879231SQ20121032118
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月4日
發(fā)明者王洋, 劉景雙 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所