专利名称：测定陆地生态系统固定/排放co的制作方法
技术领域：
本发明涉及测定陆地生态系统固定/排放CO2能力的装置和使用该装置测定陆地生态系统固定/排放CO2能力的方法。尤其是，本发明涉及陆地生态系统固定/排放CO2能力的全自动动态连续测定装置和测定方法，适用于研究不同类型陆地生态系统例如沼泽湿地、农田等固定/排放大气CO2的总量、时空变化特点、影响因素及机理。
背景技术：
CO2是大气中重要的温室气体之一，在全球变暖中起着十分重要的作用。大气中CO2浓度已经由工业革命前的280ppmv增加到现在的367ppmv，因此控制大气CO2浓度升高业已成为全球面临的严峻挑战。陆地生态系统具有固定/排放CO2的能力，其库容的大小和变化强度强力地影响着大气中CO2的浓度。研究陆地生态系统固定/排放CO2的能力已经成为全球环境变化研究中非常重要的内容和关键点。
研究陆地生态系统固定/排放CO2能力的方法目前主要有二种微气象法和静态箱法。微气象法测定陆地生态系统固定/排放CO2数量时需要大量的气象参数，而这些参数存在着很大的时空变异和不确定性，使得依据这些参数计算获得的陆地生态系统固定/排放CO2能力无法真实地反映陆地生态系统实际固定/排放CO2的能力。静态箱法测定陆地生态系统固定/排放CO2能力时，需要用有机玻璃箱罩住植物，通过测定单位时间内植物光合作用固定大气CO2(含由土壤呼吸释放的CO2)的数量来计算陆地生态系统固定/排放CO2的能力。很明显，随着植物光合作用进行，箱中空气的CO2浓度就会很快降低(几分钟)，相应地降低了植物通过光合作用固定大气CO2的能力，因此该方法测定的结果通常低估了陆地生态系统实际固定大气CO2的能力。就全球而言，目前尚缺乏有效的方法来比较精确地测定陆地生态系统固定/排放CO2的能力。
为了克服上述缺陷，发明人研制了一套陆地生态系统固定/排放CO2能力的测定装置和测定方法。该测定装置的优点在于一是实现在线实时连续测定；二是短时间内(1分钟)测定植物光合作用过程中箱中CO2浓度的微小变化，因此不会强烈地降低植物的光合能力，从而比较精确地反映了陆地生态真实固定/排放CO2的能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测定陆地生态系统固定/排放CO2能力的装置和方法，以克服现有技术中存在的上述缺陷，从而实现对陆地生态系统固定/排放CO2能力的全自动动态连续测定。
本发明提供了测定陆地生态系统固定/排放CO2能力的装置，该装置包括透明箱体、空气供应和计量设备、CO2浓度测定设备、数据采集和控制系统，其中，透明箱体用于罩住待测定的陆地生态系统，在透明箱体相对的两壁上分别设置有空气入口和空气出口；空气供应和计量设备与透明箱体的空气入口或空气出口相连接，以向透明箱体泵入或从透明箱体抽吸出空气的方式供应空气，并测定流经透明箱体的空气流量；CO2浓度测定设备分别与透明箱体的空气入口和空气出口相连接，以测定进入或排出透明箱体的CO2浓度；数据采集和控制系统从CO2浓度测定设备采集进入和排出透明箱体的CO2浓度数据并计算浓度差值，将该浓度差值与系统内部设定的浓度差值进行比较，并根据比较的结果控制空气供应和计量设备向透明箱体供应的空气流量并采集该空气流量数据，根据采集的空气流量数据和浓度差值计算并存储陆地生态系统固定/排放CO2的能力。
所述的透明箱体可由透光的材料如玻璃或有机玻璃等制成。在本发明的一种实施方式中，采用有机玻璃制成透明箱体。有机玻璃箱的大小依据植物光合作用强度而定，一般为高度50cm、宽40cm和长40cm的立方体。为了避免因使用有机玻璃箱而降低植物的光合作用，有机玻璃的透光率要求大于95％。在有机玻璃箱相对的两侧壁的上部和下部各开一个直径2～5cm的圆孔，分别作为空气入口和空气出口。
所述的空气供应和计量设备包括空气泵、调电压模块和空气流量计。其中，调电压模块在数据采集和控制系统的控制下调节空气泵的旋转速率以增加或减少透明箱体内的空气流量，空气流量计测定空气流量并将空气流量数据传输给数据采集和控制系统。
所述的CO2浓度测定设备包括电磁阀、空气采样泵和CO2浓度分析仪，其中，空气采样泵通过电磁阀分别与透明箱体的空气入口和空气出口连接，随着电磁阀连接空气入口通路和连接空气出口通路之间的切换，空气采样阀分别从透明箱体的空气入口和空气出口处间断性地抽取空气样品并送到CO2浓度分析仪中，CO2浓度分析仪测定进入和排出透明箱体的CO2浓度并将浓度数据传输给数据采集和控制设备。
所述的数据采集和控制系统包括CPU处理器和计算机，其中，CPU处理器编制数据采集程序、控制程序和计算程序，计算机则储存系统采集的数据和通过系统计算获得的结果。编制的数据采集程序、控制程序和计算程序用于采集进入或排出透明箱体的空气中CO2的浓度，调控进入透明箱体的空气流量、采集进入透明箱体的空气流量，根据采集的CO2浓度动态变化值和空气流量动态变化值计算陆地生态系统固定/排放CO2的数量。
具体来讲，所述的CPU处理器的工作过程为从CO2浓度分析仪采集并计算进入和排出透明箱体(如有机玻璃箱)中的CO2浓度差值并与内部设定的浓度差值进行比较，如果测定浓度差值的绝对值大于设定浓度差值的绝对值，则CPU处理器控制调电压模块加大空气泵的旋转速度，以增加进入透明箱体的空气流量，相反，如果测定浓度差值的绝对值小于设定浓度值的绝对值，CPU处理器控制空气供应和计量设备中的调电压模块降低空气泵的旋转速度，以减少进入透明箱体中的空气流量，直至测定浓度差值落在设定浓度差值的范围内；CPU处理器采集由空气供应和计量设备中的空气流量计测定的空气流量数据，并依据该空气流量数据和测定的CO2浓度差值计算单位时间内陆地生态系统固定/排放的CO2数量，通过累加陆地生态系统白天和夜晚固定/排放CO2的数量，获得陆地生态系统全天的净固定/排放CO2的数量。
本发明的装置还可包括温度和湿度控制设备。例如，所述的温度和湿度控制设备可包括箱内温湿度传感器、箱外温湿度传感器、冷凝铜管、水泵和调电压模块，其中，箱内温湿度传感器和箱外温湿度传感器分别把透明箱体内外温湿度数据传输到数据采集和控制系统，系统数据采集和控制系统计算透明箱体内外温湿度的动态变化并依据箱内温度控制在箱外大气温度的上下2℃的要求控制调压模块调节水泵的旋转速度，以调节进入冷凝铜管的冷凝水的流量而控制透明箱体内的温湿度。
本发明还提供了一种测定陆地生态系统固定/排放CO2能力的方法，该方法包括a.用在相对的两侧壁上分别设置有空气入口和空气出口的透明箱体罩住待测定的陆地生态系统；b.从透明箱体的入口处泵入或从透明箱体的出口处抽吸空气而向透明箱体供应空气，并测定流经透明箱体的空气流量；c.测定从空气入口处进入或从空气出口处排出透明箱体的空气中的CO2浓度；d.采集进入和排出透明箱体的CO2浓度数据并计算浓度差值，将该浓度差值与系统内部设定的浓度差值进行比较，并根据比较的结果控制向透明箱体供应的空气流量并采集该空气流量数据，根据采集的空气流量数据和CO2的浓度差值计算并存储陆地生态系统固定/排放CO2的能力。
该方法可采用本发明上述的装置完成，其中，步骤b由空气供应和计量设备完成；步骤c由CO2浓度测定设备完成；步骤d由数据采集和控制系统完成。
该方法采用的透明箱体、空气入口和空气出口设置方式、空气供应和计量设备、CO2浓度测定设备、数据采集和控制系统，以及CPU处理器的工作过程的优选方式如上文所述。
此外，优选该方法还包括将透明箱体内的温度控制为箱外温度的上下2℃。所述的箱内温度控制步骤由包括箱内温湿度传感器、冷凝铜管、水泵和调电压模块的温度和湿度控制设备完成，其中，箱内温湿度传感器和箱外温湿度传感器分别把透明箱体内外温湿度数据传输到数据采集和控制系统，系统数据采集和控制系统计算透明箱体内外温湿度的动态变化并依据箱内温度控制在箱外大气温度的上下2℃的要求控制调压模块调节水泵的旋转速度，以调节进入冷凝铜管的冷凝水的流量而控制透明箱体内的温湿度。
图1是本发明测定陆地生态系统固定/排放CO2能力的装置的结构示意图。
具体实施例方式
以下将结合附图对本发明展开说明。然而，应该理解的是，下列的具体实施方式
仅用于对本发明进行示例性的说明而并非用于限制本发明。
图1是本发明测定陆地生态系统固定/排放CO2能力的装置的结构示意图。首先将有机玻璃箱罩在待测定的植物31上，用橡胶管20把三通管1、空气流量计2(型号EM1，量程0～200L/min，SENSIRION公司产品)、空气泵3(市场采购，流量0～200L/min)和有机玻璃箱4的空气出口5连接起来，三通管1的另一接口通过硬质塑料管21连接电磁阀6(市场采购，通用型)、CO2浓度分析仪7(LI840，LI6260，LI700等，精度达到1.5％或更高，美国基因公司)和空气采样泵8(流量1L/min)，同时通过硬质塑料管22连接有机玻璃箱4的空气入口9、三通管10和电磁阀6。用电缆23连接空气流量计2与CPU处理器12(CPU224，西门子公司产品)，用电缆24连接电磁阀6和CPU处理器12，用电缆25连接CO2浓度分析仪8与CPU处理器12，同时用电缆26连接空气泵3、调电压模块11与CPU处理器12，用USB-PPI电缆27连接CPU处理器12与计算机13(工业用，奔腾III，硬盘80G)。用橡胶管28把有机玻璃箱4中的冷凝铜管14(用外径1cm、内径0.8cm和长度100cm的铜管盘成高45cm、宽38cm和厚2cm的蛇管)和水泵15及冷却水箱16连接，用电缆29连接水泵15、调电压模块17与CPU处理器12，用电缆30连接有机玻璃箱内的温湿度传感器18、箱外温湿度传感器19与CPU处理器12。接通整个系统的总电源，空气泵3、空气流量计2、CO2浓度分析仪7、空气采样泵8、CPU处理器12、计算机13和水泵15电源就被接通，整个系统就可以开始工作。
整个系统的工作过程是打开电源，整个系统开始运行，空气泵3通过调电压模块11来调节抽出有机玻璃箱4中空气的流量，精确的空气流量由空气流量计2测定(每6秒测定一次)并把电信号传输给CPU处理器12，经数字化后存储在计算机13的数据库中，同时用空气采样泵8通过电磁阀6、硬质塑料管22和三通10抽取进入有机玻璃箱4的空气并送到CO2浓度分析仪7进行测定，获得进入有机玻璃箱4的空气中CO2的浓度，排出有机玻璃箱4的空气中CO2浓度也用空气采样泵8通过三通1、硬质塑料管21、电磁阀6送到CO2浓度分析仪7进行测定。为了确保用一台CO2分析仪7同时能够测定进入和排出有机玻璃箱4的空气中CO2浓度，用电磁阀每隔1分钟来回切换一次进入CO2浓度分析仪7的空气(前30秒的空气为前一样品测定后的残留废气，不记录)并把测定的CO2浓度值传输到CPU处理器12。CPU处理器12计算获得已经测定的进入和排出有机玻璃箱4的空气中CO2浓度差(通过植物31光合作用固定空气中CO2而实现)，并与CPU处理器12内部设定的浓度差值(10-15ppm)进行比较，如果差值大于设定值，说明有机玻璃箱中植物光合强度比较高，CPU处理器12就会把信息反馈给控制空气泵3旋转速率的调电压模块11，从而提高空气泵3的工作电压，增加进入有机玻璃箱4的空气流量；相反，如果测定差值小于设定值，CPU处理器12也会把信息反馈给控制空气泵3旋转速率的调电压模块11，降低空气泵3的旋转速率，减少进入有机玻璃箱的空气流量，直至测定浓度差值的绝对值落在设定的浓度差值范围内。进入有机玻璃箱4的空气流量由空气流量计2测定，并把信号传输给CPU处理器12，CPU处理器12依据单位时间内进出有机玻璃箱4的空气流量和CO2浓度差计算获得白天(光合作用)单位时间内陆地生态系统固定的CO2数量。
由于夜里植物31无光合作用，陆地生态系统处于CO2净排放，排出有机玻璃箱4的空气中CO2浓度将大于进入的空气中CO2浓度，CPU处理器12同样可以计算获得已经测定的进入和排出有机玻璃箱4的空气中CO2浓度差(负值)，并与CPU处理器内部设定的浓度差值(-20～-30ppm)进行比较，如果差值的绝对值大于设定值的绝对值，CPU控制系统12就会把信息反馈给控制空气泵3旋转速率的调电压模块11，从而提高空气泵3的工作电压，增加空气进入有机玻璃箱4的数量；相反，如果测定差值的绝对值小于设定值的绝对值，CPU处理器12也会把信息反馈给控制空气泵3旋转速率的调电压模块11，降低空气泵3的旋转速率，减少进入有机玻璃箱的空气流量，直至测定浓度差值落在设定的浓度差值范围内。CPU处理器12依据单位时间内进出有机玻璃箱4的空气流量和CO2浓度差计算获得夜里单位时间内陆地生态系统排放的CO2数量。CPU处理器12通过累加陆地生态系统白天(光合作用)固定和夜里(生物和土壤呼吸)排放的CO2数量，就可以获得陆地生态系统一天的净固定/排放CO2数量。
由于有机玻璃箱4覆盖后极易引起温室效应，可能会导致有机玻璃箱4内的温度比大气温度高出10℃以上，同时在有机玻璃箱4的有机玻璃内表面形成大量水汽，严重影响植物31的光合作用。为将箱内温度控制在箱外大气温度的上下2℃，箱内温湿度传感器18和箱外温湿度传感器19分别测定并将透明箱体内外温湿度数据传输到CPU处理器12，CPU处理器12将依据箱内温度的动态变化，即比较箱内温湿度传感器18和箱外温湿度传感器19的温度差，并依据箱内温度控制在箱外大气温度的上下2℃的要求控制调电压模块17调节水泵15的旋转速度，以调节有机玻璃箱4中冷凝铜管14的冷凝水的流量，从而实现控制有机玻璃箱温度和湿度。
本发明测定陆地生态系统固定/排放CO2能力的装置和方法的优点在于整套设备费用低，实用性强；能够实现自动在线连续测定；整个测定过程对植物光合作用的影响小；测定精度高，结果实现自动计算；且能够比较客观地反映陆地生态系统固定/排放CO2的时空变化特征。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其目的并非用以限定本发明，任何熟悉本发明的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作适当的等效设计与润饰，本发明将不放弃主张这些等效变更的权利。换言之，本发明的保护范围应当以权利要求所确定的范围，及可由一般等同论解释所及的内容为准。
权利要求
1.一种测定陆地生态系统固定/排放CO2能力的装置，包括透明箱体、空气供应和计量设备、CO2浓度测定设备、数据采集和控制系统，其中，透明箱体用于罩住待测定的陆地生态系统，在透明箱体相对的两侧壁上分别设置有空气入口和空气出口；空气供应和计量设备与透明箱体的空气入口或空气出口相连接，以向透明箱体泵入或从透明箱体抽吸出空气的方式供应空气，并测定流经透明箱体的空气流量；CO2浓度测定设备分别与透明箱体的空气入口和空气出口相连接，以测定进入或排出透明箱体的CO2浓度；数据采集和控制系统从CO2浓度测定设备采集进入和排出透明箱体的CO2浓度数据并计算浓度差值，将该浓度差值与系统内部设定的浓度差值进行比较，并根据比较的结果控制空气供应和计量设备向透明箱体供应的空气流量并采集该空气流量数据，根据采集的空气流量数据和浓度差值计算并存储陆地生态系统固定/排放CO2的能力。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的透明箱体由透光率大于95％的有机玻璃制成。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的空气入口和空气出口分别设置于透明箱体相对两侧壁的上部和下部。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的空气供应和计量设备包括空气泵、调电压模块和空气流量计，其中，调电压模块在数据采集和控制系统的控制下调节空气泵的旋转速率以增加或减少透明箱体内的空气流量，空气流量计测定空气流量并将空气流量数据传输给数据采集和控制系统。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的CO2浓度测定设备包括电磁阀、空气采样泵和CO2浓度分析仪，其中，空气采样泵通过电磁阀分别与透明箱体的空气入口和空气出口连接，随着电磁阀连接空气入口通路和连接空气出口通路之间的切换，空气采样阀分别从透明箱体的空气入口和空气出口处间断性地抽取空气样品并送到CO2浓度分析仪中，CO2浓度分析仪测定进入和排出透明箱体的CO2浓度并将浓度数据传输给数据采集和控制设备。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的数据采集和控制系统包括CPU处理器和计算机，其中，CPU处理器编制数据采集程序、控制程序和计算程序，计算机则储存系统采集的数据和通过系统计算获得的结果。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的CPU处理器的工作过程为从CO2浓度分析仪采集并计算进入和排出透明箱体(如有机玻璃箱)中的CO2浓度差值并与内部设定的浓度差值进行比较，如果测定浓度差值的绝对值大于设定浓度差值的绝对值，则CPU处理器控制调电压模块加大空气泵的旋转速度，以增加进入透明箱体的空气流量，相反，如果测定浓度差值的绝对值小于设定浓度值的绝对值，CPU处理器控制空气供应和计量设备中的调电压模块降低空气泵的旋转速度，以减少进入透明箱体中的空气流量，直至测定浓度差值落在设定浓度差值的范围内；CPU处理器采集由空气供应和计量设备中的空气流量计测定的空气流量数据，并依据该空气流量数据和测定的CO2浓度差值计算单位时间内陆地生态系统固定/排放的CO2数量，通过累加陆地生态系统白天和夜晚固定/排放CO2的数量，获得陆地生态系统全天的净固定/排放CO2的数量。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括温度和湿度控制设备。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的温度和湿度控制设备包括箱内温湿度传感器、冷凝铜管、水泵和调电压模块，其中，箱内温湿度传感器和箱外温湿度传感器分别把透明箱体内外温湿度数据传输到数据采集和控制系统，系统数据采集和控制系统计算透明箱体内外温湿度的动态变化并依据箱内温度控制在箱外大气温度的上下2℃的要求控制调压模块调节水泵的旋转速度，以调节进入冷凝铜管的冷凝水的流量而控制透明箱体内的温湿度。
10.一种测定陆地生态系统固定/排放CO2能力的方法，包括a.用相对的两侧壁上分别设置有空气入口和空气出口的透明箱体罩住待测定的陆地生态系统；b.从透明箱体的入口处泵入或从透明箱体的出口处抽吸空气而向透明箱体供应空气，并测定流经透明箱体的空气流量；c.测定从空气入口处进入或从空气出口处排出透明箱体的空气中的CO2浓度；d.采集进入和排出透明箱体的CO2浓度数据并计算浓度差值，将该浓度差值与系统内部设定的浓度差值进行比较，并根据比较的结果控制向透明箱体供应的空气流量并采集该空气流量数据，根据采集的空气流量数据和CO2的浓度差值计算并存储陆地生态系统固定/排放CO2的能力。
全文摘要
测定陆地生态系统固定/排放CO
文档编号G01N35/00GK1952657SQ20051009491
公开日2007年4月25日 申请日期2005年10月20日 优先权日2005年10月20日
发明者丁维新, 蔡祖聪 申请人:中国科学院南京土壤研究所