专利名称：土壤气体通量测定仪及其测定方法
技术领域：
本发明涉及一种生态学的自动测量装置领域，具体为一种土壤气体通量测定仪，以及一种使用土壤气体通量测定仪测量的测定方法。
背景技术：
陆地土壤呼吸是气体从土壤进入大气的主要途径，与全球气候变化密切相关。土壤呼吸具有明显的季节和日变化动态，其季节动态与温度变化特征密切相关，另外，影响土壤呼吸的因素很多，除了土壤的通透性等物理特性和土壤微生物特征外，气温、土温、湿度、大气C02浓度、土壤无机养分和有机质的含量与组成等都会影响土壤呼吸。温室气体含量的日益增加，是造成地球温室效应的主要原因之一。土地利用部分所固定的大量碳被保留在土壤有机质和植被中，全球土壤碳贮量约为植被中碳贮量的
1.5倍，对土壤碳库的库容及其动态变化进行研究，是当前生态学研究的热点方向。现在的土壤碳呼吸是利用C02分析仪测定气体交换室中C02浓度变化来准确反映，使用该方法时需要用到测量室，目前已经发展到使用自动通量箱测定，在国内已有相关研究人员进行该方面的研究，如公开号为:CN102288545A、CN101949919A、CN101162225、CN1987421、CN202008480U、CN2605571，但是在使用这些装置时容易出现测量结果误差较大的情况，设备的一体化差，封装性差，线路大部分曝露在外面，容易受外界空气或雨水的腐蚀，缩短了土壤气体通量测定仪的使用寿命，另一方面，线路和气管露在外面，容易被磨损，而发生漏气，进而影响测量的结果，现有的装置都不能很好的解决该问题。同时，在非工作状态时，气室位置不能手动回位，野外操作不方便，不便于装箱运输。尤其在气室固 定上，采用直接固定在动臂上，由于测量时对气室要密封，需要紧扣在其上，容易造成气室外壳变形、脱落，严重影响测量装置的稳定性和使用寿命。并且，土壤气体通量测定仪安装时不易判断仪器是否处于水平状态，气室发生位置偏移时不能及时自动校正，严重影响测量装置的稳定性和使用寿命，造成实验结果的系统误差和偶然误差较大。还有，由于测量土壤呼吸时需尽量减少土壤气体通量测定仪在地面上的投影面积，现有的土壤气体通量测定仪都是采用在一个面积远超气室的底座上打孔，减少土壤气体通量测定仪的投影面积，但这样仍不能很好的减少土壤气体通量测定仪的投影面积。由于测量土壤呼吸由于气体散发，容易造成气室内部各气体的浓度分布不均匀，进而影响测量的结果，现有的装置都不能很好的解决上述问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种土壤气体通量测定仪，以解决土壤气体通量测定仪的气管和线路外露、气室位置偏移、测量误差大的问题。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案:
一种土壤气体通量测定仪，包括土环(I)、支腿(2)、底座(20)、气室(7)、防护罩(8)、过线轴(9)和控制箱(19)其特征在于，所述的底座(20)上方设有密封圈(5)和压制环(3)，在底座(20)的下方设有支腿(2)，支腿(2)上设有支脚滑槽(16)和支脚转轴(14)，所述的气室(7)、防护罩(8)和过线轴(9)中设有缓冲装置(8-7)，所述的控制箱(19)上设有回位按钮(19-4)，所述的底座(20)的尾部设有把手(13)。进一步，所述的气室(7)内的气管在风扇支架(7-2)的下方伸出，A端点为进气口，B端点为出气口，两端点相互背离成180°角，气管通过防护罩⑶中的缓冲装置(8-7)，再到过线轴(9)内，从滑块(9-1)中出来进入到横梁(10)中，在横梁(10)内通过卡座(10-4)固定在横梁内杆(10-2)上，从横梁罩体(10-1)尾部的线路限位孔(10-7)出来入到套管(12)中，经过套管(12)与控制箱(19)中的pg接头(19-1)进入到控制箱(19)，分别与控制箱(19)上的出气管接头(19-2)和进气管接头(19-3)连接，其中C端点与A端点连接，D端点与B端点连接。进一步，所述的防护罩(8)连接在过线轴(9)的下面，在其上部有压板(8-5)对其进行紧固，所述的气室(7)上有压力平衡管(8-6)。进一步，所述的压力平衡管(8-6)是由两个M5的螺母将一个锥形管固定在气室
(7)上。进一步，所述的缓冲装置(8-7)由轴套(8-1)和过线轴(9)组成，在过线轴(9)置入轴套(8-1)中，滑块(9-1)与轴套(8-1)相配合，上轴套板(8-2)套在过线轴(9)上，与轴套(8-1)相配合，再将长螺栓(8-3)自上而下穿过上轴套板(8-2)、滑块(9-1)、弹簧(8_4)，最后与轴套(8-1)相连接。进一步，所述的气室(7)的气室外沿(7-1)做成向上翻转的形状。进一步，所述的底座(20)分为底座环面(20-5)和底座安装区(20-6)，底座环面(20-5)为环状圆形，其直径比气室(7)的直径大2cm-20cm。
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进一步，所述的在底座环面(20-5)上设有供土环(I)插入的底座内环(20-3)，同时，还设有底座气孔(20-4)，其底座气孔(20-4)内有螺纹。进一步，所述的底座安装区(20-6)上设有安装孔(20-1)和气缸定位孔(20_2)，以供安装控制箱(19)内部的气缸。另外，本发明还提供一种测定方法，所述方法包括:
a)将土环(I)提前24-48小时预压入土壤中，最大程度减少对土壤呼吸的影响；
b)安装土壤气体通量测定仪，调节支腿(2)的高度，确保土环(I)穿过底座(20)，土环(I)的最高处低于底座(20)的顶部15mm-25mm ；
c)固定支腿(2)，将支腿(2)上的紧固螺丝(6)拧紧，以免在测量过程中造成土壤气体通量测定仪滑动；
d)与测量主机相连接，确保土壤气体通量测定仪电力充足，且通讯信号正常；
e)通过快速接头将测量主机上的进气管和出气管分别与出气管接头(19-2)和进气管接头(19-3)连接；
f)打开测量主机上的控制开关，由主机的上预先设定的工作参数进行测量；
g)气室(7)以控制箱(19)上的气缸活塞杆(21)为圆心做往复运动，对测量点进行测定。本发明具有以下优点:
O本发明高度一体化，具有防护罩(8)，并多处设有防水装置，密封性能好，不受风沙灰尘干扰，在户外工作不易受风沙灰尘等干扰；可以有效避免户外工作时雨水对装置的破坏；
2)具有气室回位装置，便于土壤气体通量测定仪的包装、运输和安装；
3)本装置可延长土壤碳通量测定装置气室的使用寿命；
4)本发明既可减少土壤碳通量测定装置工作时外部的文氏管效应，又可保证气室内部压力正常；
5)本装置由于安装有水平球(11)，可以方便的测出土壤气体通量测定仪的测量区是否处于水平状态；
6)本发明带有气室(7)的纠偏装置，可以确保当土壤气体通量测定仪处于工作时气室(7)不会由于装置误差而跑偏；
7)采用Teflon硅胶做密封圈，由于普通的橡胶对CO2有吸附，对测量结果产生影响；
8)土壤气体通量测定仪将气管和线管隐藏于横梁(10)内，不易被雨水淋湿和腐蚀；
9)土壤气体通量测定仪多处设有防磨损装置，确保土壤气体通量测定仪的气管和线路不易被磨损破裂。
图1是土壤气体通量测定仪结构示意图
图2是去除气室(7)和防护罩⑶后的压制环(3)的气管连接图
图3是去除防护罩(8)后的压制环(3)的结构图
图4是图3A处局部放大图
图5是去除横梁(10)后的压制环(3)的结构图
图6是是横梁(10)的爆炸图
图7是底座(20)及其组件的爆炸图
图8是底座(20)及相关附件的组装图
图9是底座(20)的结构图
图10是过线轴(9)的结构图
图11是横梁(10)的仰视图
图12是土壤气体通量测定仪的缓冲装置结构图
土环I ;支腿2 ;压制环3 ;螺钉孔4 ;密封圈5 ;紧固螺丝6 ;气室7 ;防护罩8 ;过线轴9 ;横梁10 ;水平球11 ;套管12 ;把手13 ;支脚转轴14 ;支脚下沿15 ;支脚滑槽16 ;支座长下沿17 ;底盘下沿18 ;控制箱19 ;底座20 ;气缸活塞杆21 ;定位块3_1 ;气孔3_2 ;环内面3_3 ;上凸部5-1 ;密封圈气孔5-2 ;环状基底5-3 ;安装孔20-1 ;气缸定位孔20_2 ;底座内环20_3 ；底座气孔20-4 ;底座环面20-5 ;底座安装区20-6 ;气室外沿7_1 ;风扇支架7_2 ;轴套8_1 ；上轴套板8-2 ;长螺栓8-3 ;弹簧8-4 ;压板8-5 ;压力平衡管8_6 ;缓冲装置8_7 ;滑块9_1 ；长孔9-2 ;衔接头9-3 ;横梁罩体10-1 ;横梁内杆10-2 ;轴杆安装孔10_3 ;卡座10_4 ;活塞杆安装孔10-5 ;内杆安装孔10-6 ;线路限位孔10-7 ;pg接头19-1 ;出气管接头19_2 ;进气管接头19-3 ;回位 按钮19-4 ;安装孔20-1 ;气缸定位孔20_2 ;底座内环20_3 ;底座气孔20_4。
具体实施方式
如图1所示，一种土壤气体通量测定仪，其土壤气体通量测定仪主要包括土环(I)、支腿(2)、底座(20)、气室(7)和控制箱(19)。在底座(20)的下面设有土环(1)，在其两边各设有两个支座长下沿(17)和底盘下沿(18)，在支座长下沿(17)和底盘下沿(18)上装有通过支脚转轴(14)连接在一起的支腿(2)，支腿(2)上设有支脚滑槽(16)，支腿(2)的转动以支脚转轴(14)为圆心、支脚滑槽(16)为轨迹进行高度调节，从而土壤气体通量测定仪不易发生位移，更稳固。如图2所示，气室(7)内的气管在风扇支架(7-2)的下方伸出，A端点为进气口，B端点为出气口，两端点相互背离成180°角，一起进入到防护罩⑶中的缓冲装置(8-7)，再到过线轴(9)内，从滑块(9-1)中出来进入到横梁(10)中，在横梁(10)内通过卡座(10-4)固定在横梁内杆(10-2)上，从横梁罩体(10-1)尾部的线路限位孔(10-7)出来进入到套管
(12)中，经过套管(12)与控制箱(19)中的pg接头(19-1)进入到控制箱(19)，分别与控制箱(19)上的出气管接头(19-2)和进气管接头(19-3)连接，其中C端点与A端点连接，D端点与B端点连接。如图3所示，其为去除防护罩(8)后的土壤气体通量测定仪的结构示意图，结合图4所示，防护罩(8)连接在过线轴(9)的下面，在其上部有压板(8-5)对其进行紧固，将防护罩(8)牢牢地固定在气室(7)上面，在气室(7)上还设有压力平衡管(8-6)，压力平衡管(8-6)是由两个M5的螺母将一个锥形管固定在其上，为了保证气室(7)内部正常压力，压力平衡管(8-6)以设两个为宜，另一方面，由于在压力平衡管(8-6)在防护罩(8)的内部，可以减少外界的文氏管效应，并且，当在户外有雨水时，防护罩(8)可以起到防护作用，压力平衡管(8-6)不易被雨水堵上。如图12所示，土壤气体通量测定仪的缓冲装置主要由轴套(8-1)和过线轴(9)组成，过线轴(9)置于轴套(8-1)中，滑块(9-1)与轴套(8-1)相配合，上轴套板(8-2)套在过线轴(9)上，与轴套(8-1)相配合，再将长螺栓(8-3)自上而下穿过上轴套板(8-2)、滑块(9-1)、弹簧(8-4)，最后与轴套(8-1)相连接。
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如图5所示，是土壤气体通量测定仪去除横梁罩体(10-1)后的结构图，横梁内杆(10-2) 一端与气缸活塞杆(21)连接，另一端与过线轴(9)连接在一起。如图6所示，在横梁罩体(10-1)的里面包裹有横梁内杆(10-2)，在横梁内杆(10-2)上设有与过线轴(9)连接的轴杆安装孔(10-3)，以及与气缸活塞杆(21)连接的活塞杆安装孔(10-5)，在横梁内杆(10-2)的侧面设有两个或两个以上的卡座(10-4)，横梁内杆(10-2)具有多个安装卡座(10-4)的凹槽，横梁内杆(10-2)上设有与横梁罩体(10-1)连接的内杆安装孔(10-6)螺孔，以便螺丝通过其中将横梁罩体(10-1)和横梁内杆(10-2)进行结合。在横梁(10)与套管(12)连接的部位线路限位孔(10-7)为横向椭圆形，因为当横梁(10)在运动时会带动套管(12) —起运动，从而会对进入套管(12)内的气管和线路进行摩擦，由于土壤气体通量测定仪在工作时可能会经过上万次的往复运动，其主要是横向平移，因此将线路限位孔(10-7)设计成横向轴大于纵向轴的椭圆形，可以减少套管(12)与横梁(10)之间接触的摩擦，从而延长土壤气体通量测定仪的使用寿命。如图10所示，过线轴(9)由滑块(9-1)、长孔(9-2)和衔接头(9_3)组成，从气室
(7)内出来的气管和线路途经过线轴(9)的管道，从长孔(9-2)伸出进入横梁(10)内。如图8所示，主要有底座(20)、密封圈(5)和压制环(3)，在底座(20)的尾部设有把手(13)，底座(20)的上面设有密封圈(5)，在密封圈(5)的上面紧压着压制环(3)，具体层状结构如图7所示。从图7可看出，密封圈(5)在其环状基底上设有密封圈气孔(5-2)，其向上伸出的部分为上凸部(5-1)，上凸部(5-1)的内环大小与土环(I)相匹配，以保持底座(20)与土环(I)的紧密密封，同时其环外部与气室(7)相匹配，从而确保土壤气体通量测定仪工作时，气室(7)、底座(20)与密封圈(5)能形成一个密闭的空间。为了将密封圈(5)固定在底座(20)上，在密封圈(5)的上方设有压制环(3)，在压制环⑶上设有与密封圈气孔(5-2)、底座气孔(20-4)相对应的气孔(3-2)，压制环(3)上的环内面(3-3)的面积大于密封圈(5)的内环面积。为了保证压制环(3)上方的气室(7)能准确落入到环内面(3-3)中，在压制环(3)还设有定位块(3-1)，另一方面，为了增大气室(7)与环内面(3-3)的接触面，将气室(7)的气室外沿(7-1)做成向上翻转的形状。这样的话，一方面由于增大气室(7)与密封圈(5)的接触面积，密封度更好，另一方面可以与定位块(3-1)接触，形成一定坡度，由于定位块(3-1)的导向非常容易滑入到环内面(3-3)中。密封圈(5)由Teflon娃胶一体制成，Tef1n娃胶又称特氟龙娃胶,无毒无害，不会对CO2产生吸附，在土壤气体通量测定仪上相比其他橡胶有意想不到的效果，对实验结果不会产生一点影响。如图9所示，底·座(20)分为底座环面(20-5)和底座安装区(20_6)，底座环面(20-5)为环状圆形，其直径比气室(7)的直径大2cm-20cm，以大于IOcm为最佳。在底座环面(20-5)上设有供土环(I)插入的底座内环(20-3)，同时，还设有底座气孔(20-4)，其底座气孔(20-4)内有螺纹，一方面可以用来透气，减少底座(20)对待测土壤的投影面积，降低对测量结果的影响，另一方面，可以通过将螺钉与压制环(3)、密封圈
(5)上跟底座气孔(20-4)对应的气孔(3-2)、密封圈气孔(5-2)紧固在一起，完成对底座环面(20-5)区配件的装配。在底座安装区(20-6)上设有安装孔(20-1)，以供安装底座(20)上的控制箱
(19)，同时还设有气缸定位孔(20-2)，以供安装控制箱(19)内部的气缸。实施方式:
当在野外需要进行土壤呼吸的测量时，实验人员将土壤气体通量测定仪和测量主机拿到野外实验地点，进行如下操作:
a)将土环(I)提前24小时预压入土壤中，最大程度减少对土壤呼吸的影响；
b)安装土壤气体通量测定仪，调节支腿(2)的高度，确保土环(I)穿过底座(20)，土环(I)的最高处低于底座(20)的顶部15mm-25mm ；
c)固定支腿(2)，将支腿(2)上的紧固螺丝(6)拧紧，以免在测量过程中造成土壤气体通量测定仪滑动；
d)与测量主机相连接，确保土壤气体通量测定仪电力充足，且通讯信号正常；
e)通过快速接头将测量主机上的进气管和出气管分别与进气管接头(19-2)和出气管接头(19-3)连接；
f)打开测量主机上的控制开关，由主机的上预先设定的工作参数进行测量；
g)气室(7)以控制箱(19)上的气缸活塞杆(21)为圆心做往复运动，对测量点进行测定。 虽然上面的举例了一些特定实施例来说明和描述本发明，但并不意味着本发明仅局限于其中的各种细节。相反地，在等价于权利要求书的范畴和范围内可以不偏离本发明精神在各种细节上做出各种修改。说明书中未写明的气管安装、气体输送、气体分析、气缸控制和测量主机部分为本领域常用装置和公知常识，市场上已有相关配套产品，例如理加联合的SF-3000测量主机，未详细描述的部分为本领域的公知常识，在此，不再述说。同时，本发明中说的自动测定装置，不局限于土壤二氧化碳通量的测量，本领域人员可以由此联想到连接其他类型的气体分析仪，测量其 他气体通量的，以及稳定同位素。
权利要求
1.一种土壤气体通量测定仪，包括土环(I)、支腿(2)、底座(20)、气室(7)、防护罩(8)、过线轴(9)和控制箱(19)其特征在于，所述的底座(20)上方设有密封圈(5)和压制环(3)，在底座(20)的下方设有支腿(2)，支腿(2)上设有支脚滑槽(16)和支脚转轴(14)，所述的气室(7)、防护罩(8)和过线轴(9)中设有缓冲装置(8-7)，所述的控制箱(19)上设有回位按钮(19-4)，所述的底座(20)的尾部设有把手(13)。
2.根据权利要求1所述的一种土壤气体通量测定仪，其特征在于:所述的气室(7)内的气管在风扇支架(7-2)的下方伸出，A端点为进气口，B端点为出气口，两端点相互背离成180°角，气管通过防护罩(8)中的缓冲装置(8-7)，再到过线轴(9)内，从滑块(9-1)中出来进入到横梁(10)中，在横梁(10)内通过卡座(10-4)固定在横梁内杆(10-2)上，从横梁罩体(10-1)尾部的线路限位孔(10-7)出来进入到套管(12)中，经过套管(12)与控制箱(19)中的Pg接头(19-1)进入到控制箱(19)，分别与控制箱(19)上的出气管接头(19_2)和进气管接头(19-3)连接，其中C端点与A端点连接，D端点与B端点连接。
3.根据权利要求2所述的一种土壤气体通量测定仪，其特征在于:所述的防护罩(8)连接在过线轴(9)的下面， 在其上部有压板(8-5)对其进行紧固，所述的气室(7)上有压力平衡管(8-6)。
4.根据权利要求3所述的一种土壤气体通量测定仪，其特征在于:所述的压力平衡管(8-6)是由两个M5的螺母将一个锥形管固定在气室(7)上。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种土壤气体通量测定仪，其特征在于:所述的缓冲装置(8-7)由轴套(8-1)和过线轴(9)组成，过线轴(9)置于轴套(8-1)中，滑块(9-1)与轴套(8-1)相配合，上轴套板(8-2)套在过线轴(9)上，与轴套(8-1)相配合，再将长螺栓(8-3)自上而下穿过上轴套板(8-2)、滑块(9-1)、弹簧(8-4)，最后与轴套(8_1)相连接。
6.根据权利要求1-4任一所述的一种土壤气体通量测定仪，其特征在于:所述的气室(7)的气室外沿(7-1)做成向上翻转的形状。
7.根据权利要求1-4任一所述的一种土壤气体通量测定仪，其特征在于:所述的底座(20)分为底座环面(20-5)和底座安装区(20-6)，底座环面(20-5)为环状圆形，其直径比气室⑵的直径大2cm-20cm。
8.根据权利要求7所述的一种土壤气体通量测定仪，其特征在于:所述的底座环面(20-5)上设有供土环(I)插入的底座内环(20-3)，同时，还设有底座气孔(20-4)，其底座气孔(20-4)内有螺纹。
9.根据权利要求8所述的一种土壤气体通量测定仪，其特征在于:所述的底座安装区(20-6)上设有安装孔(20-1)和气缸定位孔(20-2)，以供安装控制箱(19)内部的气缸。
10.一种使用根据权利要求9所述装置的测定方法，所述方法包括: a)将土环(I)提前24小时预压入土壤中，最大程度减少对土壤呼吸的影响； b)安装土壤气体通量测定仪，调节支腿(2)的高度，确保土环(I)穿过底座(20)，土环(I)的最高处低于底座(20)的顶部15mm-25mm ； c)固定支腿(2)，将支腿(2)上的紧固螺丝(6)拧紧，以免在测量过程中造成土壤气体通量测定仪滑动； d)与测量主机相连接，确保土壤气体通量测定仪电力充足，且通讯信号正常； e)通过快速接头将测量主机上的进气管和出气管分别与出气管接头(19-2)和进气管接头(19-3)连接； f)打开测量主机上的控制开关，由主机的上预先设定的工作参数进行测量； g)气室(7)以控制箱(19)上的气 缸活塞杆(21)为圆心做往复运动，对测量点进行测定。
全文摘要
一种土壤气体通量测定仪，包括土环(1)、支腿(2)、底座(20)、气室(7)、防护罩(8)、过线轴(9)和控制箱(19)其特征在于，所述的底座(20)上方设有密封圈(5)和压制环(3)，在底座(20)的下方设有支腿(2)，支腿(2)上设有支脚滑槽(16)和支脚转轴(14)，所述的气室(7)、防护罩(8)和过线轴(9)中设有缓冲装置(8-7)，所述的控制箱(19)上设有回位按钮(19-4)。以解决土壤气体通量测定仪的气管和线路外露、气室跑偏、测量误差大的问题。
文档编号G01N33/24GK103235105SQ20131013321
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月17日 优先权日2013年4月17日
发明者李晓波, 刘亚勇, 邢友武, 朱湘宁 申请人:北京萨维福特贸易有限公司