一种适用于高秆植物的根‑土系统的气体顶空采样装置的制作方法

本发明属于大气环境研究领域，涉及一种根-土系统的气体采样装置，特别涉及一种适用于高秆植物的根-土系统的气体顶空采样装置。

背景技术：

随着社会的发展，以气温升高和降水格局的改变为主要特征的全球气候变化已成为不争的事实。大气中CO₂、CH₄、N₂O等温室气体含量的增加，必然加剧全球气候变化，对人类社会的生存的发展带来巨大的挑战，严重地威胁人类生存与社会经济的可持续发展，已成为全球关注的重大环境问题。农田、森林、草地等生态系统是CO₂、CH₄、N₂O等温室气体的重要来源地，准确快速的监测各生态系统中温室气体的通量和浓度，对全球气候变化及其影响研究具有重要的现实意义。

目前，测定地表生物源CO₂、CH₄、N₂O等温室气体排放(或吸收)的方法主要有：箱法、微气象法等。其中，箱法包括静态箱法和动态箱法。箱法具有原理简单、仪器廉价、操作容易、移动便利和灵敏度高等优点，是测定地表生物源CO₂、CH₄、N₂O等温室气体排放通量的一种常用方法。

静态箱法是用一个无底的箱子罩住所测土壤-植物系统，形成土壤-植物系统的顶层空间，供土壤-植物系统排出气体的混合，间隔一段时间后抽取箱内空气，然后利用气相色谱仪等测定其中目标痕量气体的浓度，求出浓度随时间的变化率，并由此计算出被测表面该种气体的交换通量。静态箱法使用一般只局限于小面积测量，但对于相对均匀的小范围生态系统，并实行多点采样测定，该方法是测量气体通量排放的一种最有效的方法，具有简单易行、单点测量精度高、机动性强、造价低等优点，在大气环境研究领域具有广泛实用性。

但是，在实际操作中，常规静态箱法中所用的采样箱存在很多问题，主要表现在以下方面：其一，漏气问题——常规静态箱法需在植株茎秆套装PVC管，并在顶箱留出孔洞供植株茎秆伸出，采用密封胶将PVC管与顶箱结合，气密性差，导致扣箱后漏气，抽取的气体代表性不足，造成采样代表性差，测定误差大；其二，常规静态箱不能正面扣在植物根系正上方，只能在植物侧面或行间测定，且只能扣住侧根、须根，不能完全代表植物的根-土系统；其三，常规静态箱扣箱、搬箱不方便，对植物生长或有损伤；其四，常规静态箱只适用于矮秆或部分高秆植物(如玉米等)随生长过程不断加装顶箱以完成根-土壤系统温室气体的测定，且无法测定更大型的植物(如乔木等)根-土壤系统温室气体排放(或吸收)。

技术实现要素：

针对现有常规静态箱的不足之处，本发明重新设计底座和顶箱，在克服常规静态箱不足之处的同时，扩大其使用范围，更具有普遍实用性。

本发明提供一种适用于高秆植物的根-土系统的气体顶空采样装置，包括底座1和顶箱2；所述底座包括底座外框11、底座内框12和底座顶13组成，所述底座顶由2个U型水槽14构成“凹形”(方柱型装置)或“扇形”(圆柱型装置)结构相对组合构成，中心位置形成中心孔和2个对称“凹形孔”或者“扇形孔”，所述底座外框焊接连接于底座顶外侧的U型水槽底部，所述底座内框焊接连接于底座顶形成中心孔的U型水槽底部；所述顶箱包括2个无底“凹形”或“扇形”的箱体21组成，顶箱与底座顶的U型水槽相匹配，顶箱顶部有气体采集孔22和气压平衡孔23分别位于2个箱体顶部。

所述气体采集孔安装有三通式采气接头。

所述气压平衡孔安装有气压平衡管。

所述顶箱侧面安装温度传感器。

所述顶箱外侧用保温材料包裹，对采样装置实现保温。所述保温材料为泡沫塑料，如聚氨酯泡沫、聚苯板、酚醛泡沫等。

底座外框的高度高于底座内框的高度。底座外框的长为50cm，宽为40cm，高为13cm；底座内框的长和宽为8cm、高为8cm；U型水槽的宽为3cm，高为3cm；顶箱的箱体长40cm，宽25cm，高23cm，在一侧中间凹进去一个长8cm，宽4cm的矩形。

本发明还提供一种适用于高秆植物的根-土系统的气体顶空采样装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：底座安装，底座外框11、底座内框12与土壤表面密封，涵括植株根际和植株间隙地带，底座顶13距离土壤表面一定距离，植株种子种植或枝条扦插处位于底座内框12中；

步骤2：顶箱安装，U型水槽14中加入适量水，将“凹形”箱体21安装至U型水槽上；

步骤3：顶空采样，打开气压平衡孔23，从气体采集孔22抽取少量气体后排空，再匀速采集箱内气体样品。

底座内框和底座外框连接处下面的空隙保证两个箱体气体处于连通状态；水封使顶箱与底座外框、底座内框结为一体，防止传统方法植物茎秆与采样箱之间的空隙漏气；底座内框是植物生长窗口，植物茎秆从两个箱体内框内伸出，避免传统采样箱对高秆植株的损伤，影响其正常生长；箱体涵括了植株根际和植株间隙地带土壤，实现一体化测定高秆植物生态系统中植株根际和植株间隙地带土壤温室气体的排放的目的。

所述U型水槽(14)中加入水后，水面达水槽高度的1/2。

所述适用于高秆植物的根-土系统的气体顶空采样装置的使用方法，适用于玉米、油菜、果树等高秆植物根-土系统的气体顶空采集。

所述适用于高秆植物的根-土系统的气体顶空采样装置的使用方法，适用于根-土系统呼吸，土壤或根-土系统氮氧化物气体采集或土壤或根-土系统甲烷采集中的应用。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明采用水封连接箱体和底座，避免了顶箱与植株间密封的繁琐操作，确保采样过程中的良好气密性；

2、本发明避免了常规采样装置只能扣住植物侧根、须根，不能完全代表植物的根-土系统的缺陷，实现一体化测定高秆植物生态系统中植株根际和植株间隙地带土壤温室气体的排放的目的，使测定的结果更加真实可靠；

3、植物茎秆从底座顶形成的中心方形孔中伸出，同时，装置的搬移或安装步骤简单、操作方便，避免了采样装置对高秆植株的损伤；

4、本发明装置的尺寸大小可根据实验需要自行改变，适用于不同大小的高秆植物根-土系统的气体采集。

5、本发明造价低、结构简单、移动操作方便、灵敏度高。

附图说明

图1：本发明提供的采样装置(方柱型)剖面结构示意图；

图2：本发明采样装置(方柱型)的底座结构示意图；

图3：本发明采样装置(方柱型)的顶箱结构示意图；

图4：本发明提供的采样装置(圆柱型)示意图；

图5：本发明采样装置(圆柱型)底座剖面结构示意图。

1-底座，2-顶箱，3-土壤表面，4-高秆植物；11-底座外框，12-底座内框，13底座顶，14-U型水槽，21-箱体，22气体采集孔，23-气压平衡孔。

具体实施方式

为更好地解释本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例1

根据图1、图2和图3所示，一种适用于高秆植物的根-土系统的气体顶空采样装置，其为方柱型采样装置，包括底座1和顶箱2；所述底座包括底座外框11、底座内框12和底座顶13组成，底座顶由2个U型水槽14构成“凹形”结构相对组合构成，中心位置形成方形中心孔和2个对称“凹形孔”，所述底座外框焊接连接于底座顶外侧的U型水槽底部，所述底座内框焊接连接于底座顶形成中心孔的U型水槽底部；所述顶箱包括2个无底“凹形”的箱体21组成，顶箱与底座顶的U型水槽相匹配，顶箱顶部有气体采集孔22和气压平衡孔23分别位于2个箱体顶部。

箱体外侧包裹有起保温作用的聚苯板。

实施例2

与实施例1相类似，采样装置采用1mm的304K不锈钢板，用氩弧焊焊接制造，其中，底座外框的长为50cm，宽为40cm，高为13cm；底座内框的长和宽为8cm、高为8cm；U型水槽的宽为3cm，高为3cm。

顶箱的箱体长40cm，宽25cm，高23cm，在一侧中间凹进去一个长8cm，宽4cm的矩形。

采样顶箱顶部安装有三通式采气接头和气压平衡管，所述气压平衡管直径3.6mm,长6.2cm，侧面安装温度传感器，整个箱体外侧用厚度3cm的聚氨酯泡沫包装，以达到保温作用。

实施例3

根据图3所示，适用于高秆植物的根-土系统的气体顶空采样装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：底座安装，底座外框11、底座内框12与土壤表面4密封，涵括植株根际和植株间隙地带，底座顶13与土壤表面3之间具有空间间隙，植株种子种植或枝条扦插处位于底座内框中；

步骤2：顶箱安装，U型水槽14中加入适量水，使得水面达水槽高度的1/2，将“凹形”箱体21安装至U型水槽上；

步骤3：顶空采样，打开气压平衡孔23，从气体采集孔22抽取少量气体后排空，再匀速采集箱内气体样品。

实施例4

与实施例3类似，实施例2所示的适用于高秆植物的根-土系统的气体顶空采样装置，其测量玉米根-土系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：底座安装，底座外框夯入土壤10cm深，底座内框夯入土壤5cm深，确保外框与内框间土壤表面密封，并降低内框夯入对植物根系的伤害。底座顶的底平面距离土壤表面3cm，底座内气体连通；

步骤2：顶箱安装，U型水槽中加入水，使得水面达水槽高度的1/2，先将具气体采集孔的箱体安装至U型水槽上，再将具气压平衡孔的箱体安装至U型水槽上，形成“回”型采样装置，顶箱安装过程中轻拿轻放，避免水槽中的水进入底座内，影响土壤呼吸；

底座内框和底座外框连接处下面的空隙保证两个箱体气体处于连通状态，采样装置内部总体体积为44.5L；水封使顶箱与底座外框、底座内框结为一体，防止传统方法植物茎秆与采样箱之间的空隙漏气；底座内框是高秆植物4的生长窗口，植物茎秆从两个箱体内框内伸出，避免传统采样箱对高秆植株的损伤，影响其正常生长；箱体涵括了植株根际和植株间隙地带土壤，实现一体化测定高秆植物生态系统中植株根际和植株间隙地带土壤温室气体的排放的目的。

步骤3：顶空采样，打开气压平衡孔，使用60ml塑料注射器从气体采集孔匀速抽取10ml采集装置中气体后排空，再匀速采集50ml装置内气体样品。

实施例5

根据图4、图5所示，一种适用于高秆植物的根-土系统的气体顶空采样装置，其为圆柱型采样装置，包括底座和顶箱，所述底座包括底座外框、底座内框和底座顶组成，所述底座顶由2个U型水槽构成“扇形”结构相对组合构成，中心位置形成圆形中心孔和2个对称的“扇形孔”，所述底座外框焊接连接于底座顶外侧的U型水槽底部，所述底座内框焊接连接于底座顶形成的圆形中心孔的U型水槽底部；所述顶箱包括2个无底“扇形”的箱体组成，顶箱与底座顶的U型水槽相匹配，顶箱顶部有气体采集孔和气压平衡孔分别位于2个箱体顶部。

箱体外侧包裹有起保温作用的酚醛泡沫。

本发明并不限于前面的描述的实施例。相反，本发明的保护范围由这些描述连同所附的权利要求书及其等同特征一起限定。