环境条件可控的潮间带CO2通量室内模拟实验装置及方法与流程

本发明涉及环境条件可控的潮间带co2通量室内模拟实验装置及方法，属于环境领域。

背景技术：

湿地生态系统是地球重要的碳库，约占全球陆地生态系统碳库的10％，是目前已知陆地生态系统中仅次于森林的重要碳汇，对全球范围的碳循环有着显著影响。湿地中有机质的不完全分解导致湿地中碳的积累，湿地植物从大气中获取大量的co2，成为巨大的碳库；同时，在一定的时期和条件下，湿地在微生物的作用下通过分解和呼吸作用将co2排放到大气中，湿地的碳循环过程受气候条件及人类活动的影响，发挥了“碳汇”和“碳源”两方面的作用。潮间带是众多种湿地中的一类，是陆地与海洋的交接地带。近年来，作为全球“蓝色碳汇”的主要贡献者，有高等植被覆盖的潮间带湿地(红树林沼泽和盐沼)的碳循环受到了极大的关注。潮间带除了拥有高的初级生产力和低的有机质分解速率以外，潮间带湿地植被根冠比较大，能够储存大量的碳并通过根系周转而储存在土壤中。同时，河口海岸独特的泥沙沉积过程会将大量内源或外源有机碳快速掩埋。可见，潮间带湿地植被生产力高、机碳分解速率低、ch4排放较弱、碳沉积速度快，是单位面积碳封存速率最高的生态系统之一，有着显著的碳汇功能。据统计，全球范围内滨海湿地的总碳封存速率超过100tg.a^-1(以碳计)，因此潮间带湿地在减缓含碳温室气体排放，降低全球温室效应方面具有重要潜力。

影响潮间带土壤二氧化碳通量变化的因子很多，包括：水文条件、土壤温度、微生物活性、有机质和浮游植物含量等。在不同植被覆盖下的生态系统中co2的释放量不同，且随日变化和季节性性变化而变化。kurganova等发现土壤co2排放主要集中在夏季和秋季，并且，系统呼吸通量在一天中不同时间上的波动程度夏季明显大于冬季。vandernat等测量的一天内的系统呼吸通量通常呈现单峰型变化的趋势，从早晨开始慢慢上升，到午后出现最大值后再缓慢下降。湿地土壤向大气排放co2的过程主是土壤中微生物的氧化分解作用以及植物根系呼吸作用。根据相关研究，土壤中释放的co2有85％-90％是来自土壤微生物的生命活动，15％来自植物根系的呼吸作用，极少部分是土壤动物的呼吸机化学氧化。土壤从不同方面影响co2的释放，最重要的因素是土壤的温度。微生物的活性、植物生长速率的快慢都受土壤温度变化的影响。微生物的异养呼吸，植物的的自养呼吸，有机质的分解均受土壤温度的影响，温度越高，分解速率越快。buchmann研究了呼吸速率与土壤温度的关系，结果表明土壤速率会随土壤温度的变化而产生明显的变化。湿地处于水陆交界的地带，对水文条件的变化十分敏感。湿地生态系统的干湿变化，会影响土壤中微生物的活性。

我国湿地面积约为65.94×10⁴km²(不包括江河、池塘)，位居亚洲第一位，世界第四位，其中天然湿地约为25.94×10⁴km²，包括沼泽湿地约11.97×10⁴km²，潮间带滩涂约2.17×10⁴km²，浅海水域2.7×10⁴km²等；人工湿地40.0×10⁴km²。潮间带广泛分布于我国沿海区域，由于潮间带co2通量排放速率的实地测量受气象、水文、水动力等环境条件制约(潮汐、波浪和海流)，测量环境苛刻且多变，传统的内陆湿地co2通量测量方法难以有效实施，而长期以来潮间带碳通量测定仪器及设备的研发相对滞后，以上诸多问题的存在，给目前亟待深入开展的研究带来很大的不便。国内外针对河口海岸湿地碳循环的研究大部分采用原位观测法，这对于了解真实环境条件下的生态系统特征具有重要意义。但是外界环境的多变以及高度不确定性，尤其对于潮间带这样的物理动力多变的环境，原位观测难以真实捕捉不同控制条件下碳循环的特征，更难以在野外通过系列实验弄清楚碳循环的机制及控制因子，因此，在实验室内模拟自然条件变化对碳通量的影响是非常有意义的。在实验条件下，影响因子可控，可以通过模拟不同温度以及水分条件下，测量土-气界面二氧化碳通量，更有利于深入研究。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种环境条件可控的潮间带co2通量室内模拟实验装置及方法，能够在室内模拟各种温度、光照环境条件以及地下水位，进行长时间连续观测的潮间带沉积物co2通量。

技术方案：为实现上述目的，本发明的环境条件可控的潮间带co2通量室内模拟实验装置，包括生化培养箱、外筒和储水箱，所述外筒位于生化培养箱内，外筒内设有内筒，内筒内分层放入野外采集的沉积物样本，在内筒底部设有渗透孔，在内筒上设有透水孔，透水孔位于沉积物样本的上方，外筒通过蠕动泵与储水箱连接，在内筒的沉积物样本上方设有采样气室，采样气室通过气路管路与co2传感器连接，co2传感器与电脑信号连接。

作为优选，所述蠕动泵与外筒之间设有阀门。

作为优选，所述内筒底部设有无纺布垫层，透水而不透沙，模拟潮间带地下水水位变化。

作为优选，所述采样气室内设有旋转叶片，旋转叶片与电源连接，旋转叶片为双层旋转叶片，保证采样气室内的气体混合均匀，减小测量误差。

作为优选，所述外筒的筒壁上设有刻度，内筒和外筒均采用透明有机玻璃材料制作，外筒边缘标有刻度线，便于读取和控制内筒地下水水位。

作为优选，所述采样气室的采样口设置可拆卸式不锈钢滤网，防止当采样气室的叶片旋转搅动泥沙进入气路通道，引起机器故障或测量误差，也便于清洗。

作为优选，所述气路管路设有干燥脱水装置，可防止气体中水分对co2测量产生的影响，提高测量精度。

作为优选，所述co2传感器通过回路管路与采样气室连接，通过气路管路和回路管路组成一个回路通道，检测后的气体循环进入测量系统内，保证co2浓度测量结果不受外界环境干扰。

作为优选，所述内筒的底部外沿设有垫块，使内筒和外筒之间不直接接触，实现海水从底部均匀和自由交换。

一种上述的环境条件可控的潮间带co2通量室内模拟实验装置的测量方法，包括以下步骤：

(1)从野外采集潮间带沉积物样本，分层装填入装置内筒，保证泥面略低于内筒筒壁透水孔，在外筒装入一定量的采样点原水，带回实验室进行碳通量测量，同时采集足量的采样点海水用于在室内开展潮汐过程模拟；

(2)将野外采集的沉积物样本置于生化培养箱，调整培养箱的温度和湿度至设定值，使沉积物及海水中的浮游生物逐渐适应人工营造的环境条件；

(3)将外筒、蠕动泵和储水箱通过水路管道相连接，启动蠕动泵，模拟海洋潮汐作用的涨潮或落潮过程，调节蠕动泵流量，控制水位上升或下降速率与野外观测结果相符；

(4)将采样气室平放至沉积物表面并压实，连接气路管路，检查气路系统的气密性；

(5)开启co2传感器，连续测量不同地下水位条件下沉积物表面的co2实时浓度；

(6)利用co2浓度过程数据，通过以下公式计算潮间带沉积物co2通量和测量误差：

式中：为co2浓度时间过程的斜率，ppm/s，ti为第i个监测数据的监测时间，单位为s；yi为第i个监测数据的co2浓度值，单位为ppm；n为监测数据的总数；φ为co2通量，单位为mol/m²/d；k为转化因子；p为气体气压，单位为pa；v为采样气室体积，单位为m³；r为通用气体常数，8.314472m³·pa/mol/k；t为气体温度，单位为k；a为采样气室入口处面积，单位为m²；

采用以下公式计算co2通量测量结果的测定误差：

式中：e为实验误差，计算数据选择测定开始两分钟后的数据，若e大于0.9，表明实验数据质量很好，co2浓度过程的线性关系较好，实验数据可信度高，若e小于0.5，表明实验数据质量较差，需要再次开展监测工作。

在本发明中，一方面，外筒中的水通过内筒底部渗透孔缓慢渗入或排出内筒，模拟涨潮或落潮过程中沉积物地下水水位的升高或降落。另一方面，随着外筒水位抬升或回落至沉积物表面，水通过内筒筒壁透水孔流入或流出内筒，模拟涨潮后期或落潮初期沉积物表面的淹水和出露过程。通过控制生化培养箱的温度和光照强度，模拟不同温度及光照情况下土壤碳通量的变化情况。将采样气室盖压在沉积物表面，打开旋转叶片和co2传感器的开关，测量沉积物界面的co2浓度，通过电脑，可对co2浓度进行实时监测。

有益效果：本发明的环境条件可控的潮间带co2通量室内模拟实验装置，通过本测量装置中的土壤温度及湿度控制系统与土壤通量测量系统的相互配合，解决了野外实地测量土壤co2通量容易受气象、水文、水动力等环境条件制约的问题，实现了自动化程度高、操作简便可靠、能够在室内营造各种温度和光照强度环境，进行长时间持续测量的目的，为湿地生态系统碳代谢、碳循环等基础研究提供了有力的观测和研究手段。

附图说明

图1是本发明装置的总体结构示意图。

图2是本发明装置的主体结构示意图。

图3是本发明装置主体结构的立面图和俯视图。

图4是本发明装置外筒结构示意图。

图5是本发明装置内筒结构示意图。

图6是本发明装置内筒底部结构示意图。

图7是本发明装置碳通量测量系统示意图。

图中：1-生化培养箱；2-co2传感器；3-气路管路；4-干燥脱水装置；5-电源；6-可拆卸式不锈钢滤网；7-采样气室；8-旋转叶片；9-水路管道；10-阀门；11-蠕动泵；12-内筒；13-外筒；14-无纺布垫层；15-垫块；16-储水箱，17-电脑，18-内筒筒壁透水孔；19-内筒底部透水孔；20-刻度线；21-把手。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图6所示，本发明的环境条件可控的潮间带co2通量室内模拟实验装置，包括生化培养箱1、外筒13和储水箱16，所述外筒13位于生化培养箱1内，外筒13内设有内筒12，内筒12内分层放入野外采集的沉积物样本，在内筒12底部设有渗透孔19，在内筒12上设有透水孔18，透水孔18位于沉积物样本的上方，外筒13通过蠕动泵11与储水箱16连接，蠕动泵11模拟海洋潮汐作用的涨潮或落潮过程，调节蠕动泵11流量，控制水位上升或下降速率与野外观测结果相符，蠕动泵11与外筒13之间设有水路管道9，水路管道9上设有阀门10，在内筒12的沉积物样本上方设有采样气室7，采样气室7上安装有把手21，采样气室7通过气路管路与co2传感器2连接，co2传感器2与电脑17信号连接。

在本发明中，所述内筒12底部设有无纺布垫层14，透水而不透沙，模拟潮间带地下水水位变化。所述采样气室7内设有旋转叶片8，旋转叶片8与电源5连接，旋转叶片8为双层旋转叶片，保证采样气室7内的气体混合均匀，减小测量误差。所述外筒13的筒壁上设有刻度，内筒12和外筒13均采用透明有机玻璃材料制作，外筒13边缘标有刻度线20，便于读取和控制内筒12地下水水位。所述采样气室7的采样口设置可拆卸式不锈钢滤网6，防止当采样气室7的叶片旋转搅动泥沙进入气路通道，引起机器故障或测量误差，也便于清洗。所述气路管路3设有干燥脱水装置4，可防止气体中水分对co2测量产生的影响，提高测量精度。所述co2传感器2通过回路管路与采样气室7连接，通过气路管路3和回路管路组成一个回路通道，检测后的气体循环进入测量系统内，保证co2浓度测量结果不受外界环境干扰。所述内筒12的底部外沿设有垫块15，使内筒12和外筒13之间不直接接触，实现海水从底部均匀和自由交换。

在本发明中，选用透明有机玻璃作为内筒12和外筒13制作材料，外筒13内径300mm，内筒12内径200mm左右。采用pvc材料做气路通道，内径选择5-8mm。内筒12底部和侧壁小孔孔径2mm为宜，筒底小孔圆心间距4-5mm，筒壁小孔圆心间距50mm。内筒12底部覆盖透水无纺，保证透水不透沙。采样气室7采样入口处采用圆形可拆卸式不锈钢滤网6，直径10mm。

一种上述的环境条件可控的潮间带co2通量室内模拟实验装置的测量方法，包括以下步骤：

(1)从野外采集潮间带沉积物样本，分层装填入装置内筒12，保证泥面略低于内筒12筒壁透水孔18，在外筒13装入一定量的采样点原水，带回实验室进行碳通量测量，同时采集足量的采样点海水用于在室内开展潮汐过程模拟；

(2)将野外采集的沉积物样本置于生化培养箱1，调整培养箱的温度和湿度至设定值，使沉积物及海水中的浮游生物逐渐适应人工营造的环境条件；

(3)将外筒13、蠕动泵11和储水箱16通过水路管道相连接，启动蠕动泵11，模拟海洋潮汐作用的涨潮或落潮过程，调节蠕动泵11流量，控制水位上升或下降速率与野外观测结果相符；

(4)将采样气室7平放至沉积物表面并压实，连接气路管路3，检查气路系统的气密性；

(5)开启co2传感器2，连续测量不同地下水位条件下沉积物表面的co2实时浓度；

(6)利用co2浓度过程数据，通过以下公式计算潮间带土-气界面co2通量：

式中：为co2浓度时间过程的斜率，ppm/s，ti为第i个监测数据的监测时间，单位为s；yi为第i个监测数据的co2浓度值，单位为ppm；n为监测数据的总数；φ为co2通量，单位为mol/m²/d；k为转化因子；p为气体气压，单位为pa；v为采样气室7体积，单位为m³；r为通用气体常数，8.314472m³·pa/mol/k；t为气体温度，单位为k；a为采样气室7入口处面积，单位为m²；

(7)采用以下公式计算co2通量测量结果的线性回归误差e：

式中：e为实验数据的线性回归误差，计算数据选择测定开始两分钟后的数据。

(8)若e大于0.9，表明实验数据很好，co2浓度过程的线性关系较好，实验数据可信度高，若e小于0.5，表明实验数据质量较差，需要再次开展监测工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。