本发明涉及农业与生态环境科学研究用仪器领域，具体涉及一种微生物呼吸速率自动测定装置。
背景技术：
土壤微生物呼吸速率数据是反映土壤有机碳分解过程和微生物活性的重要指标，在生态系统生态学研究和全球碳循环过程中扮演着重要的角色。传统研究中，获取土壤微生物呼吸速率数据的测定方法都是基于碱液吸收法、红外分析仪法或气相色谱法等的手动测定方法，在样品量较大的情况下需要耗费大量的人力物力。基于多个样品自动切换技术的自动测定装置将可以很好地解决这些问题。尽管目前已有相关设备，但是最多只能实现16个样品间的自动切换。这样，在样品量比较多的情况下，还是需要频繁更换样品才能完成测定，不仅费力，且会由于手动切换使得环境因素对样品的扰动很大，影响到测定结果的有效性和准确性。此外，相关设备价格十分昂贵，也进一步限制了其广泛应用。因此，进一步开发能够实现更多样品自动测定的成本低廉的设备就变得十分紧迫。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种微生物呼吸速率自动测定装置，用以解决现有技术中无法大批量连续测定微生物呼吸速率的问题。
本发明实施例提供一种微生物呼吸速率自动测定装置，包括：
至少一个培养瓶；
多通道控制系统，包括至少一个通道，所述通道与所述培养瓶对应连接，所述通道用于获取所述培养瓶中的被测气体；
二氧化碳分析仪，与所述多通道控制系统连接，用于测定所述被测气体中的二氧化碳浓度数据；
数据采集器，与所述二氧化碳分析仪连接，用于采集所述二氧化碳浓度数据，并根据所述二氧化碳浓度数据确定微生物呼吸速率。
优选地，所述多通道控制系统包括：
进气电磁阀组，包括至少一个进气电磁阀；所述进气电磁阀与所述培养瓶对应连接，并通过第一连接部件与所述二氧化碳分析仪连接，用于将所述被测气体从所述培养瓶输送至所述二氧化碳分析仪中；
出气电磁阀组，包括至少一个出气电磁阀；所述出气电磁阀与所述培养瓶对应连接，并通过第二连接部件与所述二氧化碳分析仪连接，用于将所述被测气体从所述二氧化碳分析仪输送回所述培养瓶中；以及通过第三连接部件与第一气泵的一端连接，用于将大气输送至所述培养瓶中，执行换气操作；
至少一个多通道时间继电器，分别与所述进气电磁阀和所述出气电磁阀电联接，用于控制所述进气电磁阀和所述出气电磁阀的工作顺序；
其中，与同一培养瓶连接的所述进气电磁阀和所述出气电磁阀通过所述二氧化碳分析仪互通。
优选地，所述第一连接部件包括一个出气口和至少一个进气口；
所述第二连接部件包括一个进气口和至少一个出气口；
所述第三连接部件包括一个进气口和至少一个出气口。
优选地，所述多通道控制系统还包括第一过滤器，所述第一过滤器的一端与所述第一气泵的另一端连接，所述第一过滤器的另一端直通大气。
优选地，所述多通道控制系统还包括第二气泵、第二过滤器和导气管；
所述二氧化碳分析仪通过所述导气管分别与所述进气电磁阀组和所述出气电磁阀组连接，且所述培养瓶通过所述导气管分别与所述进气电磁阀和所述出气电磁阀对应连接；
所述第三连接部件通过所述导气管分别与所述出气电磁阀组和所述第一气泵连接；
所述第二气泵设置在所述进气电磁阀组和所述二氧化碳分析仪之间；
所述第二过滤器设置在所述第二气泵和所述二氧化碳分析仪之间。
优选地，还包括水汽饱和气体生成装置；所述水汽饱和气体生成装置包括：人工气候箱、铜粒瓶和缓冲瓶；
所述铜粒瓶和所述缓冲瓶位于所述人工气候箱内；所述铜粒瓶分别与所述第一气泵和所述缓冲瓶连接；所述缓冲瓶还与所述第三连接部件连接；所述水汽饱和生成气体装置用于将所述大气的水汽浓度调整为饱和状态。
优选地，所述培养瓶位于所述人工气候箱内；所述人工气候箱还用于改变所述培养瓶的温度，通过测定不同温度下的微生物呼吸速率确定微生物呼吸的温度敏感性。
优选地，所述培养瓶内设置有t型三通部件，与所述多通道控制系统连接，用于将所述被测气体的流向调节为水平方向。
本发明实施例提供一种微生物呼吸速率自动测定装置，包括：至少一个培养瓶；多通道控制系统，包括至少一个通道，通道与培养瓶对应连接，通道用于获取培养瓶中的被测气体；二氧化碳分析仪，与多通道控制系统连接，用于测定被测气体中的二氧化碳浓度数据；数据采集器，与二氧化碳分析仪连接，用于采集二氧化碳浓度数据，并根据二氧化碳浓度数据确定微生物呼吸速率。本发明实施例在大批量土壤样品连续自动测定的情况下，将该大批量土壤样品分别放入培养瓶中，并通过多通道控制系统的通道与各个培养瓶一一对应连接，来依次将抽取各个培养瓶中的被测气体并将被测气体输送至二氧化碳分析仪，然后将被测气体输送回原培养瓶中；二氧化碳分析仪根据被测气体获取二氧化碳浓度数据，并将获取的二氧化碳浓度数据发送至数据采集器，使得数据采集器根据二氧化碳浓度数据确定微生物呼吸速率；这样，本发明实施例可以通过扩展控制系统的通道个数来实现大批量的土壤样品进行连续测定，不需要在测定完一批培养瓶后手动更换下一批培养瓶，减少了由于手动切换带来的获取微生物呼吸速率的干扰，提高了微生物呼吸速率测定的效率和准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的微生物呼吸速率自动测定装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种第二连接部件或第三连接部件的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种水汽饱和气体生成装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的微生物呼吸速率自动测定装置的结构示意图，包括：
至少一个培养瓶。
多通道控制系统，包括至少一个通道，通道与培养瓶对应连接，通道用于获取培养瓶中的被测气体。
二氧化碳分析仪，与多通道控制系统连接，用于测定被测气体中的二氧化碳浓度数据。
数据采集器，与二氧化碳分析仪连接，用于采集二氧化碳浓度数据，并根据二氧化碳浓度数据确定微生物呼吸速率。
其中，在各个培养瓶中分别放置土壤样品，并将培养瓶放置于恒温环境中；恒温环境的温度是由测定人员确定的。
在实际应用中，可根据需要测定的土壤样品的个数扩展多通道控制系统的通道个数，使得各个培养瓶分别与多通道控制系统的各个通道一一对应连接；这样，多通道控制系统依次抽取各个培养瓶中的被测气体，进而将抽取的被测气体送入二氧化碳分析仪中，获取被测气体不同时刻的二氧化碳浓度数据，同时将被测气体输送回原培养瓶中；二氧化碳分析仪获取不同时刻的二氧化碳浓度数后，将不同时刻的二氧化碳浓度数据发送至数据采集器；数据采集器接收不同时刻的二氧化碳浓度数据，并根据一定时间内的二氧化碳浓度的变化确定微生物呼吸速率。
优选地，多通道控制系统包括：
进气电磁阀组，包括至少一个进气电磁阀；进气电磁阀与培养瓶对应连接，并通过第一连接部件与二氧化碳分析仪连接，用于将被测气体从培养瓶输送至二氧化碳分析仪中。
出气电磁阀组，包括至少一个出气电磁阀；出气电磁阀与培养瓶对应连接，并通过第二连接部件与二氧化碳分析仪连接，用于将被测气体从二氧化碳分析仪输送回培养瓶中；以及通过第三连接部件与第一气泵的一端连接，用于将大气输送至培养瓶中，执行换气操作。
至少一个多通道时间继电器，分别与进气电磁阀和出气电磁阀电联接，用于控制进气电磁阀和出气电磁阀的工作顺序。
其中，与同一培养瓶连接的进气电磁阀和出气电磁阀通过二氧化碳分析仪互通。
进气电磁阀的个数、出气电磁阀的个数和培养瓶的个数相同。
二氧化碳分析仪包括进气口和出气口。二氧化碳分析仪的进气口与进气电磁阀组连接，二氧化碳分析仪的出气口与出气电磁阀组连接。
进气电磁阀包括进气口m1、出气口m2和换气口m3；进气口m1与培养瓶连接，出气口m2通过第一连接部件与二氧化碳分析仪的进气口连接，换气口m3直通大气。
其中，进气电磁阀通电时，进气电磁阀的进气口m1和出气口m2导通，对与该进气电磁阀连接的培养瓶进行微生物呼吸速率测定。进气电磁阀断电时，进气电磁阀的进气口m1和换气口m3导通，对于该进气电磁阀连接的培养瓶进行换气。
出气电磁阀包括进气口n1、出气口n2和换气口n3；进气口n1与二氧化碳分析仪的出气口连接，出气口n2通过第二连接部件与培养瓶连接，换气口n3通过第三连接部件与第一气泵一端连接。
其中，出气电磁阀通电时，出气电磁阀的进气口n1和出气口n2导通，此时对与该出气电磁阀连接的培养瓶进行微生物呼吸速率测定。出气电磁阀断电时，出气电磁阀的出气口n2和换气口n3导通，对与该出气电磁阀连接的培养瓶进行换气。
这样，培养瓶中的被测气体从进气电磁阀的进气口m1和出气口m2被抽出，经过二氧化碳分析仪测定之后，通过出气电磁阀的进气口n1和出气口n2回到原培养瓶中。
可以理解的，与同一培养瓶连接的进气电磁阀的进气口m1和出气口m2，以及出气电磁阀的进气口n1和出气口n2形成多通道控制系统中的一个通道；其中，与不同培养瓶连接的进气电磁阀和出气电磁阀不互通。其中，由于在密闭环境中的二氧化碳浓度升高会抑制微生物呼吸，因此，为了提高测定微生物呼吸速率的准确性，出气电磁阀在断电时，出气口n2和换气口n3导通，进气电磁阀在断电时，进气口m1和换气口m3导通，可以实现对应培养瓶的持续换气。由于微生物呼吸速率的测定是在电磁阀(包括进气电磁阀和出气电磁阀)通电时发生的，而换气是在电磁阀断电时发生的，因而微生物呼吸的测定和换气是互不干扰的。同一时刻只有一个培养瓶在进行微生物呼吸的测定，其他所有培养瓶均在执行换气操作。
基于此，为了便于控制多通道控制系统的通道工作。
一个多通道时间继电器可以与多通道控制系统的预设个数通道连接，控制多通道控制系统的通道工作顺序；本发明实施例通过至少一个多通道时间继电器的联动，来控制多通道系统的各个通道工作。示例的，本发明提供的微生物呼吸速率自动测定装置包括7个多通道时间继电器，一个多通道时间继电器包括16个通道；这样，可以实现(7*16＝112)个培养瓶的微生物呼吸速率的自动测定。
具体的，多通道时间继电器通过设置进气电磁阀的顺序和出气电磁阀的顺序，来对培养瓶进行换气和微生物呼吸速率测定。
其中，同一个培养瓶上相连的进气电磁阀和出气电磁阀顺序相同。
多通道时间继电器控制控制进气电磁阀和出气电磁阀工作的具体实施方式包括以下步骤：
s101：多通道时间继电器给进气电磁阀1和出气电磁阀1同时供电，对培养瓶1进行微生物呼吸测定，即将培养瓶1中的被测气体通过进气电磁阀1被抽到二氧化碳分析仪中，然后经过出气电磁阀1返回到培养瓶1中；同时，除培养瓶1之外的所有培养瓶执行换气操作。一个测定周期后对进气电磁阀1和出气电磁阀1断电。
其中，进气电磁阀i、出气电磁阀i分别与第i个培养瓶的连接；i大于等于1，且i为正整数。
s102：进气电磁阀1和出气电磁阀1断电后，多通道时间继电器给进气电磁阀2和出气电磁阀2同时供电，对培养瓶2进行微生物呼吸测定，即将培养瓶2中的被测气体通过进气电磁阀2被抽到二氧化碳分析仪中，然后经过出气电磁阀2返回到培养瓶2中；同时，除培养瓶2之外的所有培养执行换气操作。以此类推直至所有培养瓶进行微生物呼吸测定完毕。
在所有培养瓶测定结束之后，可通过设定多通道时间继电器的工作周期和开始时间，自动开始下一个循环的测定或根据需要设定下一个循环开始的时间。
优选地，第一连接部件包括一个出气口和至少一个进气口；第二连接部件包括一个进气口和至少一个出气口；第三连接部件包括一个进气口和至少一个出气口。
其中，第一连接部件包括一个出气口和至少一个进气口；第一连接部件的出气口与二氧化碳分析仪连接，第一连接部件的进气口与进气电磁阀的出气口m2对应连接。
第二连接部件包括一个进气口和至少一个出气口；第二连接部件的进气口与二氧化碳分析仪连接，第二连接部件的出气口与出气电磁阀的进气口n1对应连接。
第三连接部件包括一个进气口和至少一个出气口；第三连接部件的进气口与第一气泵的一端连接，第三连接部件的出气口与出气电磁阀的换气口n3对应连接。
其中，可通过减小第一连接部件的体积和第二连接部件的体积，来减小测定的上一个培养瓶的记忆效应带来的误差，即该上一个培养瓶在多通道控制系统中残留的被测气体对于此时被测的培养瓶的影响，提高测定微生物呼吸速率的准确性。
在实际应用中，第一连接部件、第二连接部件和第三连接部件均为多孔器，多孔器包括至少一个进气口和至少一个出气口，多孔器的进气口和出气口互通，且多孔器的各个进气口之间互通，多孔器的各个出气口之间互通。
如图2所示，为一种第二连接部件或第三连接部件的结构示意图。图2是以第二连接部件或第三连接部件包括一个进气口a1和五个出气口为例说明的；其中，出气口分别为b1、b2、b3、b4和b5。
示例的，第一连接部件的结构与图2所示的第二连接部件或第三连接部件相同，图2中的五个出气口b1、b2、b3、b4和b5分别可以作为第一连接部件的进气口，图2中的进气口a1可以作为第一连接部件的出气口。
基于此，可通过减小多孔器的体积，也就是说，减小第一连接部件的出气口和第二连接部件的进气口的长度，来减小记忆效应的影响。
示例的，多孔器包括一个进气口和112个出气口；该多孔器的内部容积为1.5ml，外直径为35mm，长为120mm，内径为4mm；该112个出气口均与4mm的内径连通。
进一步的，还可以减小多孔器与二氧化碳分析仪之间的导气管的长度，来减小上一个培养瓶中的被测气体对于正在测定的培养瓶的影响。
优选地，多通道控制系统还包括第一过滤器，第一过滤器的一端与第一气泵的另一端连接，第一过滤器的另一端直通大气；这样，通过第一过滤器可以过滤大气中的固体颗粒，减少大气中的固体颗粒对于本发明实施例提供的微生物呼吸速率自动测定装置的损害。
为了便于将培养瓶中的被测气体抽入二氧化碳分析仪中，并提高测定微生物呼吸速率的准确性，优选地，多通道控制系统还包括第二气泵、第二过滤器和导气管。
二氧化碳分析仪通过导气管分别与进气电磁阀组和出气电磁阀组连接，且培养瓶通过导气管分别与进气电磁阀和出气电磁阀对应连接。
第三连接部件通过导气管分别与出气电磁阀组和第一气泵连接。
第二气泵设置在进气电磁阀组和二氧化碳分析仪之间。
第二过滤器设置在第二气泵和二氧化碳分析仪之间，用于减少培养瓶中的固体颗粒对于本发明实施例提供的微生物呼吸速率自动测定装置的损害，并提高测定微生物呼吸速率的准确性。此外，由于对培养瓶进行换气会加速培养瓶中土壤水分的蒸发，为了抑制培养瓶内的土壤样品水分蒸发，优选地，还包括水汽饱和气体生成装置；水汽饱和气体生成装置包括：人工气候箱、铜粒瓶和缓冲瓶；
铜粒瓶和缓冲瓶位于人工气候箱内；铜粒瓶分别与第一气泵和缓冲瓶连接；缓冲瓶还与第三连接部件连接；水汽饱和生成气体装置用于将大气的水汽浓度调整为饱和状态。具体如图3所示，为本发明实施例提供的一种水汽饱和气体生成装置的结构示意图。
其中，气候箱的温度可预设，气候箱的温度即是微生物呼吸的培养温度；铜粒瓶中包括铜粒和少量纯净水。
在实际应用中，缓冲瓶通过第三连接部件与多通道控制系统的出气电磁阀组连接，来通过第一气泵将水汽饱和生成装置产生的水汽饱和大气输送至培养瓶中，并通过进气电磁阀的换气口m3排放至培养瓶外。
由于铜导热率很大且比热容很低，在气候箱变温的过程中，铜粒温度会快速随气候箱的温度改变而改变，使得铜粒瓶的温度与气候箱的温度相同。
这样，若气候箱内温度低于抽入铜粒瓶的大气温度时，那么，进入铜粒瓶的大气遇到低温的铜粒发生冷凝并生成气候箱低温下的水汽饱和大气。若人工气候箱内温度高于抽入铜粒瓶的大气温度时，那么，进入气候箱的大气通过铜粒瓶和水的混合物后会显著增加铜粒瓶的大气的水汽浓度直至接近饱和状态，即生成气候箱高温下的水汽饱和大气；然后通过缓冲瓶进入多通道控制系统，进而对培养瓶中进行换气，防止将水汽饱和大气中的水分将铜粒瓶中的水分带入到多通道控制系统中，减少水汽带来的采集微生物呼吸速率的误差。这样，在维持培养瓶内二氧化碳浓度正常的情况下，极大地降低了土壤蒸发和土壤变干的速度。
优选地，培养瓶位于人工气候箱内；人工气候箱还用于改变培养瓶的温度，通过测定不同温度下的微生物呼吸速率确定微生物呼吸的温度敏感性。
在实际应用中，可通过设置人工气候箱的自动变温程序，测定不同温度下的微生物呼吸速率来确定微生物呼吸的温度敏感性。
其中，温度敏感性是指微生物呼吸对温度升高的响应指标；土壤微生物呼吸的温度敏感性在全球碳循环模拟及预测未来全球变暖对碳循环影响中起着非常关键的作用。在实际应用中，可通过连续调节培养瓶所处的气候箱的温度，在不同温度下连续测定各个培养瓶的微生物呼吸速率，进而确定微生物的温度敏感性，即温度与微生物呼吸速率之间的关系。
优选地，培养瓶内设置有t型三通部件，与多通道控制系统连接，用于将被测气体的流向调节为水平方向。
其中，t型三通部件包括三个通气口，分别为通气口1、通气口2和通气口3。通气口2和通气口3位于同一水平线，通气口1垂直于通气口2和通气口3。在实际应用中，通气口1通过导气管分别与进气电磁阀的进气口和出气电磁阀的出气口连接。
这样，出气电磁阀向培养瓶送回的被测气体平行于土壤表面的方向进入培养瓶，而不会直面吹向土壤，从而减少培养瓶土壤表面的蒸发。
进一步的，本发明实施例提供的微生物呼吸速率自动测定装置还包括供电模块，分别与多通道控制系统和二氧化碳分析仪电联接。供电模块用于对二氧化碳分析仪和多通道控制系统供电；供电系统分别与二氧化碳分析仪和多通道控制系统电联接。需要说明的是，本发明实施例对于供电系统的供电方式不进行限定。
需要说明的是，本发明实施例对于第一过滤器和第二过滤器的孔径不进行限定。示例的，第一过滤器和第二过滤器的孔径分别在0.2-1微米之间。对于第一气泵的流速和第二气泵的流速不进行限定。示例的，第一气泵的流速为1l/min之间，第二气泵的流速根据通道数量决定，保证平均每个通道的流速在0.5l/min左右。
本发明实施例在大批量土壤样品连续自动测定的情况下，将该大批量土壤样品分别放入培养瓶中，并通过多通道控制系统的通道与各个培养瓶一一对应连接，来依次将抽取各个培养瓶中的被测气体并将被测气体输送至二氧化碳分析仪，然后将被测气体输送回原培养瓶中；二氧化碳分析仪根据被测气体获取二氧化碳浓度数据，并将获取的二氧化碳浓度数据发送至数据采集器，使得数据采集器根据二氧化碳浓度数据确定微生物呼吸速率；这样，本发明实施例可以通过扩展控制系统的通道个数来实现大批量的土壤样品进行连续测定，不需要在测定完一批培养瓶后手动更换下一批培养瓶，减少了由于手动切换带来的获取微生物呼吸速率的干扰，提高了微生物呼吸速率测定的效率和准确性。
进一步的，本发明提供的进气电磁阀还包括换气口m3，出气电磁阀还包括换气口n3，用于在对培养瓶进行微生物呼吸速率测定前，对培养品进行换气，使得被测气体的二氧化碳浓度与大气二氧化碳浓度相同，提高测定微生物呼吸速率的准确性。再进一步的，本发明提供的微生物呼吸速率自动测定装置还包括水汽饱和生成装置，来抑制培养瓶进行换气过程中引起的土壤水分蒸发。
进一步的，本发明通过设置人工气候箱的自动变温程序，可以通过测定不同温度下的微生物呼吸速率来确定微生物呼吸的温度敏感性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。