本发明属于生态环境研究技术领域，尤其涉及一种开放式臭氧浓度增加模拟系统。
背景技术：
全球工业化和城市化的加剧使大气组分发生了变化，导致了全球气候变暖，这对人类生存环境和社会经济的持续发展构成威胁，引起了全球科学家的广泛关注和各国政府的高度重视。为了评价、预测和应对大气组成变化的后果，科学界做了长期的努力。上世纪80年代前，大量的研究在温室、培养箱或开顶式气箱中进行，但由于相应的试验条件如温度、风速、湿度、降雨等因素与自然条件相去甚远，特别是试验装置中的植物与昆虫、病源隔离，以从这种模拟环境中所取得的研究结果预测大气组成和气候变化对生态系统的影响，具有较多的不确定性；另外，以往的密闭或半密闭箱式设施内部生长空间有限，仅能进行短期实验(1-2年)，无法对较大的林木甚至生态系统进行连续多年的O3熏蒸实验研究。因此，研制开发能在自由空气条件下升高大气中某个特定组分的系统，以尽可能接近自然生态环境的条件研究生态系统对全球变化的响应和适应，是非常必要的。
近地层臭氧(O3)主要来源于氮氧化物(NOx)和挥发性有机化合物(VOCs)等前体物发生的光化学反应，是一种对陆地植被有极强毒性作用的二次污染物。近几十年来大气中NOx及挥发性有机物的迅速提高，导致全球范围内近地层O3浓度正以每年0.3％～2.0％的速度持续增加；其中，我国东部地区近地层O3浓度的升高趋势更为明显，尤其在人口密集的城市和地区，如北京周边地区，夏季白天日(8h)平均O3浓度超过100ppb，小时平均O3浓度极值高达300ppb以上。因此，地表O3污染已被认为是区域和全球性的主要环境问题之一，在我国，地表O3已经成为大部分地区夏季的首要空气污染物。据估计，环境臭氧浓度增加可减少我国7.7％的森林储存量。
国内外学者先后研制开发了在自由空气条件下升高CO2浓度特定组分的系统，但是与浓度恒定的大气CO2相比，O3具有明显的日时和季节性变化；另外，O3是强氧化性的气体，因此研制O3-FACE(Free Air gas Concentration Enrichment)平台具有更大的挑战性。目前，全球范围内已建成的用于研究O3对森林生态系统长期影响(10年)的O3-FACE平台仅有2座：美国的ASPEN平台和德国的KROFEX平台。ASPEN平台是从幼小苗木(杨树、桦木和枫树)开始连续CO2和O3熏蒸10年；KROFEX平台是建立在已有的成熟林云杉(40年)和山毛榉(60年)混交林，研究O3对森林冠层碳固定的影响。然而，这2个平台只考虑了一种或两种大气组分对森林生态系统的影响，研究结果很难客观评价当前全球气候变化导致的多个环境因子如CO2浓度升高、升温、干旱、氮沉降量加剧等共同存在对森林生态系统的影响及其气候反馈。在国内，已建有小麦和水稻等作物的O3-FACE平台，相对于作物的O3-FACE平台来说，森林O3-FACE平台的覆盖面积更大，还要随着树木的生长在竖直方向上不断延伸，其搭建技术更为复杂；另外，作物的O3-FACE平台每次仅运行一个生长季(约3个月)，而森林O3-FACE平台则需要连续运行数年，对设备的可靠性要求更高。
随着人为活动的加剧，全球的O3浓度、CO2浓度、升温、干旱、氮沉降量加剧等环境问题仍将维持很长一段时间，O3与其它环境因子复合对生态系统尤其是森林生态系统的服务功能(如固C、调节气候等)的影响，仍将是各国政府和科学家普遍关注的科学问题。O3-FACE平台是唯一能够客观评价O3与其它环境因子对森林生产力影响及对全球气候变化反馈的研究手段，在今后森林生态系统的研究中必然受到国内外研究机构的广泛使用。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，在野外目标区域没有任何隔离设施，能在开放体系中调控O3组分浓度，气体可以自由流通，目标区域内的通风、光照、温度、湿度等条件十分接近自然生态环境，能为研究生态系统对大气中O3浓度变化的响应提供理想手段。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，其特征在于，该系统包括臭氧发生及混气子系统，布气子系统和检测采样控制子系统；其中，所述臭氧发生及混气子系统包括臭氧发生单元、压缩空气单元和混气单元，所述臭氧发生单元和压缩空气单元均与所述混气单元相连接；所述布气子系统包括设置在目标区域周围的多根支撑柱和设置在所述支撑柱上并与地面平行的布气管，所述布气管与所述混气单元相连接，所述布气子系统笼罩的范围为实验圈；所述检测采样控制子系统包括主控计算机以及与所述主控计算机相连接的数据采集控制器、风速风向传感器和臭氧分析仪，所述数据采集控制器分别与所述臭氧发生及混气子系统和布气子系统相连接；所述臭氧分析仪包括至少三台，分别用于测量实验圈中心点的臭氧浓度、轮流测量实验圈内多个点的臭氧浓度以及测量对照圈中心点的臭氧浓度。
所述压缩空气单元包括空气压缩机，以及依次与所述空气压缩机相连接的干冷机和油雾分离器。
所述压缩空气单元中还安装有平衡贮气罐。
所述混气单元包括文氏管和质量流量控制器，所述文氏管的入口与所述压缩空气单元相连接、出口与所述布气子系统相连接、喉部与所述臭氧发生单元相连接；所述质量流量控制器与所述臭氧发生单元和文氏管相连接。
所述布气管上等间隔布置多个布气孔，所述布气孔的外部还设置有凹窝；所述布气管包括多根。
所述臭氧发生及混气子系统包括多个所述混气单元，所述布气子系统也包括多个；所述臭氧发生单元和压缩空气单元为所有实验圈提供臭氧气体和干净压缩空气，各个实验圈分别对应独立的所述混气单元和布气子系统。
所述布气子系统还包括高度调节装置，所述高度调节装置能控制所述布气管的放置高度。
所述实验圈内在作物冠层下方还设置有叶片湿润度传感器。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，在野外的目标区域没有任何隔离设施，气体可以自由流通，区域内的通风、光照、温度、湿度等条件十分接近自然生态环境，因而能为研究生态系统对大气中O3浓度变化响应提供理想手段，为全球变化的区域响应及对社会经济发展的影响研究提供技术支撑，具有重要科学和实践意义。2、本发明的一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，内部空间非常大，单圈占地面积约为256㎡(即16m*16m的正方形)，可以同时开展O3浓度升高、CO2浓度增加、增温、氮沉降增加及干旱等多个生态环境因子变化对森林生态系统(地上和地下生态系统等)的复合影响的综合研究，形成在开放体系同时调控多个空气组分浓度的模拟实验系统，在平台技术方面领先，为研究全球气候变化对生态系统的综合影响提供技术保障。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的布气子系统的局部放大结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
建立开放体系中调控O3组分浓度的O3-FACE平台，要求在野外的目标区域没有任何隔离设施，气体可以自由流通，目标区域内的通风、光照、温度、湿度等条件十分接近自然生态环境。由于O3气体易分解、不能被储存，因此O3-FACE平台采用即时发送-控制混气-输送-自由释放的方式；由于O3浓度波动很大，没有采用固定升高O3浓度值的方式，而是采用升高O3浓度比例的方法，将实验圈内目标区域的O3浓度值设定为高于对照圈(对照圈与实验圈大小相同，但没有O3熏蒸处理，其相当于正常的外界环境情况，在控制试验中称为对照)O3浓度值50％；系统每10秒钟采集各实验圈和对照圈中心杨树冠层高度的O3浓度、一个实验圈内16个不同位置处的O3浓度及系统各部位的控制状态数据，对数据进行处理分析，根据结果对各个实验圈的O3浓度进行控制。
基于上述原理，如图1所示，本发明提供的一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，其包括臭氧发生及混气子系统1、布气子系统2和检测采样控制子系统3。其中，臭氧发生及混气子系统1用于提供升高目标区域内冠层臭氧浓度所需的含臭氧的气体，包括臭氧发生单元11、压缩空气单元12和混气单元13；臭氧发生单元11通过臭氧发生器产生体积含量约为5％氧气气体的臭氧，压缩空气单元12用于提供经过干燥去污的压缩空气，混气单元13用于将臭氧与压缩空气混合加压后平稳输送到田间的目标区域中。布气子系统2包括设置在目标区域周围的多根支撑柱21和设置在支撑柱21上并与地面平行的布气管22，布气管22与混气单元13相连接，布气子系统2笼罩的范围即为实验圈，作物种植在实验圈内，经过加压混合后的含臭氧的气体由布气管22输送到实验圈内的作物冠层。检测采样控制子系统3包括主控计算机31和分布在田间并与主控计算机31相连接的数据采集控制器(Campbell，CR1000)、风速风向传感器及臭氧分析仪(图中未示出)；数据采集控制器分别连接臭氧发生及混气子系统1和布气子系统2对应的仪器设备和电磁阀门，采集并储存田间监测到的数据信息并传送到主控计算机31上，同时接收主控计算机31发出的控制指令并转化为电信号，从而控制各仪器设备和电磁阀门的工作状态；实验圈中设置一台专门用于测量实验圈中心点臭氧浓度以作为控制点的臭氧分析仪、一台轮流测量实验圈内16个点臭氧浓度以得到实验圈内臭氧浓度分布的臭氧分析仪、一台专门用于测量对照圈中心点臭氧浓度以选择布气目标浓度设置值的臭氧分析仪；风速风向传感器用于测量田间的气象及田间条件；主控计算机31根据实验圈的总臭氧流量需求自动控制臭氧发生器的工作模式，以达到既保证实验圈臭氧供应量，又安全、节能、减耗的目标；主控计算机31实时分析处理从田间采集到的平台运行数据，并显示在主控界面上，显示信息包括：工作状态(正常、检修、停止放气)、控制点臭氧浓度测量值、当前臭氧浓度设定值、风速、各放气管的开关状态、不同时间尺度(如1h和8h)之内各实验圈控制精度线性图、实验圈内16个监测点的臭氧浓度分布、气象数据等。由于在不同的气象以及田间条件下，例如不同的风速条件、随作物生长而抬高放气管高度等，控制方程的最佳控制参数会有所不同；操作人员可以在监控界面选择数据采集控制器，以及相应需要调整的参数在数据采集控制器中的变量位置，将新的参数直接传送到该位置，以达到更好的控制精度要求。主控计算机31对质量流量计流量、电参数、气压、叶面湿度等多种参数实施自动监测、报警与保护，保证系统安全正常运行。
上述实施例中，臭氧发生单元11中贮存在中压钢瓶中的医用液态纯氧(99.9％)经过减压汽化成高纯氧气供给臭氧发生器作为制备臭氧的气源，臭氧发生器采用江苏康尔公司生产的KCF-ZT250型发生器，臭氧发生器使用高压中频电源，采用双水冷结构。
上述实施例中，压缩空气单元12包括空气压缩机121，空气压缩机121用于持续提供压缩空气，产生的压缩空气通过干冷机122和油雾分离器123去除其中的水分和油雾；此外，压缩空气单元12中还安装一个平衡贮气罐124，用于保证压缩空气的气流平稳。
上述实施例中，混气单元13包括文氏管131和质量流量控制器132，文氏管131的入口与压缩空气单元12相连接、出口与布气子系统2相连接、喉部与臭氧发生单元11相连接，质量流量控制器132与臭氧发生单元11和文氏管131相连接。文氏管(Venturi)131的工作原理是：当其入口压力保持不变时，降低出口压力到一定程度，其喉部发生汽蚀；当出口压力低于入口压力50％以下时，汽蚀区会扩大，并形成负压，这就能使低压的含臭氧的氧气混入压缩空气中，再传送到布气子系统2；此时通过文氏管131的流量不再受其出口压力和下游压力的影响，只取决于入口压力，提高入口压力，就可提高流量；而且下游的压力脉动被文氏管131隔离，从而防止了整个管路的压力振荡。质量流量控制器132根据实验圈发出的臭氧流量要求，控制输入到混气单元13的含臭氧气体流量。
上述实施例中，布气子系统2的布气管22为8根长度为16m的PPR管，布气管22外径20mm，上面打有一排间隔12cm、孔径0.5mm、共约133个的布气孔，布气孔外还有直径为4.5mm的凹窝，以利于气流平稳释放。8根布气管22相互间隔分为2组，交替放气。
上述实施例中，臭氧发生及混气子系统1包括多个混气单元13，布气子系统2也包括多个；臭氧发生单元11和压缩空气单元12为所有实验圈提供臭氧气体和干净空气，各个实验圈分别对应独立的混气单元13和布气子系统2；根据各实验圈实际的臭氧流量要求，通过质量流量控制器132调节混入的含臭氧的氧气流量，输送到各实验圈。多余的臭氧气体通过臭氧毁灭器并释放到大气中。
上述实施例中，如图2所示，布气子系统2还包括高度调节装置23，高度调节装置23可以是滑轮组，通过链条与布气管22相连接，通过高度调节装置23控制布气管22的放置高度。当然，高度调节装置23也可以是导轨、带轮等其他能调节布气管22高度的装置。布气管22的放置高度在作物冠层上方约30-50cm，以利于释放的气体随风扩散，同时有利于低风、无风时臭氧浓度的平稳扩散。
上述实施例中，主控计算机31可以是PLC工控机，臭氧分析仪采用Thermo公司的49i型号；仪器每月用标准设备校正一次，测量数据每10s更新一次输出。
上述实施例中，安全控制是整个系统的设计重点，为保证系统安全运行，特别设定当目标臭氧浓度为200ppb时，系统停止臭氧浓度继续增加；另外，当植物叶片有水珠时，臭氧会造成叶片的急性损伤，在冠层下方放置叶片湿润度传感器，能很好地反映叶片的湿润状态；当叶片湿度超过160时，将关闭系统运行。除了对实验和环境的安全之外，还必须考虑人员和设备的安全，控制程序中设置有断电情况的处理，以及人工控制模式；在远程控制计算机的监控程序中，设有“启动开关”，可及时处理突发事件。
上述实施例中，田间各个数据采集控制器间的通讯，是通过同轴电缆连接的，主控计算机31与数据采集控制器(CR1000)的通讯，是通过Campbell公司提供的动态链接库建立的。通过动态链接库所提供的函数，可以实现连接数据采集控制器、对数据采集控制器发出控制指令、从数据采集控制器提取存储数据等一系列操作。
本发明的一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，在北京市延庆野外实验与示范基地(40.49°N 115.99°E)进行了实际使用实验，目前已建成4个实验圈和4个对照圈。实验圈对应的布气子系统为16*16(长*宽)m2的正方形，四周设有缓冲带，以减少释放臭氧对其它圈的影响；系统每10秒钟采集各实验圈和对照圈中心杨树冠层高度的臭氧浓度和一个实验圈中16个不同位置处的臭氧浓度，以及各子系统设备的控制状态数据；对数据进行处理分析，根据结果对各个实验圈的臭氧浓度进行控制。
系统的控制精度采用TAR值(目标完成比)来反映，TAR值的计算公式如下：
TAR值＝实际浓度值/目标浓度设置值
计算之后的结果表明，已建成实验圈的实际浓度值在目标浓度设置值的60％、80％、90％的范围内。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。