一种模拟硫污染下沟渠中水-底泥系统温室气体分布的实验装置及其方法与流程

本发明涉及一种模拟硫污染下沟渠中水-底泥系统温室气体分布的实验装置及其方法，属于环境保护系统领域。

背景技术：

温室效应会导致全球温度升高，海平面上升和极端气候频发等一系列严重后果。稻田生态系统是大气中的CO2、CH4、N2O的重要排放源，对全球变暖具有十分显著的贡献。目前对于稻田生态系统中温室气体的直接排放即稻田土壤中温室气体的排放已有大量的研究，但对于稻田生态系统中温室气体的间接排放如周边沟渠中温室气体的排放研究较少；尤其在稻田大量施用硫肥等肥料的背景下，沟渠上覆水-底泥系统中温室气体的释放规律研究更是少有。

稻田排水沟渠作为稻田生态系统的重要组成部分，是汇集、输运稻田灌溉(降雨径流)退水、排涝以及营养物质的重要生态廊道；其亦是温室气体的重要排放源。有必要研究硫肥等肥料输入背景下，稻田沟渠系统中温室气体的分布特征，才能更进一步深入的研究其释放规律。目前，现有的测量温室气体的装置均不能定量研究硫污染下温室气体的浓度，难以研究温室气体在不同空间深度的分布特征，因此，亟待提出一种模拟硫污染下沟渠中水-底泥系统温室气体分布的实验装置。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种模拟硫污染下沟渠中水-底泥系统温室气体分布的实验装置及其方法，实现硫不同浓度和输入频率下，上覆水-底泥系统中不同深度温室气体的取样。

本发明的目的是这样实现的，一种模拟硫污染下沟渠中水-底泥系统温室气体分布的实验装置，其特征是，包括温度传感器探头、圆柱顶盖箱、圆柱箱体、气体采样装置、硫污染物自动喷洒装置、压力平衡管、微型气压计；

所述圆柱顶盖箱下接圆柱箱体，圆柱顶盖箱盖于圆柱箱体上，圆柱箱体上设有标尺线；所述温度传感器探头安装于圆柱顶盖箱顶部的左侧，且穿过圆柱顶盖箱伸于圆柱箱体内；所述压力平衡管、微型气压计均安装于圆柱顶盖箱的右侧，压力平衡管、微型气压计均穿过圆柱顶盖箱伸于圆柱箱体内，且微型气压计位于压力平衡管的右侧，压力平衡管塞有橡胶塞帽；

所述硫污染物自动喷洒装置包括不锈钢研磨杯、三角瓶、控制系统，不锈钢研磨杯的底部与三角瓶的顶部贯通，三角瓶的底部设有若干细孔，不锈钢研磨杯、三角瓶贯通连接处安装有阀门；所述不锈钢研磨杯内设有电机，不锈钢研磨杯上部侧边设有污染物添加口；所述电机的动力输出轴上安装有不锈钢刀片，控制系统与电机电连接，控制系统控制电机定时启动与关闭，电机启动时，电机动力输出轴的转动带动不锈钢刀片转动；

所述硫污染物自动喷洒装置安装于圆柱顶盖箱的正上方，且硫污染物自动喷洒装置穿过圆柱顶盖箱，硫污染物自动喷洒装置的不锈钢研磨杯位于圆柱顶盖箱外，硫污染物自动喷洒装置的三角瓶位于圆柱顶盖箱内；

污染物经污染物添加口添加至不锈钢研磨杯，电机启动时，电机动力输出轴的转动带动不锈钢刀片转动，不锈钢刀片的转动对不锈钢研磨杯内的污染物进行研磨，打开阀门，研磨后的污染物穿过阀门落入三角瓶，并经三角瓶底部的若干细孔均匀喷洒至圆柱箱体中；

所述气体采样装置位于圆柱箱体的侧面，所述气体采样装置包括不锈钢架、不锈钢轨道、动力抽板、活塞、不锈钢条、不锈钢底座、Y型三通球阀、采样管、注射器、滚轮；

所述不锈钢架的底部设有不锈钢底座，不锈钢架的上下部均设有不锈钢轨道；所述动力抽板的上下两端均设有滚轮，动力抽板上、下两端的滚轮分别置于不锈钢架上部的不锈钢轨道、下部的不锈钢轨道内，动力抽板在滚轮的作用下，可在不锈钢架上滑动；

所述不锈钢条设置于不锈钢架上，不锈钢条上等间距安装固定有若干注射器，注射器的一端与Y型三通球阀贯通连接，另一端插有活塞，所述活塞一端插于注射器内，另一端与动力抽板固定连接；所述Y型三通球阀的一端与注射器贯通，另一端与采样管贯通连接；

所述采样管的一端与Y型三通球阀贯通连接，另一端倾斜设置在圆柱箱体的侧面，且采样管与圆柱箱体贯通；若干采样管在圆柱箱体侧面等间距布置；打开Y型三通球阀，移动动力抽板，带动活塞在注射器内移动，活塞往外移动时，经注射器、Y型三通球阀、采样管对圆柱箱体内实现抽气。

所述动力抽板上设有拉环；所述不锈钢架上设有钢丝绳。钢丝绳就是起到稳固不锈钢架的作用。

所述若干采样管在圆柱箱体侧面等间距10-20cm布置；且采样管斜向上120-170度设置在圆柱箱体的侧面；

所述注射器与采样管通过Y型三通球阀相连接，注射器的倾斜角度β由下式计算：

β＝γ-θ

其中，γ为采样管的倾斜角度，θ为Y型三通球阀最小的夹角。

所述不锈钢条上设有螺纹孔，注射器的外壁上设有与螺纹孔相匹配的外螺纹，注射器通过外螺纹旋紧于螺纹孔，与不锈钢条螺纹旋紧固定。

所述采样管与圆柱箱体接壤处设有过滤纱网。

所述不锈钢研磨杯的侧壁上设有刻度。

所述控制系统包括开关按钮、定时按钮和控制电路，开关按钮、定时按钮均与控制电路电连接。

所述圆柱顶盖箱选用PVC材质，圆柱顶盖箱的高度为300-500mm，厚度为4-8mm，半径为250-350mm；圆柱顶盖箱的顶部设有四个安装孔，分别为温度传感器探头安装孔、硫污染物自动喷洒装置安装孔、压力平衡管安装孔、微型气压计安装孔，温度传感器探头安装孔、硫污染物自动喷洒装置安装孔、压力平衡管安装孔、微型气压计安装孔上分别安装温度传感器探头、硫污染物自动喷洒装置、压力平衡管、微型气压计；所述硫污染物自动喷洒装置安装孔位于圆柱顶盖箱的正中间。

所述圆柱箱体选用PVC材质，圆柱箱体的半径和厚度均与圆柱顶盖箱一致，圆柱箱体的高度为800-1500mm，圆柱箱体的底部设有不锈钢支架。

一种模拟硫污染下沟渠中水-底泥系统温室气体分布的实验装置进行实验的方法，其特征是，实验方法包括如下步骤：

第一步、在圆柱箱体底部均匀铺设厚度为30mm的石英砂，并在其上铺置一层纱布，将原位采集的沟渠底泥进行均质化处理后，均匀的铺设在圆柱箱体中，形成底泥层，底泥层填装的厚度为200-500mm；

第二步、在圆柱箱体继续缓慢注入水形成水层，保持水层的厚度为400-800mm，圆柱箱体内水层上方为空气层；

第三步、连接圆柱顶盖箱和圆柱箱体，将圆柱顶盖箱盖于圆柱箱体上，并用密封的橡胶带进行密封，防止气体外泄；

第四步、连接气体采样装置，通过Y型三通球阀将注射器与采样管连接，固定好不锈钢底座；

第五步、根据不锈钢研磨杯中的标尺线按设定的频率定量加入实验所需污染物，污染物经污染物添加口添加至不锈钢研磨杯，在控制系统内设置好时间，控制系统控制电机定时启动与关闭，从而定时开启电机，电机启动时，电机动力输出轴的转动带动不锈钢刀片转动，不锈钢刀片的转动对不锈钢研磨杯内的污染物进行研磨；然后打开底部阀门使研磨后的污染物质进入下方带孔的三角瓶中，并经三角瓶底部的若干细孔均匀喷洒至下方的圆柱箱体中；

第六步、监测采样，在硫污染物喷洒后的第0.25-5天内，每间隔5分钟采集气体，调整Y型三通球阀使采样管和注射器联通，同时打开压力平衡管上的橡胶塞帽，保证圆柱箱体内外气压平衡，拉动动力抽板，带动活塞在注射器内往外移动，经注射器、Y型三通球阀、采样管对圆柱箱体内不同深度的气样采集；并通过温度传感器探头、微型气压计分别测量出圆柱箱体内的气温、气压，并记录圆柱箱体内的气温、气压；采样完毕快速盖紧气压平衡管的橡胶塞帽并密闭圆柱箱体内的气体；

第七步、对气样进行测定，利用气相色谱仪测定所采集的气体，分析不同高度所测气体的浓度。

本发明结构合理、生产制造容易、使用方便，通过本发明，提供的一种模拟硫污染下沟渠中水-底泥系统温室气体分布的实验装置及方法，主要包括硫污染物自动喷洒装置、圆柱顶盖箱、圆柱箱体、气体采样装置、温度传感器探头、压力平衡管和微型气压计；所述温度传感器探头、硫污染物自动喷洒装置、压力平衡管和微型气压计分别置于圆柱顶盖箱顶部的左侧、正上方、右侧及最右侧，圆柱顶盖箱下接圆柱箱体，气体采样装置位于圆柱箱体的侧面，其包括的采样管分别等间距均匀地置于箱体的侧面且倾斜向上布置。

作为优选，所述硫污染物自动喷洒装置包括控制系统、污染物添加口、电机、不锈钢研磨杯、不锈钢刀片、阀门、带孔三角瓶；其中所述不锈钢研磨杯带有刻度，所述控制系统包括开关按钮、定时按钮和控制电路，实现电机带动不锈钢刀片对所添加污染物进行定量定时研磨。所述带孔三角瓶底部分布细孔，可实现研磨后的污染物均匀喷洒至下方的圆柱箱体中。

作为优选，所述圆柱顶盖箱选用PVC材质，其高度300-500mm，厚度为4-8mm，半径为250-350mm。圆柱顶盖箱的顶部设有四个安装孔，正中间安装硫污染物自动喷洒装置，左侧安装温度传感器，右侧依次安装压力平衡管和微型气压计。

作为优选，所述圆柱箱体也选用PVC材质，其半径和厚度均与圆柱顶盖箱一致，高度为800-1500mm，底部设有不锈钢支架，侧面设有气体采样装置。

作为优选，所述气体采样装置包括，不锈钢架、不锈钢轨道、钢丝绳、动力抽板、活塞、拉环、不锈钢条、不锈钢底座、Y型三通球阀、采样管、注射器、滚轮等；采样管等间距10-20cm且斜向上120-170度设置在圆柱箱体的侧面以测量不同空间深度的温室气体的浓度分布，为防止泥土堵塞采样管，在采样管与圆柱箱体侧面连接处均设置过滤纱网。

作为优选，所述注射器外部带有螺纹且同采样管的数目、分布间距一致，分别穿过在不锈钢条上分布均匀的螺纹孔并进行紧固，其对应的活塞则与动力抽板相连接；动力抽板的底部均设有滚轮其可在不锈钢轨道上滑动与固定；所述注射器与采样管通过Y型三通球阀相连接。其倾斜角度β由下式计算：

β＝γ-θ

其中，γ为采样管的倾斜角度，θ为Y型三通球阀最小的夹角。

使用时，包括以下步骤：

第一步，定制圆柱顶盖箱和圆柱箱体：定做半径和厚度一致的圆柱顶盖箱和箱体，且箱体侧面等间距设有斜向上120-170度的采样管。

第二步，填入实验所需底泥：在圆柱箱体底部均匀铺设厚度为30mm的石英砂，并在其上铺置一层纱布，将原位采集的沟渠底泥进行均质化处理后，均匀的铺设在圆柱箱体中，底泥层填装的厚度为200-500mm。

第三步，注入所需水体：向圆柱箱体中缓慢注入需要水体，保持水层为400-800mm厚度。

第四步，安装硫污染物自动喷洒装置、温度传感器探头、压力平衡管和微型气压计：将硫污染物自动喷洒装置、温度传感器、压力平衡管和微型气压计分别依次穿过圆柱顶盖箱上方左、中、右、最右四个安装口进行固定安装。

第五步，连接箱盖和箱体：将圆柱顶盖箱盖于圆柱箱体上，并用密封的橡胶带进行密封，防止气体外泄。

第六步，连接气体采样装置：通过Y型三通球阀将注射器与采样管连接，固定好不锈钢底座。

第七步，硫污染物自动喷洒：根据不锈钢研磨杯中的标尺线按一定频率定量加入实验所需污染物，设定好时间并启动污染物喷洒装置中的电机实现对污染物质的研磨，然后打开底部阀门使研磨后的污染物质进入下方带孔的三角瓶中，使污染物均匀洒入下方的圆柱箱体中。

第八步，监测采样：在硫等污染物喷洒后的第0.25-5天内，每间隔5分钟采集气体，调整Y型三通球阀使采样管和注射器联通，同时打开压力平衡管上的橡胶塞帽，保证圆柱箱体内外气压平衡，拉动动力抽板，实现对圆柱箱体不同深度的气样的采集，并记录箱体内气温和气压；采样完毕快速盖紧气压平衡管的橡胶塞帽并密闭圆柱箱体内的气体。

第九步：对气样进行测定：利用气相色谱仪测定所采集的气体，分析不同深度所测气体的浓度。

有益效果：本发明的针对一种模拟硫污染下沟渠中水-底泥系统温室气体分布的实验装置及方法，可以实现硫污染物不同浓度和输入频率下，上覆水-底泥系统中不同深度温室气体的取样，不受野外环境干扰，可准确定量的测定不同空间深度温室气体的浓度分布；为研究硫污染下，沟渠系统中上覆水-底泥系统温室气体的浓度分布研究提供了实验模拟装置及模拟方法，操作简单，成本低廉，为精确确定和更好的改善稻田生态系统中温室气体的间接排放提供理论基础和技术支撑。

本发明操作简单，成本低廉，不受野外环境干扰，可准确定量的测定不同深度底泥中温室气体的浓度分布；为研究硫污染下，沟渠系统中上覆水-底泥系统温室气体的分布特征提供了实验方法，对进一步精确确定稻田生态系统中温室气体的间接排放具有重要理论和现实的意义。

附图说明

图1是本发明的主体结构示意图；

图2是本发明的气体采样装置示意图；

图3是本发明的硫污染物自动喷洒装置示意图。

图中：1温度传感器探头、2圆柱顶盖箱、3圆柱箱体、4气体采样装置、4-1不锈钢架、4-2不锈钢轨道、4-3钢丝绳、4-4动力抽板、4-5活塞、4-6拉环、4-7不锈钢条、4-8不锈钢底座、4-9Y型三通球阀、4-10采样管、4-11注射器、4-12滚轮、5滤纱网、6硫污染物自动喷洒装置、6-1开关按钮、6-2控制系统、6-3不锈钢研磨杯、6-4阀门、6-5三角瓶、6-6定时按钮、6-7污染物添加口、6-8电机、6-9不锈钢刀片、6-10细孔、7压力平衡管、8微型气压计、9空气层、10水层、11标尺线、12底泥层、13纱布、14石英砂、15不锈钢支架。

具体实施方式

下面结合附图以及附图说明，对本发明做进一步说明。

如图1-3所示，一种模拟硫污染下沟渠中水-底泥系统温室气体分布的实验装置，包括温度传感器探头1、圆柱顶盖箱2、圆柱箱体3、气体采样装置4、硫污染物自动喷洒装置6、压力平衡管7、微型气压计8。

圆柱顶盖箱2下接圆柱箱体3，圆柱顶盖箱2盖于圆柱箱体3上，在圆柱箱体3上设置标尺线11；温度传感器探头1安装于圆柱顶盖箱2顶部的左侧，且穿过圆柱顶盖箱2伸于圆柱箱体3内；压力平衡管7、微型气压计8均安装于圆柱顶盖箱2的右侧，压力平衡管7、微型气压计8均穿过圆柱顶盖箱2伸于圆柱箱体3内，且微型气压计8位于压力平衡管7的右侧，压力平衡管7塞有橡胶塞帽。

硫污染物自动喷洒装置6包括控制系统6-2、不锈钢研磨杯6-3、三角瓶6-5，不锈钢研磨杯6-3的底部与三角瓶6-5的顶部贯通，在三角瓶6-5的底部设置有若干细孔6-10，不锈钢研磨杯6-3、三角瓶6-5贯通连接处安装有阀门6-4；在不锈钢研磨杯6-3内设置有电机6-8，不锈钢研磨杯6-3上部侧边设置有污染物添加口6-7；电机6-8的动力输出轴上安装有不锈钢刀片6-9，控制系统6-2与电机6-8电连接，控制系统6-2控制电机6-8定时启动与关闭，电机6-8启动时，电机6-8动力输出轴的转动带动不锈钢刀片6-9转动。

硫污染物自动喷洒装置6安装于圆柱顶盖箱2的正上方，且硫污染物自动喷洒装置6穿过圆柱顶盖箱2，硫污染物自动喷洒装置6的不锈钢研磨杯6-3位于圆柱顶盖箱2外，硫污染物自动喷洒装置6的三角瓶6-5位于圆柱顶盖箱2内。

污染物经污染物添加口6-7添加至不锈钢研磨杯6-3，电机6-8启动时，电机6-8动力输出轴的转动带动不锈钢刀片6-9转动，不锈钢刀片6-9的转动对不锈钢研磨杯6-3内的污染物进行研磨，打开阀门6-4，研磨后的污染物穿过阀门6-4落入三角瓶6-5，并经三角瓶6-5底部的若干细孔6-10均匀喷洒至圆柱箱体3中。

气体采样装置4位于圆柱箱体2的侧面，所述气体采样装置4包括不锈钢架4-1、不锈钢轨道4-2、动力抽板4-4、活塞4-5、不锈钢条4-7、不锈钢底座4-8、Y型三通球阀4-9、采样管4-10、注射器4-11、滚轮4-12。

不锈钢架4-1的底部设置不锈钢底座4-8，不锈钢架4-1的上下部均设置不锈钢轨道4-2；所述动力抽板4-4的上下两端均设有滚轮4-12，动力抽板4-4上、下两端的滚轮4-12分别置于不锈钢架4-1上部的不锈钢轨道4-2、下部的不锈钢轨道4-2内，动力抽板4-4在滚轮4-12的作用下，可在不锈钢架4-1上滑动。

不锈钢条4-7设置于不锈钢架4-1上，不锈钢条4-7上等间距安装固定有若干注射器4-11，注射器4-11的一端与Y型三通球阀4-9贯通连接，另一端插有活塞4-5，所述活塞4-5一端插于注射器4-11内，另一端与动力抽板4-4固定连接；所述Y型三通球阀4-9的一端与注射器4-11贯通，另一端与采样管4-10贯通连接；

所述采样管4-10的一端与Y型三通球阀4-9贯通连接，另一端倾斜设置在圆柱箱体3的侧面，且采样管4-10与圆柱箱体3贯通；若干采样管4-10在圆柱箱体3侧面等间距布置；打开Y型三通球阀4-9，移动动力抽板4-4，带动活塞4-5在注射器4-11内移动，活塞4-5往外移动时，经注射器4-11、Y型三通球阀4-9、采样管4-10对圆柱箱体3内实现抽气。

进一步的，在动力抽板4-4上设置有方便移动动力抽板4-4的拉环4-6；不锈钢架4-1上设置有钢丝绳4-3。所述若干采样管4-10在圆柱箱体3侧面等间距10-20cm(优选为10cm)布置；且采样管4-10斜向上120-170度(优选为135度)设置在圆柱箱体3的侧面；所述注射器4-11与采样管4-10通过Y型三通球阀4-9相连接，注射器4-11的倾斜角度β由下式计算：

β＝γ-θ

其中，γ为采样管的倾斜角度，θ为Y型三通球阀最小的夹角。

在所述不锈钢条4-7上设置螺纹孔，注射器4-11的外壁上设置与螺纹孔相匹配的外螺纹，注射器4-11通过外螺纹旋紧于螺纹孔，与不锈钢条4-7螺纹旋紧固定。在采样管4-10与圆柱箱体3连接处均设置过滤纱网5并用防水胶黏贴固定，有效防止泥土堵塞采样管4-10。在不锈钢研磨杯6-3的侧壁上设有刻度。控制系统6-2包括开关按钮6-1、定时按钮6-6和控制电路，开关按钮6-1、定时按钮6-6均与控制电路电连接。

圆柱顶盖箱2选用PVC材质，圆柱顶盖箱2的高度为300-500mm，厚度为4-8mm，半径为250-350mm，优选为其高度300mm，厚度为4mm，半径为250mm；圆柱顶盖箱2的顶部设有四个安装孔，分别为温度传感器探头安装孔、硫污染物自动喷洒装置安装孔、压力平衡管安装孔、微型气压计安装孔，温度传感器探头安装孔、硫污染物自动喷洒装置安装孔、压力平衡管安装孔、微型气压计安装孔上分别安装温度传感器探头1、硫污染物自动喷洒装置6、压力平衡管7、微型气压计8；所述硫污染物自动喷洒装置安装孔位于圆柱顶盖箱2的正中间。

所述圆柱箱体3选用PVC材质，圆柱箱体3的半径和厚度均与圆柱顶盖箱2一致，圆柱箱体3的高度为800-1500mm(优选的高度为800mm)，圆柱箱体3的底部设有不锈钢支架15。

实验方法包括如下步骤：

第一步、在圆柱箱体3底部均匀铺设厚度为30mm的石英砂14，并在其上铺置一层纱布13，将原位采集的沟渠底泥进行均质化处理后，均匀的铺设在圆柱箱体3中，形成底泥层12，底泥层12填装的厚度为200-500mm，优选为200mm；

第二步、在圆柱箱体3继续缓慢注入水形成水层10，保持水层10的厚度为400-800mm，优选为400mm，圆柱箱体3内水层10上方为空气层9；

第三步、连接圆柱顶盖箱2和圆柱箱体3，将圆柱顶盖箱2盖于圆柱箱体3上，并用密封的橡胶带进行密封，防止气体外泄；

第四步、连接气体采样装置4，通过Y型三通球阀4-9将注射器4-11与采样管4-10连接，固定好不锈钢底座4-8；

第五步、根据不锈钢研磨杯6-3中的标尺线11按设定的频率定量加入实验所需污染物，污染物经污染物添加口6-7添加至不锈钢研磨杯6-3，在控制系统6-2内设置好时间，控制系统6-2控制电机6-8定时启动与关闭，从而定时开启电机6-8，电机6-8启动时，电机6-8动力输出轴的转动带动不锈钢刀片6-9转动，不锈钢刀片6-9的转动对不锈钢研磨杯6-3内的污染物进行研磨；然后打开底部阀门6-4使研磨后的污染物质进入下方带孔的三角瓶6-5中，并经三角瓶6-5底部的若干细孔6-10均匀喷洒至下方的圆柱箱体3中；

第六步、监测采样，在硫污染物喷洒后的第0.25-5天内，每间隔5分钟采集气体，调整Y型三通球阀4-9使采样管4-10和注射器4-11联通，同时打开压力平衡管7上的橡胶塞帽，保证圆柱箱体3内外气压平衡，拉动动力抽板4-4，带动活塞4-5在注射器4-11内往外移动，经注射器4-11、Y型三通球阀4-9、采样管4-10对圆柱箱体3内不同深度的气样实现同时气体气样采集；并通过温度传感器探头1、微型气压计8分别测量出圆柱箱体3内的气温、气压，并记录圆柱箱体3内的气温、气压；采样完毕快速盖紧气压平衡管7的橡胶塞帽并密闭圆柱箱体3内的气体；

第七步、对气样进行测定，利用气相色谱仪测定所采集的气体，分析不同高度所测气体的浓度。

本发明的可以实现硫不同浓度和输入频率下，上覆水-底泥系统中不同深度温室气体的取样，不受野外环境干扰，可准确定量的测定不同空间深度温室气体的浓度分布；研究硫污染下，沟渠系统中上覆水-底泥系统温室气体的分布特征。

本发明成本低廉，操作简单，对精确确定和进一步改善稻田生态系统中温室气体的间接排放具有重要意义。

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。