一种土壤呼吸监测系统及方法与流程

本发明涉及土壤呼吸监测技术领域，尤其涉及一种土壤呼吸监测系统及方法。

背景技术：

土壤是一个巨大的碳库，总储存量达到1394pgc，大约是大气中碳总量(750pgc)的两倍，是陆地生物碳总储量(560pgc)的3倍。土壤呼吸是土壤释放co2的过程，占整个陆地生态系统呼吸的60％-90％，是大气co2的主要贡献者之一，全球每年从土壤中释放出来的co2为68pgc，仅次于全球植物总初级生产力(gpp：100-120pgca^-1)，略高于全球陆地生态系统净初级生产力(npp：50-60pgca^-1)，远远高于每年因燃料燃烧而释放进入大气的co2量(5.2pgc)，其微小的变化都可能引起大气co2浓度较大的改变，是导致全球气候变化的关键生态过程，已经成为全球碳循环研究的核心问题。因此，准确地监测和计量土壤呼吸是研究全球碳循环和气候变化的关键环节。

研究土壤呼吸监测已经有相当长的历史，最早可以追溯到19世纪初。200多年来国内外对土壤呼吸进行了大量研究，尤其是20世纪60年代国际生物学计划(ibp)开始以来对其研究掀起了热潮。近些年来，土壤呼吸监测方法逐渐增多，形成气室法、微气象学法、气井法和模型法等。而气室监测法使用最广泛，占95％以上，主要有静态气室法、密闭式动态气室法和开放式动态气室法，前两者主要是通过单位时间气室内增加的co2浓度进行计算土壤呼吸，后一者主要是通过流进和流出气室的co2浓度差分进行计算土壤co2通量。它们有相同特点，都是通过分析密闭气室内的co2浓度变化进行计算土壤呼吸，在监测过程中存在共同的缺陷：第一，气室内co2浓度升高会减小土壤表层co2浓度与气室内co2浓度差，从而抑制土壤呼吸。第二，密闭气室会隔绝大气湍流作用，减小大气流动对土壤co2的带动力，从而抑制土壤呼吸。因此，气室监测法存在的两大缺陷会减弱土壤co2排放的速率，从而低估土壤呼吸监测值。

针对密闭气室存在的缺陷，科学家做了大量的改进，也提出了一些新的监测方法。li-cor公司通过抽气方法确保气室内外气压平衡，并以水蒸气校准提高监测精度，但密闭气室仍然会减弱湍流作用，低估现象未能根本解决。气井监测法是把co2传感器埋在土壤内，通过气体扩散梯度来计算co2通量，但扩散系数受土壤属性、土壤水分等因子影响，计算结果不理想。涡度相关法往往会把地部分的呼吸作用也计算在内，准确性不高。模型法的适用性比较弱，一个地区的模型一般不能适用其它区域，针对气室监测法的缺陷所做得改进虽然取得了一定的效果，但是不能从根本上解决密闭气室法对土壤呼吸低估的影响。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题，提供了一种土壤呼吸监测系统及方法，其采用带有通气孔的开放式动态气室进行监测，降低了土壤呼吸的抑制作用，提高土壤呼吸速度监测的精确度，同时能够在扩散的各个阶段实时计算出土壤呼吸速度。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明的一种土壤呼吸监测系统，包括监测装置和呈圆筒状的气室，所述气室的顶部和底部都开口，气室顶部的开口与底部的开口尺寸相同，所述气室顶部的开口处设有盖板，所述盖板上设有多个通气孔，所述气室内壁从上至下依次设有多个数据采集模块，所述数据采集模块包括二氧化碳传感器和气体流速传感器，所述气室顶部设有检测每个通气孔处气体流速的气体流速检测模块，所述监测装置包括微处理器和显示屏，所述微处理器分别与数据采集模块、气体流速检测模块和显示屏电连接。

在本方案中，使用时，将气室放置在土壤上，通气孔使气室不密封，降低了土壤呼吸的抑制作用，提高土壤呼吸速度监测的精确度。每个数据采集模块通过二氧化碳传感器检测所在高度的二氧化碳浓度，通过气体流速传感器采集所在高度的气体垂直流速，并将其发送到微处理器，气体流速检测模块检测每个通气孔处气体流速，并将其发送到微处理器。

初始时，土壤气体还未能通过扩散作用到达气室顶端，并通过通气孔离开气室。由于同一时间内，在扩散区域，co2浓度随气室高度大体呈线性变化，因此可通过在气室中心轴上选取一系列均匀分布的离散点，对不同时间下各点的co2浓度进行追踪观测，可得到，在监测气室内co2气体始终存在如下守恒关系：

其中，c″0为地表大气co2浓度，v为气室体积，f为土壤呼吸速率，t为监测时间，s为气室底部开口面积，cv为气室内体积单元co2浓度，为从气室中泄露的co2质量；

公式(1)从左到右四项分别表示初始气室内co2质量、土壤呼吸排出co2质量、现气室内co2质量及气室泄露co2质量。

由于土壤气体的组分与大气气体组分相差不大，在co2浓度相近的情况下，相同高度下的气体密度也大抵相同，因此，气室内co2的质量表示为：

其中，r为气室半径，h为气室高度，n为二氧化碳传感器的个数，ci为第i个数据采集模块所在高度的co2浓度；

在对流扩散过程中，泄漏气体主要通过通气孔排出气室。对于长时间的监测过程，通气孔排出的混合气体的体积受入口流量体积与气体体积弹性模数影响。由于在气室内的气体流动速度和压强不大，因此，气体的可压缩性对排气体积影响不大。由于本发明采用了基于带有通气孔的气室，故从气室中泄露的co2质量可表示为：

其中，chmax(t)为气室顶部开口处co2浓度，vj为第j个通气孔处气体流速值，n为通气孔的个数，在对流扩散到达通气孔之前chmax(t)取值为常数c′1，将公式(2)、(3)代入公式(1)得到：

根据公式(4)，求得土壤呼吸速率f为：

当土壤气体扩散至排气口后，排气口处的co2浓度随时间的发展而升高，此时，该处的气体密度及组分既受土壤气体扩散发展的影响，又受外界大气气体回流的制约，故整个对流扩散系统体现出较高的非线性特征，在这过程中，会达到稳态状态，相邻数据采集模块之间的二氧化碳浓度差保持一定，进入第二阶段，即气室内每对相邻数据采集模块采集的二氧化碳浓度之差都在设定的范围内。此时可以通过第b个数据采集模块采集其所在高度在δt时间内的m个二氧化碳浓度和m个气体垂直流速，计算出土壤呼吸速率f：

其中，cbk为第b个数据采集模块在δt时间内采集到的第k个二氧化碳浓度值，wbk为第b个数据采集模块在δt时间内采集到的第k个气体垂直流速值。

在最后阶段，气室内co2浓度的变化不明显，整个流场进入动态平衡状态，动态平衡状态是开放型气室的典型特征，在动态平衡过程中，气室内co2浓度几乎不发生变化，即气室内co2达到饱和状态，气室内部的数据采集模块所测的co2浓度相等，因此，不同时间下气室内的co2质量始终保持守恒。结合公式(1)，对每个时间微元δt内，都存在如下守恒关系：

通气孔的co2浓度采用第a个数据采集模块所在高度的co2浓度ca，所以从气室中泄露的co2质量表示为：

将公式(8)代入公式(7)求得土壤呼吸速率f为：

作为优选，所述监测装置还包括无线通信模块，所述无线通信模块与微处理器电连接。通过无线通信模块将监测到的土壤呼吸速率发送给远程终端或用户的智能终端。

作为优选，所述监测装置还包括gps模块，所述gps模块与微处理器电连接。通过gps模块获取监测装置所在的地理位置，从而实现定位。

本发明的一种土壤呼吸监测方法，用于上述的一种土壤呼吸监测系统，包括以下步骤：

气室放置在待测土壤上，每个数据采集模块采集所在高度的二氧化碳浓度和气体垂直流速，并将其发送到微处理器，气体流速检测模块检测每个通气孔处气体流速，并将其发送到微处理器；

初始时，土壤气体还未能通过扩散作用到达气室顶端，并通过通气孔离开气室，气室内co2气体始终存在如下守恒关系：

其中，c′0为地表大气co2浓度，v为气室体积，f为土壤呼吸速率，t为监测时间，s为气室底部开口面积，cv为气室内体积单元co2浓度，为从气室中泄露的co2质量；

气室内co2的质量表示为：

其中，r为气室半径，h为气室高度，n为二氧化碳传感器的个数，ci为第i个数据采集模块所在高度的co2浓度；

从气室中泄露的co2质量表示为：

其中，chmax(t)为气室顶部开口处co2浓度，vj为第j个通气孔处气体流速值，n为通气孔的个数，在对流扩散到达通气孔之前chmax(t)取值为常数c′1，将公式(2)、(3)代入公式(1)得到：

根据公式(4)，求得土壤呼吸速率f为：

当气室内每对相邻数据采集模块采集的二氧化碳浓度之差都在设定的范围内时，根据第b个数据采集模块在δt时间内采集的m个二氧化碳浓度值和m个气体垂直流速值计算出土壤呼吸速率f：

其中，cbk为第b个数据采集模块在δt时间内采集到的第k个二氧化碳浓度值，wbk为第b个数据采集模块在δt时间内采集到的第k个气体垂直流速值；

当气室内每个数据采集模块采集到的co2浓度变化都在设定的范围内时，气室内co2气体始终存在如下守恒关系：

通气孔的co2浓度采用第a个数据采集模块所在高度的co2浓度ca，所以从气室中泄露的co2质量表示为：

将公式(8)代入公式(7)求得土壤呼吸速率f为：

作为优选，气室内有a个数据采集模块，a个数据采集模块在气室内由低至高依次编号，气室内最下方的数据采集模块为第1个数据采集模块，气室内最上方的数据采集模块为第a个数据采集模块。

作为优选，1＜b＜a。a≥3。

本发明的有益效果是：采用带有通气孔的开放式动态气室进行监测，降低了土壤呼吸的抑制作用，提高土壤呼吸速度监测的精确度，同时能够在扩散的各个阶段实时计算出土壤呼吸速度。

附图说明

图1是实施例的电路原理连接框图；

图2是气室的结构示意图。

图中：1、气室，2、盖板，3、通气孔，4、数据采集模块，5、二氧化碳传感器，6、气体流速传感器，7、气体流速检测模块，8、微处理器，9、显示屏，10、无线通信模块，11、gps模块。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种土壤呼吸监测系统，如图1、图2所示，包括监测装置和呈圆筒状的气室1，气室1的顶部和底部都开口，气室1顶部的开口与底部的开口尺寸相同，气室1顶部的开口处设有盖板2，盖板2上设有多个通气孔3，气室1内壁从上至下依次设有五个数据采集模块4，数据采集模块4包括二氧化碳传感器5和气体流速传感器6，气室1顶部设有检测每个通气孔3处气体流速的气体流速检测模块7，监测装置包括微处理器8、显示屏9、无线通信模块10和gps模块11，微处理器8分别与数据采集模块4、气体流速检测模块7、显示屏9、无线通信模块10和gps模块11电连接。

气室1的直径为250mm，气室1的壁厚为5mm，气室1的高度为300mm。气室内有五个数据采集模块，五个数据采集模块在气室内由低至高依次编号，气室内最下方的数据采集模块为第1个数据采集模块，气室内最上方的数据采集模块为第5个数据采集模块。

在本方案中，使用时，将气室放置在土壤上，通气孔使气室不密封，降低了土壤呼吸的抑制作用，提高土壤呼吸速度监测的精确度。每个数据采集模块通过二氧化碳传感器检测所在高度的二氧化碳浓度，通过气体流速传感器采集所在高度的气体垂直流速，并将其发送到微处理器，气体流速检测模块检测每个通气孔处气体流速，并将其发送到微处理器。

初始时，土壤气体还未能通过扩散作用到达气室顶端，并通过通气孔离开气室。由于同一时间内，在扩散区域，co2浓度随气室高度大体呈线性变化，因此可通过在气室中心轴上选取一系列均匀分布的离散点，对不同时间下各点的co2浓度进行追踪观测，可得到，在监测气室内co2气体始终存在如下守恒关系：

其中，c′0为地表大气co2浓度，v为气室体积，f为土壤呼吸速率，t为监测时间，s为气室底部开口面积，cv为气室内体积单元co2浓度，为从气室中泄露的co2质量；

公式(1)从左到右四项分别表示初始气室内co2质量、土壤呼吸排出co2质量、现气室内co2质量及气室泄露co2质量。

由于土壤气体的组分与大气气体组分相差不大，在co2浓度相近的情况下，相同高度下的气体密度也大抵相同，因此，气室内co2的质量表示为：

其中，r为气室半径，h为气室高度，n为二氧化碳传感器的个数，ci为第i个数据采集模块所在高度的co2浓度；

在对流扩散过程中，泄漏气体主要通过通气孔排出气室。对于长时间的监测过程，通气孔排出的混合气体的体积受入口流量体积与气体体积弹性模数影响。由于在气室内的气体流动速度和压强不大，因此，气体的可压缩性对排气体积影响不大。由于本发明采用了基于带有通气孔的气室，故从气室中泄露的co2质量可表示为：

其中，chmax(t)为气室顶部开口处co2浓度，vj为第j个通气孔处气体流速值，n为通气孔的个数，在对流扩散到达通气孔之前chmax(t)取值为常数c′1，将公式(2)、(3)代入公式(1)得到：

根据公式(4)，求得土壤呼吸速率f为：

当土壤气体扩散至排气口后，排气口处的co2浓度随时间的发展而升高，此时，该处的气体密度及组分既受土壤气体扩散发展的影响，又受外界大气气体回流的制约，故整个对流扩散系统体现出较高的非线性特征，在这过程中，会达到稳态状态，相邻数据采集模块之间的二氧化碳浓度差保持一定，进入第二阶段，即气室内每对相邻数据采集模块采集的二氧化碳浓度之差都在设定的范围内。此时可以通过第b个数据采集模块采集其所在高度在δt时间内的m个二氧化碳浓度和m个气体垂直流速，计算出土壤呼吸速率f：

其中，cbk为第b个数据采集模块在δt时间内采集到的第k个二氧化碳浓度值，wbk为第b个数据采集模块在δt时间内采集到的第k个气体垂直流速值，1＜b＜5。

在最后阶段，气室内co2浓度的变化不明显，整个流场进入动态平衡状态，动态平衡状态是开放型气室的典型特征，在动态平衡过程中，气室内co2浓度几乎不发生变化，即气室内co2达到饱和状态，气室内部的数据采集模块所测的co2浓度相等，因此，不同时间下气室内的co2质量始终保持守恒。结合公式(1)，对每个时间微元δt内，都存在如下守恒关系：

通气孔的co2浓度采用第5个数据采集模块所在高度的co2浓度ca，所以从气室中泄露的co2质量表示为：

将公式(8)代入公式(7)求得土壤呼吸速率f为：

通过无线通信模块将监测到的土壤呼吸速率发送给远程终端或用户的智能终端。通过gps模块获取监测装置所在的地理位置，从而实现定位。

本实施例的一种土壤呼吸监测方法，用于上述的一种土壤呼吸监测系统，包括以下步骤：

气室放置在待测土壤上，每个数据采集模块采集所在高度的二氧化碳浓度和气体垂直流速，并将其发送到微处理器，气体流速检测模块检测每个通气孔处气体流速，并将其发送到微处理器；

初始时，土壤气体还未能通过扩散作用到达气室顶端，并通过通气孔离开气室，气室内co2气体始终存在如下守恒关系：

其中，c′0为地表大气co2浓度，v为气室体积，f为土壤呼吸速率，t为监测时间，s为气室底部开口面积，cv为气室内体积单元co2浓度，为从气室中泄露的co2质量；

气室内co2的质量表示为：

其中，r为气室半径，h为气室高度，n为二氧化碳传感器的个数，ci为第i个数据采集模块所在高度的co2浓度；

从气室中泄露的co2质量表示为：

其中，chmax(t)为气室顶部开口处co2浓度，vj为第j个通气孔处气体流速值，n为通气孔的个数，在对流扩散到达通气孔之前chmax(t)取值为常数c′1，将公式(2)、(3)代入公式(1)得到：

根据公式(4)，求得土壤呼吸速率f为：

当气室内每对相邻数据采集模块采集的二氧化碳浓度之差都在设定的范围内时，根据第b个数据采集模块在δt时间内采集的m个二氧化碳浓度值和m个气体垂直流速值计算出土壤呼吸速率f：

其中，cbk为第b个数据采集模块在δt时间内采集到的第k个二氧化碳浓度值，wbk为第b个数据采集模块在δt时间内采集到的第k个气体垂直流速值，1＜b＜5；

当气室内每个数据采集模块采集到的co2浓度变化都在设定的范围内时，气室内co2气体始终存在如下守恒关系：

通气孔的co2浓度采用第5个数据采集模块所在高度的co2浓度ca，所以从气室中泄露的co2质量表示为：

将公式(8)代入公式(7)求得土壤呼吸速率f为：