一种土壤呼吸监测仪标定装置以及标定方法

1.本发明涉及土壤呼吸监测技术领域，特别是涉及一种土壤呼吸监测仪标定装置以及标定方法。


背景技术：

2.co2排放是全球碳循环中最大的通量之一，它的数量级与全球总初级生产量相同。在进行碳核算时，准确测量土壤碳通量是至关重要的。土壤呼吸较高的空间和时间异质性不仅会引起测量的误差，也增加了将点的测量外推去估算区域和全球的碳收支难度。
3.土壤中的碳总储存量达到了2400pg c，大约是陆地生物碳总储量的4倍，是大气中碳总量的3倍。全球每年从土壤中释放出来的co2为9812pg c，是大气co2的主要贡献者之一，占整个陆地生态系统呼吸的60％
–
90％，远远高于每年因燃料燃烧而释放进入大气的co2(5.2pg c)。换而言之，若土壤碳通量测量仪产生10％的误差，其误差数值将与燃料燃烧释放总量相当，所以土壤碳通量测量的细微误差都不容忽视。精确测量co2通量是土壤呼吸科学发展过程中最为重要的。只有精确的测量，所收集的数据才具有可信度。
4.为了解决土壤呼吸测量中的难题，科学家们在过去几十年里进行了广泛的研究，开发出许多测量方法。最常用的是气室法，这种方法能够在土壤表面直接测量co2通量。主要有封闭式静态气室法、封闭式动态气室法和开放式气室法，它们有相同的特点，都是通过计算气室内co2浓度的变化获得土壤呼吸数据，但在监测过程中仪器的设计和计算模型的选择都可能存在缺陷，现有密闭气室大多都没有解决压力平衡问题，这将会隔绝大部分风湍流作用(70-90％)，而风速会对密闭气室的co2通量测量造成误差；部分开放流通监测气室其气体进出的流速差会引起气室内与外界产生压力差，所以土壤与气室之间产生了额外的气流，即使是1pa的压力差也会对通量测量造成非常大的误差。目前这些问题在气室设计和测量过程中都不能很好的确定。许多测量co2通量方法之间存在很大的差异，这表明需要对这些方法进行绝对的校准。
5.到目前，只有极少数研究者将监测室测量通量与已知的通量进行了比较，主要采用气室浓度衰减校准法，通过气体扩散原理进行实验设计。本发明将设计一种能在可控的实验环境下，为土壤碳通量测量仪提供误差分析及数值标定的方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决背景技术中所提到的问题而提出的一种土壤呼吸监测仪标定装置以及标定方法。
7.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
8.一种土壤呼吸监测仪标定装置，包括有安装壳体，所述安装壳体前面板上嵌入安装有操作面板，所述操作面板包括有显示屏、控制按钮和中央处理单元；所述安装壳体的内部设置有扩散气室，所述扩散气室内部安装有二氧化碳浓度传感器，所述扩散气室的侧壁下端固定连接有进气口，两侧所述进气口内侧端口固定连接有三通接口a，两侧所述三通接
口a之间连接有两根第一打孔软管；所述扩散气室的侧壁上端固定连接有出气口，两侧所述出气口内侧端口固定连接有三通接口b，两侧所述三通接口b之间固定连接有第二打孔软管；所述扩散扩散气室的尾部固定连接有压差测量口，所述压差测量口外接有压差传感器；所述二氧化碳浓度传感器和压差传感器均与中央处理单元电性连接；所述扩散气室的顶端固定连接钢丝网，所述钢丝网上设置有均匀筛选且经杀菌处理的多孔介质和土壤土壤碳通量测量仪底座。
9.优选地，所述扩散气室设计为圆柱形，直径为50cm，高为30cm，由不锈钢材料制成。
10.优选地，所述二氧化碳浓度传感器固定安装在扩散气室内10cm高度处，所述二氧化碳浓度传感器共设置有5个，分别布置在充气气室内靠近四角及中央位置处。
11.优选地，所述进气口设置在扩散气室内相对底面高3cm处，所述进气口处固定安装有流量调节阀a；两侧所述进气口外部端口上固定连接有连通管a，两侧所述连通管a的末端均与三通接口c相连接，所述三通接口c的空闲端接口与精密气体流量计a的出口端相连接，所述精密气体流量计a的进口端与可监测和调控气体流速的二氧化碳气罐相连接。
12.优选地，所述出气口设置在扩散气室内相对底面高20cm处，所述出气口处固定安装有流量调节阀b；两侧所述出气口外部端口上固定连接有连通管b，两侧所述连通管b的末端均与三通接口d相连接，所述三通接口d的空闲端接口与精密气体流量计b的进口端相连接，所述精密气体流量计b的出口端与带有精密阀的抽气泵的吸气端相连接，所述抽气泵的出气端与气体分析仪相连接。
13.一种土壤呼吸监测仪标定方法，具体包括以下步骤：
14.s1、对二氧化碳浓度传感器进行统一校准，校准完成后将其安装到土壤呼吸仪标定装置的安装壳体内部，然后将钢丝网固定安装到扩散气室的顶端，在钢丝网上铺设经杀菌处理且均匀筛选的多孔介质，所铺设的介质厚度为5～10cm，最后在钢丝网中心处的多孔介质中插入土壤碳通量测量仪底座；
15.s2、设备连接、组装完成后，点击控制面板上的开关，点亮屏幕，同时开启二氧化碳气罐，并将二氧化碳气罐设置到合适的通气速率，然后通过连通管a向扩散气室内充气，并通过压差传感器记录扩散气室内外的压差变化，若压差示数为正，则表示扩散气室内外压差大于外界环境；
16.s3、打开抽气泵，根据进气口上连接的精密气体流量计a和压差传感器的示数，通过抽气泵本身的气流量调节旋钮对抽气流量进行调节，最终使得精密气体流量计a与出气口端连接的精密气体流量计b的示数一致，且压差传感器示数为0；
17.s4、同时显示屏和二氧化碳浓度传感器实时观测扩散气室内二氧化碳浓度变化，待扩散气室内二氧化碳浓度趋于稳定时，记录下此时精密气体流量计a的示数c
in
和精密气体流量计b的示数c
out
；
18.s5、根据s4中所得的精密气体流量计a的示数c
in
和精密气体流量计b的示数c
out
计算扩散气室内二氧化碳浓度趋于稳定时的碳通量；
19.s6、将需要验证的土壤碳通量测量仪稳定放置在多孔介质上的土壤碳通量测量仪底座上，通过二氧化碳气罐以相同的流速向扩散气室内通入二氧化碳，待土壤碳通量测量仪的示数稳定后，将此时测得的碳通量数据与s5中计算所得的碳通量数据进行对比分析，判断土壤碳通量测量仪是否准确。
20.优选地，所述s4中提到的扩散气室内二氧化碳浓度趋于稳定的标志为：扩散气室内所有的二氧化碳浓度传感器在20～30min内示数变化小于1％。
21.优选地，所述s5中提到的碳通量的计算原理是基于组分质量守恒定律，具体包括以下步骤：
22.a1、根据对流扩散方程建立多孔介质上方二氧化碳气体浓度分布关系式：
[0023][0024]
其中，c表示二氧化碳浓度，t表示时间，f表示碳通量，z表示距离，v表示扩散气室的有效体积，s为气体源；
[0025]
a2、由于装置所使用的多孔介质进行过杀菌处理和均匀筛分，故多孔介质中不存在任何生物源，即不会产生和消灭二氧化碳，因此s
→
0，所以方程式(1)可简化为：
[0026][0027]
a3、由于计算时扩散气室内二氧化碳浓度趋于稳定，即所以方程式(2)可进一步化解为：
[0028][0029]
a4、对a3中所得的方程式(3)进行积分变换，可得：
[0030]fout-f
in
＝v(c
out-c
in
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0031]
其中，f
in
和f
out
分别表示进、出扩散气室的二氧化碳通量，c
in
和c
out
分别表示精密气体流量计a和精密气体流量计b的示数，即进、出扩散气室的二氧化碳浓度；
[0032]
a5、由于计算时压差传感器的示数为0，即f
in
＝0，故方程式(4)可进一步改写为：
[0033][0034]
其中，q表示进出扩散气室的气体流量，m3/s；a表示扩散气室的水平面积；d表示扩散系数。
[0035]
与现有技术相比，本发明提供了一种土壤呼吸监测仪标定装置以及标定方法，具备以下有益效果：
[0036]
本发明所提出的标定装置较之于现有设计使用了全新的原理——体积流量法，带来了更稳定的测量和精确的结果。本装置可通过抽气泵的控制阀或在进气口、出气口上安装的流量调节阀来对扩散气室内的压强进行合理的控制，并且能进行多种介质环境的研究，既包括纯扩散和非扩散等复杂的气体运输情形；另外集成一体化的设计，装置可更加优化结构和布局，不但节省空间方便运输，还让操作变得简单高效。同时基于标定装置提出了一种新型土壤呼吸监测仪标定方法，该方法基于组分质量守恒定律实现了扩散气室碳通量的计算，相较于现有设计，可以更加方便、快速的完成土壤碳通量测量仪的性能测试和标定工作。
附图说明
[0037]
图1为本发明提出的一种土壤呼吸监测仪标定装置的实物结构示意图；
[0038]
图2为本发明提出的一种土壤呼吸监测仪标定装置的细节图。
具体实施方式
[0039]
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。
[0040]
实施例1：
[0041]
请参阅图1-2，一种土壤呼吸监测仪标定装置，包括有安装壳体，安装壳体前面板上嵌入安装有操作面板，操作面板包括有显示屏、控制按钮和中央处理单元；安装壳体的内部设置有扩散气室，扩散气室内部安装有二氧化碳浓度传感器，扩散气室的侧壁下端固定连接有进气口，两侧进气口内侧端口固定连接有三通接口a，两侧三通接口a之间连接有两根第一打孔软管；扩散气室的侧壁上端固定连接有出气口，两侧出气口内侧端口固定连接有三通接口b，两侧三通接口b之间固定连接有第二打孔软管；扩散扩散气室的尾部固定连接有压差测量口，压差测量口外接有压差传感器；二氧化碳浓度传感器和压差传感器均与中央处理单元电性连接；扩散气室的顶端固定连接钢丝网，钢丝网上设置有均匀筛选且经杀菌处理的多孔介质和土壤土壤碳通量测量仪底座。
[0042]
扩散气室设计为圆柱形，直径为50cm，高为30cm，由不锈钢材料制成。
[0043]
二氧化碳浓度传感器固定安装在扩散气室内10cm高度处，二氧化碳浓度传感器共设置有5个，分别布置在充气气室内靠近四角及中央位置处。
[0044]
进气口设置在扩散气室内相对底面高3cm处，进气口处固定安装有流量调节阀a；两侧进气口外部端口上固定连接有连通管a，两侧连通管a的末端均与三通接口c相连接，三通接口c的空闲端接口与精密气体流量计a的出口端相连接，精密气体流量计a的进口端与可监测和调控气体流速的二氧化碳气罐相连接。
[0045]
出气口设置在扩散气室内相对底面高20cm处，出气口处固定安装有流量调节阀b；两侧出气口外部端口上固定连接有连通管b，两侧连通管b的末端均与三通接口d相连接，三通接口d的空闲端接口与精密气体流量计b的进口端相连接，精密气体流量计b的出口端与带有精密阀的抽气泵的吸气端相连接，抽气泵的出气端与气体分析仪相连接。
[0046]
一种土壤呼吸监测仪标定方法，具体包括以下步骤：
[0047]
s1、对二氧化碳浓度传感器进行统一校准，校准完成后将其安装到土壤呼吸仪标定装置的安装壳体内部，然后将钢丝网固定安装到扩散气室的顶端，在钢丝网上铺设经杀菌处理且均匀筛选的多孔介质，所铺设的介质厚度为5～10cm，最后在钢丝网中心处的多孔介质中插入土壤碳通量测量仪底座；
[0048]
s2、设备连接、组装完成后，点击控制面板上的开关，点亮屏幕，同时开启二氧化碳气罐，并将二氧化碳气罐设置到合适的通气速率，然后通过连通管a向扩散气室内充气，并通过压差传感器记录扩散气室内外的压差变化，若压差示数为正，则表示扩散气室内外压差大于外界环境；
[0049]
s3、打开抽气泵，根据进气口上连接的精密气体流量计a和压差传感器的示数，通过抽气泵本身的气流量调节旋钮对抽气流量进行调节，最终使得精密气体流量计a与出气
口端连接的精密气体流量计b的示数一致，且压差传感器示数为0；
[0050]
s4、同时显示屏和二氧化碳浓度传感器实时观测扩散气室内二氧化碳浓度变化，待扩散气室内二氧化碳浓度趋于稳定时，记录下此时精密气体流量计a的示数c
in
和精密气体流量计b的示数c
out
；
[0051]
s4中提到的扩散气室内二氧化碳浓度趋于稳定的标志为：扩散气室内所有的二氧化碳浓度传感器在20～30min内示数变化小于1％；
[0052]
s5、根据s4中所得的精密气体流量计a的示数c
in
和精密气体流量计b的示数c
out
计算扩散气室内二氧化碳浓度趋于稳定时的碳通量；
[0053]
s5中提到的碳通量的计算原理是基于组分质量守恒定律，具体包括以下步骤：
[0054]
a1、根据对流扩散方程建立多孔介质上方二氧化碳气体浓度分布关系式：
[0055][0056]
其中，c表示二氧化碳浓度，t表示时间，f表示碳通量，z表示距离，v表示扩散气室的有效体积，s为气体源；
[0057]
a2、由于装置所使用的多孔介质进行过杀菌处理和均匀筛分，故多孔介质中不存在任何生物源，即不会产生和消灭二氧化碳，因此s
→
0，所以方程式(1)可简化为：
[0058][0059]
a3、由于计算时扩散气室内二氧化碳浓度趋于稳定，即所以方程式(2)可进一步化解为：
[0060][0061]
a4、对a3中所得的方程式(3)进行积分变换，可得：
[0062]fout-f
in
＝v(c
out-c
in
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0063]
其中，f
in
和f
out
分别表示进、出扩散气室的二氧化碳通量，c
in
和c
out
分别表示精密气体流量计a和精密气体流量计b的示数，即进、出扩散气室的二氧化碳浓度；
[0064]
a5、由于计算时压差传感器的示数为0，即f
in
＝0，故方程式(4)可进一步改写为：
[0065][0066]
其中，q表示进出扩散气室的气体流量，m3/s；a表示扩散气室的水平面积；d表示扩散系数；
[0067]
s6、将需要验证的土壤碳通量测量仪稳定放置在多孔介质上的土壤碳通量测量仪底座上，通过二氧化碳气罐以相同的流速向扩散气室内通入二氧化碳，待土壤碳通量测量仪的示数稳定后，将此时测得的碳通量数据与s5中计算所得的碳通量数据进行对比分析，判断土壤碳通量测量仪是否准确。
[0068]
本发明所提出的标定装置较之于现有设计使用了全新的原理——体积流量法，带来了更稳定的测量和精确的结果。本装置可通过抽气泵的控制阀或在进气口、出气口上安
装的流量调节阀来对扩散气室内的压强进行合理的控制，并且能进行多种介质环境的研究，既包括纯扩散和非扩散等复杂的气体运输情形；另外集成一体化的设计，装置可更加优化结构和布局，不但节省空间方便运输，还让操作变得简单高效。同时基于标定装置提出了一种新型土壤呼吸监测仪标定方法，该方法基于组分质量守恒定律实现了扩散气室碳通量的计算，相较于现有设计，可以更加方便、快速的完成土壤碳通量测量仪的性能测试和标定工作。
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以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。