一种草原生态系统碳汇自动测定箱用连接机构、箱体、系统及其测定方法与流程

1.本技术涉及碳汇自动测定技术领域，具体而言，涉及一种草原生态系统碳汇自动测定箱用连接机构、箱体、系统及其测定方法。


背景技术：

2.碳通量是生态系统物质循环的核心，是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。碳循环是包含了植物光合作用、生态系统呼吸，以及其他非co2生态系统碳通量的复杂过程，在实际测量和研究过程中，常采用静态明箱和暗箱组合测量的方法，结合红外气体分析仪，分别测定净生态系统碳交换和生态系统呼吸，然后用er和nee的差值估算总初级生产力。由于静态箱法原理简单且操作方便，其成为研究净生态系统碳交换和生态系统呼吸的常用观测手段，尤其是控制实验中针对小尺度的碳循环观测，静态箱法是较为常用的测定手段。
3.传统的静态箱法多为人工操作，而且测定nee和er时需要分别使用透明箱和增加不透明布遮挡的暗箱，费时费力，难以有效开展nee和er等过程的长期自动连续观测。另外，基于涡度相关技术的碳通量测定方法，虽然能够实现nee的自动连续测定，但一方面，其无法有效分离er和计算gppgpp，另外，受涡度相关技术和测定环境复杂性的影响，该方法在实际应用中还面临着诸多挑战。


技术实现要素：

4.为了弥补以上不足，本技术提供了一种草原生态系统碳汇自动测定箱用连接机构、箱体、系统及其测定方法，旨在改善现有的解决了以往依靠人工操作和测试频率低的问题，实现了nee和er的连续自动观测，为开展基于过程的生态系统碳循环研究提供高频连续的碳通量信息的问题。
5.本发明提出的其中一个技术方案是：一种草原生态系统碳汇自动测定箱用连接机构，包括金属横杆和连接机构，
6.该连接机构位于金属横杆和测定箱箱体的连接处，用于测定箱箱体的电气连接和测定箱箱体的替换；
7.所述连接机构包括有旋转插接结构和锁定结构，所述锁定结构圆周阵列与金属横杆的表面上，所述旋转插接结构用于将金属横杆插入测定箱箱体上表面的安装座，所述锁定结构用于金属横杆锁定在测定箱箱体上表面的安装座内。
8.进一步的，所述旋转插接结构包括有后座轴，后座轴前端面中心安装插接轴，后座轴前端面外侧开设有密封槽一，插接轴侧面圆周阵列开设有伸缩槽。
9.进一步的，所述后座轴为圆柱体结构，插接轴是空心圆柱体结构，插接轴直径小于后座轴直径，密封槽一为圆环结构，伸缩槽为长方体结构，伸缩槽贯穿插接轴。
10.进一步的，所述锁定结构包括伸缩块，伸缩块左右两侧固定连接有限位板，限位板
下端面安装有弹簧一，伸缩块下端面安装有卡接块，伸缩槽左右两侧开设有限位槽，插接轴内安装有圆环，插接轴内侧开设有长方体槽，圆环后端面固定连接有连接管，连接管后端面固定连接有缺口块，缺口块侧面圆周阵列开设有卡接槽，缺口块后端面安装有弹簧二。
11.进一步的，所述伸缩块为长方体结构，伸缩块与伸缩槽滑动配合，限位板为长方体结构，限位槽为长方体结构，限位板与限位槽滑动配合，卡接块为不规则柱体，圆环与插接轴内侧滑动配合，圆环外侧圆周阵列安装有长方体块，长方体槽为长方体结构，长方体槽与圆环外侧长方体块滑动配合，缺口块为圆柱体结构，卡接槽与卡接块配合。
12.本发明提出的其中另一个技术方案是：一种草原生态系统碳汇自动测定箱体，其特征在于：该箱体包括有上述的一种草原生态系统碳汇自动测定箱用插接机构。
13.进一步的，每个所述自动测定箱体都还包括透光的明箱、不透光的暗箱、控制箱和具有螺纹的垂直杆；所述明箱用于nee的连续测定，所述暗箱用于er的测定。
14.进一步的，所述明箱的箱体采用透光材料制成，底部开口，且底部各边设置有密封材料；所述暗箱的箱体外层包裹有白色的不透光材料，内层覆盖黑色的不透明材料；
15.所述明箱和暗箱的箱体均内设置有co2传感器、气温计和风扇；所述co2传感器和所述气温计位于所述箱体内部正上方，用于测定箱体内的co2浓度和气温；所述风扇位于箱体侧面，其用于co2测定时均衡箱体内的空气浓度；所述明箱的箱体内还设置有光照强度传感器；所述光照强度传感器位于所述箱体侧壁，并深入所述箱体内。
16.本发明提出的其中一个技术方案是：一种草原生态系统碳汇自动测定系统，其特征在于：该系统包括至少一组具有上述的一种草原生态系统碳汇自动测定箱体的碳通量测定模块和辅助模块；所述碳通量测定模块用于测量nee、er，所述辅助模块用于监测气象信息、土壤温湿度信息以及植被生长状况，所述碳通量测定模块和所述辅助模块测量得到的信息都传输至数据终端。
17.本发明提出的其中一个技术方案是：一种草原生态系统碳汇自动测定方法，其特征在于：该方法用于上述的一种草原生态系统碳汇自动测定系统中，实现碳汇自动测定；
18.该方法包括：
19.s1、碳通量测定模块和辅助模块每隔时间t采集一次数据并发送到中央处理单元，中央处理单元根据接收到的数据计算出每个间隔时间t内的土壤碳通量，从而计算出土壤总的碳通量m；
20.s2、中央处理单元计算明箱和暗箱在不同时间的co2体积浓度，
21.s3、确定所述明箱和暗箱监测区域内所述二氧化碳和所述指定物质的排放比值系数；
22.c
总
＝cs*k
23.其中，c
总
为所述二氧化碳的排放浓度；cs为所述指定物质的监测浓度；k为所述排放比值系数；
24.s4、根据所述指定物质的监测浓度和所述排放比值系数，计算所述二氧化碳的排放浓度；
25.在所述待监测区域内，通过统计调查法得到排放源排放的二氧化碳和所述指定物质的第一比值；
26.在所述待监测区域内，通过监测法获取预设时刻排放源排放的二氧化碳和所述指
定物质的第二比值；
27.对所述第一比值和所述第二比值进行融合，得到所述待监测区域内所述二氧化碳和所述指定物质的排放比值系数：
28.k＝k_est+(k_est-k_mon)
29.w＝p_est/(p_est+p_mon)
30.其中，k为所述待监测区域内所述二氧化碳和所述指定物质的排放比值系数；k_est为在所述待监测区域内通过统计调查法得到的排放源排放的二氧化碳和所述指定物质的第一比值；k_mon为在所述待监测区域内通过监测法获取的预设时刻排放源排放的二氧化碳和所述指定物质的第二比值；p_est为k_est的方差；p_mon为k_mon的方差。
31.与现有技术相比，本技术的有益效果：解决了以往依靠人工操作和测试频率低的问题，实现了nee和er的连续自动观测，为开展基于过程的生态系统碳循环研究提供高频连续的碳通量信息。
32.对传统的锁定结构进行结构优化，插接结构插入固定结构中，将圆环、连接管以及缺口块向后移动，使得伸缩块后端面的卡接块脱离卡接槽，在弹簧一的作用下，伸缩块沿伸缩槽弹出插入插槽中，使得插接结构与固定结构固定连接，将装置方便快捷的固定安装。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
34.图1是本技术实施2提供的草原生态系统碳汇自动测定箱体的结构示意图；
35.图2为本技术实施2提供的草原生态系统碳汇自动测定箱体的明箱的内部结构示意图；
36.图3为本技术实施1提供的草原生态系统碳汇自动测定箱用连接机构的结构示意图；
37.图4为本技术实施1提供的草原生态系统碳汇自动测定箱用连接机构的b处的局部放大结构示意图。
38.图中：1、金属横杆；2、连接机构；3、测定箱箱体；201、旋转插接结构；202、锁定结构；301、安装座；2011、后座轴；2012、插接轴；2013、密封槽一；2014、伸缩槽；2021、伸缩块；2022、限位板；2023、弹簧一；2024、卡接块；2025、限位槽；2026、圆环；2027、长方体槽；2028、连接管；2029、缺口块；20210、卡接槽；20211、弹簧二；302、明箱、303、暗箱；4、控制箱；5、垂直杆；6、co2传感器；7、气温计；8、风扇；9、光照强度传感器。
具体实施方式
39.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
40.为使本技术实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本技术中的实施方式，本领
域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。
41.实施例1
42.如图3-4所示，一种草原生态系统碳汇自动测定箱用连接机构，包括金属横杆1和连接机构2，该连接机构2位于金属横杆1和测定箱箱体3的连接处，用于测定箱箱体3的电气连接和测定箱箱体3的替换；
43.所述连接机构2包括有旋转插接结构201和锁定结构202，所述锁定结构202圆周阵列与金属横杆1的表面上，所述旋转插接结构201用于将金属横杆1插入测定箱箱体3上表面的安装座301，所述锁定结构202用于金属横杆1锁定在测定箱箱体3上表面的安装座301内。
44.进一步的，所述旋转插接结构201包括有后座轴2011，后座轴2011前端面中心安装插接轴2012，后座轴2011前端面外侧开设有密封槽一2013，插接轴2012侧面圆周阵列开设有伸缩槽2014。
45.具体的，锁定结构202位于伸缩槽2014内。
46.进一步的，所述后座轴2011为圆柱体结构，插接轴2012是空心圆柱体结构，插接轴2012直径小于后座轴2011直径，密封槽一2013为圆环结构，伸缩槽2014为长方体结构，伸缩槽2014贯穿插接轴2012。
47.进一步的，所述锁定结构202包括伸缩块2021，伸缩块2021左右两侧固定连接有限位板2022，限位板2022下端面安装有弹簧一2023，伸缩块2021下端面安装有卡接块2024，伸缩槽2014左右两侧开设有限位槽2025，插接轴2012内安装有圆环2026，插接轴2012内侧开设有长方体槽2027，圆环2026后端面固定连接有连接管2028，连接管2028后端面固定连接有缺口块2029，缺口块2029侧面圆周阵列开设有卡接槽20210，缺口块2029后端面安装有弹簧二20211。
48.进一步的，所述伸缩块2021为长方体结构，伸缩块2021与伸缩槽2014滑动配合，限位板2022为长方体结构，限位槽2025为长方体结构，限位板2022与限位槽2025滑动配合，卡接块2024为不规则柱体，圆环2026与插接轴2012内侧滑动配合，圆环2026外侧圆周阵列安装有长方体块，长方体槽2027为长方体结构，长方体槽2027与圆环2026外侧长方体块滑动配合，缺口块2029为圆柱体结构，卡接槽20210与卡接块2024配合。
49.具体的，安装时，将插接结构插入固定结构中，顶块插入插接轴中，将圆环、连接管以及缺口块向后移动，使得伸缩块后端面的卡接块脱离卡接槽，在弹簧一的作用下，伸缩块沿伸缩槽弹出插入插槽中，使得插接结构与固定结构固定连接。
50.实施例2
51.如图1-2所示，一种草原生态系统碳汇自动测定箱体，该箱体包括有实施例1所述的一种草原生态系统碳汇自动测定箱用插接机构。
52.进一步的，每个所述自动测定箱体都还包括透光的明箱302、不透光的暗箱303、控制箱4和具有螺纹的垂直杆5；所述明箱302用于nee的连续测定，所述暗箱303用于er的测定。
53.具体的，控制箱4内设置有用于控制垂直杆5动作的电机10，以及控制测定系统的控制器垂直杆5的底部与电机的输出端同轴连接，电机与控制器连接，由控制器控制电机动作。
54.测定系统由控制器总体控制，并由电机驱动带动垂直杆杆5，连同与其相连的明箱302和暗箱303，以垂直杆5为轴心，实现360
°
水平旋转和垂直升降，以实现同一个测量区域nee和er的先后测量。
55.同时，每个实验小区配置至少一个底座，底座为方形的金属框，四周为设置有密封条的凹槽，可以确保测试时的密封性。底座的尺寸与明箱302和暗箱303的尺寸对应设置，底座内部为自然生长的植被。使用时，明箱302、暗箱303落下时，与底座四周的凹槽贴合，确保测量时的密封性。底座的数量可根据实验需要设定。
56.进一步的，所述明箱302的箱体采用透光材料制成，底部开口，且底部各边设置有密封材料；所述暗箱303的箱体外层包裹有白色的不透光材料，内层覆盖黑色的不透明材料，确保呼吸测定所需要的黑暗环境；
57.所述明箱302和暗箱303的箱体均内设置有co2传感器6、气温计7和风扇8；所述co2传感器6和所述气温计7位于所述箱体内部正上方，用于测定箱体内的co2浓度和气温；所述风扇8位于箱体侧面，其用于co2测定时均衡箱体内的空气浓度，其测定信息通过自带的无线传输模块实现无线传输；所述明箱302的箱体内还设置有光照强度传感器9；所述光照强度传感器9位于所述箱体侧壁，并深入所述箱体内，以便与箱体外的自然光照进行校对。
58.使用时，可以实现多个实验小区的重复测量。当明箱302落在某个底座时，测定的是该底座内植被的净生态系统碳交换(nee)；待暗箱303旋转至该底座时，由于没有光照，测定的是底座内生态系统的呼吸(er)。仪器测定完成后，通过控制器控制电机驱动垂直杆5旋转，将明箱302、暗箱303移至测量区外，以免影响底座内植物的正常生长。
59.实施例3
60.一种草原生态系统碳汇自动测定系统，该系统包括至少一组具有实施例2所述的一种草原生态系统碳汇自动测定箱体的碳通量测定模块和辅助模块；所述碳通量测定模块用于测量nee、er，所述辅助模块用于监测气象信息、土壤温湿度信息以及植被生长状况，所述碳通量测定模块和所述辅助模块测量得到的信息都传输至数据终端。
61.具体的，辅助模块包括安装架，以及设置在该安装架上的气象监测子模块、植被监测子模块、土壤监测子模块和电源供应子模块。安装架设置在实验小区内，数据终端也设置在该安装架上。
62.在本实施例中，气象监测子模块包括用于测定降水量的翻斗式雨量计，用于测定空气温湿度的空气温湿度传感器、用于测定风速的风速感器、用于测定风向的风向传感器、用于测定辐射的光合有效辐射传感器。
63.植被监测子模块包括用于测定植被生物量、植物物候的多光谱相机，以及用于测定植被群落特征与生理生态属性的高光谱相机。
64.土壤监测子模块采用若干土壤温湿度传感器测量土壤温湿度。
65.电源供应子模块采用太阳能供电模块与供电电源或供电电池配合使用进行供电。
66.实施例4
67.一种草原生态系统碳汇自动测定方法，该方法用于实施例3所述的一种草原生态系统碳汇自动测定系统中，实现碳汇自动测定；
68.该方法包括：
69.s1、碳通量测定模块和辅助模块每隔时间t采集一次数据并发送到中央处理单元，
中央处理单元根据接收到的数据计算出每个间隔时间t内的土壤碳通量，从而计算出土壤总的碳通量m；
70.s2、中央处理单元计算明箱和暗箱在不同时间的co2体积浓度，
71.s3、确定所述明箱和暗箱监测区域内所述二氧化碳和所述指定物质的排放比值系数；
72.c
总
＝cs*k
73.其中，c
总
为所述二氧化碳的排放浓度；cs为所述指定物质的监测浓度；k为所述排放比值系数；
74.s4、根据所述指定物质的监测浓度和所述排放比值系数，计算所述二氧化碳的排放浓度；
75.在所述待监测区域内，通过统计调查法得到排放源排放的二氧化碳和所述指定物质的第一比值；
76.在所述待监测区域内，通过监测法获取预设时刻排放源排放的二氧化碳和所述指定物质的第二比值；
77.对所述第一比值和所述第二比值进行融合，得到所述待监测区域内所述二氧化碳和所述指定物质的排放比值系数：
78.k＝k_est+(k_est-k_mon)
79.w＝p_est/(p_est+p_mon)
80.其中，k为所述待监测区域内所述二氧化碳和所述指定物质的排放比值系数；k_est为在所述待监测区域内通过统计调查法得到的排放源排放的二氧化碳和所述指定物质的第一比值；k_mon为在所述待监测区域内通过监测法获取的预设时刻排放源排放的二氧化碳和所述指定物质的第二比值；p_est为k_est的方差；p_mon为k_mon的方差。
81.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
82.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。