原位测量土壤温室气体排放速率的系统及其方法

摘要

本发明公开了一种原位测量土壤温室气体排放速率的系统及其方法。该系统具有密闭腔体和检测部件，还具有腔体内外连通部件；所述腔体内外连通部件包括细管和位于细管内的液滴、一端与细管连通的针孔部件；所述检测部件包括压强、温度、氧气、二氧化碳和甲烷传感器，5种传感器与密闭腔体外的数据采集电脑连接，数据采集电脑还连接有视觉传感器，所述视觉传感器对应液滴设置。通过本系统的连通部件可实现腔体内外压强一致，从而获取更为精确的土壤气体排放测量和计算数值。本发明还提供了一种土壤温室气体排放速率的测量和计算方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤温室气体排放速率的技术，具体涉及一种在原位状态下测量土壤释放的温室气体的速率的技术，属于温室气体排放技术领域。

背景技术

现有测量土壤温室气体释放速率的主流方法是：从野外抽取一定量气体，并带回实验室，利用气相的方式对相关浓度进行测定，因而其操作过程较为复杂，且花费较大。同时，该方法，无法实时获取土壤呼吸速率、土壤硝化反应、土壤反硝化反应、甲烷气体排放等参数。

而目前基于气体理想状态方程获取相关速率的方法，需要将待测土壤密闭，由于在该类方法中，密闭空间体积不变，因而当密闭腔体内的土壤发生相关化学反应放出气体或吸收气体时，密闭腔体内的压强将发生变化，同时由于腔体外部压强受到大气环境中相关参数变化影响也发生相关变化。但是由于腔体体积一定，因而，在测量过程中，内外压强会出现不一致的情况。因此，过去的方法测量的土壤相关速率还存在压强参数与外界不一致的问题。同时，过去的方法并未考虑土壤在某些条件下会释放甲烷气体的事实，因而没有测量甲烷气体的排放速率。而事实上，有些土壤单位时间内释放甲烷气体的量要高于氮氧化物的释放量。因此，土壤释放温室气体速率的测定必须要考虑甲烷气体的排放。同时，因为没有考虑释放甲烷气体，因而也造成以前的方法对土壤硝化、反硝化、土壤呼吸等过程的速率的测定的误差较大。因此亟需开发一种对土壤化学反应过程考虑全面的温室气体释放速率的计算方法。

发明内容

针对现有温室气体释放速率的测量装置和计算方法存在的排放气体类型测定不全面和测定速率不精确的问题，本发明提供了一种原位测量土壤温室气体排放速率的系统及其方法。本系统可以保持在测量土壤释放相关气体过程中，其测量温度、压强参数与外部环境一致。因而，本系统可以为土壤呼吸、硝化、反硝化等速率的测量提供与外部环境更为准确、一致的测量环境；同时，本系统可以实现对土壤释放的多种温室气体排放速率的测定，包括二氧化碳、甲烷、氮氧化物的排放速率测定。从而系统地增加土壤释放气体相关过程速率测量的准确性。因而，本系统可以获取更为精确的测量数值。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种原位测量土壤温室气体排放速率的系统，具有密闭腔体和检测部件，其特征在于：还具有腔体内外连通部件；所述密闭腔体包括密闭安装在一起的腔体上盖和腔体下盖，在密闭腔体上嵌入式安装有密闭塞；所述腔体内外连通部件包括细管和位于细管内的液滴、一端与细管连通的针孔部件，所述针孔部件另一端穿过密闭塞延伸入密闭腔体内将细管与密闭腔体连通；所述检测部件包括压强传感器、温度传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器和甲烷传感器，所述5种传感器设置于密闭腔体内，并与密闭腔体外的数据采集电脑连接，数据采集电脑还连接有视觉传感器，所述视觉传感器用于实时获取细管中液滴的位置，并传递给数据采集电脑。

作为优选，所述细管与针孔部件为一体式结构。

作为优选，所述细管与针孔部件为分体式结构。

作为优选，所述密闭塞采用橡胶材料制成。

作为优选，所述细管为透明管。

作为优选，所述液滴为不具有挥发性，不易吸收二氧化碳、甲烷、氮氧化合物、氧气等空气中气体成分，且带有颜色的液滴，以方便观察其在细管内的位置。

本发明还提供一种原位测量土壤温室气体排放速率的方法，包括以下步骤：

(1)计算密闭腔体中气体所占体积：采用上述的原位测量土壤温室气体排放速率的系统，将待测土壤盛放于腔体下盖内，密闭腔体上盖与腔体下盖形成密闭腔体，在未安装腔体内外连通部件的情况下，记录密闭腔体内的压强、温度数值；然后用抽气针筒快速抽取出气体L ml，再次记录此时的压强、温度数据，记录完数据后，将抽气针筒的气体推入密闭腔体内，并拔出抽气针筒，根据理想气体状态方程PV＝NRT，通过抽气前后的压强、温度和体积数据，可计算得到密闭腔体中气体所占体积；

(2)获得密闭系统的气体体积：拔出抽气针筒后，将液滴、细管和针孔部件组成的腔体内外连通部件通过针孔部件穿透密闭塞的方式安装在密闭腔体上，形成连通的密闭系统；细管为透明管，可以通过液滴的位置变化获取细管内被液滴密闭部分的细管中的气体体积；针孔部件体积一定；根据液滴位置到细管内端之间的细管内气体的体积与针孔部件中的气体体积和步骤(1)所得到的密闭腔体内的气体体积之和得到液滴所密闭的整个腔体的气体体积；

(3)通过传感器读取某一时刻的压强、温度、二氧化碳浓度、氧气浓度、甲烷浓度参数；

(4)土壤温室气体排放速率计算：

单位时间内，土壤呼吸反应中产生的CO₂的量：

单位时间内，硝化反应中消耗的O₂的量：

单位时间内，反硝化反应中产生的N_xO_y的量：

单位时间内，土壤中甲烷气体的排放量为：

式中：t₁表示t₁时刻的时间；t₂表示t₂时刻的时间；x表示单位时间内土壤呼吸反应中产生的CO₂的量，单位为mol；y表示单位时间内土壤硝化反应中消耗的O₂的量，单位为mol；z表示单位时间内土壤反硝化反应中产生的N_xO_y的量，单位为mol；w表示单位时间内土壤释放CH₄气体的量，单位为mol；表示在t₁时刻到t₂时刻的时间内密闭系统中CO₂变化的量，单位为mol；表示在t₁时刻到t₂时刻的时间内O₂变化的量，单位为mol；表示在t₁时刻到t₂时刻的时间内CH₄变化的量，单位为mol；表示t₁时刻密闭系统内气体摩尔总量，单位为mol，通过理想气体状态方程可计算：其中，R为常数，分别为t₁时刻密闭系统内的压强、气体体积和温度；为t₂时刻密闭系统内气体摩尔总量，单位为mol，通过理想气体状态方程可计算：其中，R为常数，分别为t₂时刻密闭系统内的压强、气体体积和温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：在测量土壤释放相关气体过程中，可以保持测量温度、压强参数与外部环境一致。因而，本系统可以为土壤呼吸、硝化、反硝化、甲烷气体排放等速率的测量提供与外部环境更为准确、一致的测量环境；同时，本系统可以实现对土壤释放的多种温室气体排放速率的测定，包括二氧化碳、甲烷、氮氧化物的排放速率测定，从而系统地增加土壤释放气体相关过程速率测量的准确性。因而，本系统可以获取更为精确的测量数值。在计算土壤释放的多种温室气体排放速率时，由于系统全面地考虑到了土壤中各种气体的排放情况，因此对二氧化碳、甲烷、氮氧化物的排放速率的计算结果也更加准确，对于土壤温室气体排放数据的统计更具有参考价值。

附图说明

图1是原位测量土壤温室气体排放速率的系统的结构示意图(安装了液滴和细管的结构示意图)。

图2是原位测量土壤温室气体排放速率的系统使用抽气针管的结构示意图。

附图中的数字标记分别是：

1液滴，2细管，3压强传感器，4温度传感器，5氧气传感器，6二氧化碳传感器，7甲烷传感器，8土壤，9数据线，10数据采集电脑，11腔体上盖，12腔体下盖，13密闭塞，14视觉传感器，15图像数据线，16针孔部件，17抽气针筒。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，一种原位测量土壤温室气体排放速率的系统，包括以下部件：

(1)密闭腔体：包括腔体上盖11和腔体下盖12，腔体上盖11下缘涂抹胶泥，以压紧密闭的方式将腔体下盖12包裹其中，形成密闭腔体；在腔体上盖11上嵌入式安装有密闭塞13；

(2)腔体内外连通部件：包括细管2和位于细管2内的液滴1、针孔部件16，针孔部件16一端与细管2内端连通，另一端穿过密闭塞13并延伸入腔体内，进而将细管2与密闭腔体连通；

(3)检测部件：包括压强传感器3、温度传感器4、氧气浓度传感器5、二氧化碳浓度传感器6、甲烷浓度传感器7；5种传感器可以通过有线或无线的方式连接到数据采集电脑10；数据采集电脑10还有线或无线连接有视觉传感器14，视觉传感器14位于液滴1的上方，以拍摄液滴1的图像并传送给数据采集电脑10，数据采集电脑10进行图像处理可以获得液滴1在管内的变化位置，获得液滴1的位移，而细管2的截面积已知，因此可以计算出液滴1移动的体积。

所述细管2与针孔部件16可以为一体式结构，也可以为分体式结构。腔体上盖11可通过旋转密闭或压紧密闭的方式与腔体下盖12进行密闭以形成密闭腔体。

所述密闭塞13采用橡胶材料制成，主要是方便用孔针刺入，这样可以方便利用抽气针孔刺入密闭腔体内部，方便利用抽气针孔抽气，计算密闭腔体体积。同时，也方便系统测量时，利用针孔部件刺入腔体内部，使得细管与密闭腔体内部联通。当刺入针孔时，腔体内部与外部通过针孔与外部是连通的。当系统不刺入针孔时，由于密闭塞为橡胶结构，腔体内部与外部是不连通的。

所述细管2为透明管。所述液滴1为不具有挥发性且带有颜色的液滴1，液滴不易吸收二氧化碳、甲烷、氮氧化合物、氧气等空气中气体成分。密闭腔体由良好热导体材料制成，可使得腔体内部的温度与外部环境温度保持一致，保证腔体内的被测土壤所处的温度、压强与外部环境中的土壤的温度、压强一致，从而保证被测土壤的温室气体排放速率与外部环境中的土壤的温室气体排放速率一致，真正意义上实现原位测量土壤的温室气体排放。

本发明还提供一种原位测量土壤温室气体排放速率的方法，包括以下步骤：

(1)计算密闭腔体中气体所占体积：采用上述原位测量土壤温室气体排放速率的系统，将待测土壤8盛放于腔体下盖12内，密闭腔体上盖11与腔体下盖12形成密闭腔体，在未安装液滴1、细管2和针孔部件16组成的腔体内外连通部件的情况下，记录密闭腔体内的压强、温度数值；然后用抽气针筒17快速抽取出气体L ml，如图2所示，再次记录此时的压强、温度数据，根据理想气体状态方程PV＝NRT，通过抽气前后的压强、温度和体积数据，可计算得到密闭腔体中气体所占体积；例如：若抽气前密闭腔体内的压强为P₁，温度为T₁；抽气后，显然气体体积变为L+V₁；压强为：P₂，温度为T₂。而事实上，密闭腔体内的气体摩尔量不变，即N不变，R是常数；因此由下列两个式子：(L+V₁)P2＝NRT₂，V₁P₁＝NRT₁，可以求解出V₁，即密闭腔体的体积。

(2)获得密闭系统的气体体积：将抽气针筒17中的气体推进密闭腔体内，将液滴1、细管2和针孔部件16组成的腔体内外连通部件通过密闭塞13安装在密闭腔体上，形成连通的密闭系统，如图1所示；细管2为透明管，可以通过液滴1的位置变化获取细管2内被液滴1密闭部分的细管2中的气体体积；针孔部件16体积一定；根据液滴1位置到细管内端之间的细管内气体的体积与针孔部件中的气体体积和步骤(1)所得到的密闭腔体内的气体体积之和得到密闭系统的气体体积；上述细管内端是指细管与针孔部件相连的一端，细管开口的一端成为外端。

(3)由于图像采集器所采集的每一帧图像都有时间标记，而系统中采集的相关温度、压强、气体浓度参数也具有时间标记，这样可以通过时间标记获取计算所需的各种数值，通过传感器即可获得某一时刻的压强、温度、二氧化碳浓度、氧气浓度、甲烷浓度参数，通过图像传感器可以获得液滴密闭的密闭系统内体积。由于细管的截面积已知，长度已知，因而，细管的总体积可知，因而可以通过液滴内侧界面所处的位置与细管的整体长度比值，来计算细管中被液滴密闭住的体积。

(4)土壤温室气体排放速率计算：

土壤中的化学反应过程主要包括以下内容：

(a)呼吸过程，主要通过下式进行表达：

CH₂O+O_2,res→CO_2,res+H₂O(1)

(b)硝化反应过程，主要通过下式进行表达：

(c)反硝化反应过程，主要通过下式进行表达：

(d)甲烷气体的排放化学过程，主要通过下式进行表达：

CH₃COOH＝CH₄+CO₂(4)

设在单位时间内，土壤呼吸反应中产生的CO₂的量为xmol，硝化反应中消耗的O₂的量为ymol，反硝化反应中产生的N_xO_y的量为zmol，释放CH₄气体的量为wmol。由于土壤释放与消耗相关气体的速率是随着外部环境变化而变化的，因而x、y、z、w的数值是随着时间的不同而可能发生变化的。根据反应式(1)可假设，在单位时间内，土壤呼吸过程消耗的O₂的量为xmol；根据反应式(2)可假设单位时间内，硝化反应中消耗的O₂的量为ymol；根据反应式(3)可假设单位时间内，反硝化反应过程产生的N_xO_y的速率为根据反应式(4)可假设单位时间内，土壤中甲烷气体的排放化学过程产生的CO₂的量为wmol。

若在t₁时刻到t₂时刻的时间段内，密闭腔体中CO₂变化的量为O₂变化的量为CH₄变化的量为这三个数值可以通过传感器实时读数与密闭系统的体积得到。任意时刻密闭系统内含有的CO₂的量为：CO₂浓度与密闭系统体积的乘积，而CO₂浓度可以通过CO₂浓度传感器实时得到；任意时刻密闭系统内含有的O₂的量为：O₂浓度与密闭系统体积的乘积，而O₂浓度可以通过O₂浓度传感器实时得到；任意时刻密闭系统内含有的CH₄的量为：CH₄浓度与密闭系统体积的乘积，而CH₄浓度可以通过CH₄浓度传感器实时得到。

1.密闭系统内的气体摩尔总量：

根据理想气体状态方程：PV＝NRT，可以得到t₁时刻与t₂时刻密闭系统内的气体摩尔总量。

即在t₁时刻密闭系统内气体有：则t₁时刻密闭系统内气体摩尔总量有：

即在t₂时刻密闭系统内气体有：则t₂时刻密闭系统内气体摩尔总量有：

则有：

2.密闭系统内的甲烷变化量：

由密闭系统内，t₁时刻与t₂时刻甲烷变化量可得：

而为t₁时刻CH₄浓度与密闭系统体积的乘积和t₂时刻CH₄浓度与密闭系统体积的乘积分别得到，而CH₄浓度可以通过CH₄浓度传感器实时得到。

3.密闭系统内的氧气变化量

根据密闭系统内，t₁时刻与t₂时刻氧气减少量可得：

密闭系统内含有的O₂的量为：O₂浓度与密闭系统体积的乘积，而O₂浓度可以通过O₂浓度传感器实时得到；

4.密闭系统内的二氧化碳变化量

根据密闭系统内，t₁时刻与t₂时刻二氧化碳的增量可得：

则由(5)、(6)、(7)和(8)式可得含有x、y、z、w四个未知数的方程组：

则可分别求出x、y、z、w，然后可以获得相关化学过程的速率。

根据上述方程组可以计算出：

单位时间内，土壤呼吸反应中产生的CO₂的量：

单位时间内，硝化反应中消耗的O₂的量：

单位时间内，反硝化反应中产生的N_xO_y的量：

单位时间内，土壤中甲烷气体的排放量为：

式中：t₁表示t₁时刻的时间；t₂表示t₂时刻的时间；x表示单位时间内土壤呼吸反应中产生的CO₂的量，单位为mol；y表示单位时间内土壤硝化反应中消耗的O₂的量，单位为mol；z表示单位时间内土壤反硝化反应中产生的N_xO_y的量，单位为mol；w表示单位时间内土壤释放CH₄气体的量，单位为mol；表示在t₁时刻到t₂时刻的时间内密闭系统中CO₂变化的量，单位为mol；表示在t₁时刻到t₂时刻的时间内O₂变化的量，单位为mol；表示在t₁时刻到t₂时刻的时间内CH₄变化的量，单位为mol；表示t₁时刻密闭系统内气体摩尔总量，单位为mol，通过理想气体状态方程可计算：其中，R为常数，分别为t₁时刻密闭系统内的压强、气体体积和温度；为t₂时刻密闭系统内气体摩尔总量，单位为mol，通过理想气体状态方程可计算：其中，R为常数，分别为t₂时刻密闭系统内的压强、气体体积和温度。

下面根据上述方法列举一个具体实施例：

1：先将土壤装入腔体12中，然后盖好密封盖11，并将腔体整体埋进取土的位置。系统按照示意图2装配好后，系统开始实时采集数据，采集数据包括：氧气浓度数据、甲烷浓度数据、二氧化碳浓度数据、腔体内部温度值、腔体内部压强数据。参见图2所示，将抽气针管通过密闭塞13插入腔体中，并抽出一定体积的气体，稳定一定时间后，将气体推回密闭腔体中，并拔出抽气管，本实施例中的抽气管使用的是带有刻度的针管，抽取气体的体积为10ml。抽气前为91073pa，抽气后密闭腔体内压强为：90037pa，将抽出气体再次压入密闭腔体内的压强为：91073pa。在该过程中温度值为：26.135℃。根据公式:PV＝NRT；则有：计算出密闭腔体内气体的体积V＝879.083mL。

由于抽出气体和推入同体积的气体前后，密闭腔体内压强无变化，则说明腔体密闭性良好，可以进行测试实验。然后将一端用橡胶塞密闭的且内部装有液滴的细管水平放置，通过两端装有针孔的软管将细管与密闭腔体相连。当外部压强大于密闭腔体内压强时，液滴将向内侧移动，当外部压强小于密闭腔体内压强时，液滴将向外侧移动。从而，保证密闭腔体内部压强与外部环境大气压一致，且腔体内部与外部环境无气体交换。本实施例中，液滴为混有红色染料的油滴。细管直径为内径d：4mm，共可密闭体积为：20mL。

时间t₁，2016年9月1日，上午11点：压强为：91073pa；温度值为：26.135℃。此时通过传感器可以获得相关的浓度为：二氧化碳传感器获取浓度为：0.12umol/mL；甲烷传感器获取浓度为：0.00251umol/mL。氧气传感器获取浓度为：20.66umol/mL，通过图像处理，获取移动液滴密闭细管内的体积为3.1mL，两端装有针孔的软管体积为0.4mL，则此时移动液滴密闭的体积为：879.083mL+3.1mL+0.4mL＝882.583mL。

时间t₂，2016年9月1日，上午11：30点：压强为：91103pa；温度值为：27.543℃。此时通过传感器可以获得相关的浓度为：二氧化碳传感器获取浓度为：0.18umol/mL；甲烷传感器获取浓度为：0.00268umol/mL；氧气传感器获取浓度为：20.51umol/mL。通过图像处理，获取移动液滴密闭细管内的体积为7.9mL。则此时移动液滴密闭的体积为：879.083mL+7.9mL+0.4mL＝887.383mL。

则在t₁到t₂时间段内，

(887.383mL×0.18μmol/mL-882.583mL×0.12μmol/mL)＝53.819μmol，即增加了53.819μmol。

(887.383mL×0.00268μmol/mL-882.583mL×0.00251μmol/mL)＝0.1629μmol，即增加了0.1629μmol。

的计算为：(887.383mL×20.51μmol/mL-882.583mL×20.66μmol/mL)＝-33.9394μmol。则减少的量为：33.9394μmol。

的计算为：根据PV＝NRT,则任意时间内密闭腔体内的气体量为：则11点钟时，压强为：91073pa；温度值为：26.135+273K＝299.135K；理想气体状态常量R选择为8.3141592；体积为：882.583×10^-6m³；则此时密闭腔体内的气体量为(91073×882.583×10^-6)÷(8.3141592×299.135)＝0.03231912798mol，即为：为32319.12798μmol。

则11:30时，压强为：91103pa；温度值为：27.543+273K＝300.543K；理想气体状态常量R选择为8.3141592；体积为：887.383×10^-6m³；则此时密闭腔体内的气体量为(91103×887.383×10^-6)÷(8.3141592×300.543)＝0.03235331823mol；即为32353.31823μmol。

则，在时间间隔内，密闭腔体内气体变化摩尔量为：34.190249μmol。在单位时间内，土壤呼吸过程消耗的速率为：

将与间隔时间0.5h代入，可得：x为18.2867207272μmol/0.5h＝36.5734414544μmol/h。

单位时间内，硝化反应的速率为：

将与间隔时间0.5h代入，可得：y为15.6526792728μmol/0.5h＝31.3053585456μmol/h。

单位时间内，反硝化反应过程的速率为：

将与间隔时间0.5h代入，可得：z为14.1477517091μmol/0.5h＝28.2955034182μmol/h。

单位时间内，土壤中甲烷气体的排放速率为：

即：(887.383mL×0.00268μmol/mL-882.583mL×0.00251μmol/mL)/0.5h＝0.3258μmol/h。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。