专利名称：一种根系CO<sub>2</sub>原位自动测定装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种根系(X)2原位自动测定装置。该装置可以实现土壤呼吸和植物根系呼吸的原位自动测量，可计算出根系(X)2转换速率、土壤(X)2呼吸速率，进行土壤CO2
显量与潜量研究。
背景技术：
目前土壤碳被公认为全球迷失碳的“黑洞”，土地利用变化对土壤呼吸过程具有影响，任何土地利用的轻微变化均对土壤(X)2通量造成巨大影响，土壤(X)2通量测定和土壤呼吸机理研究是世界性的难题与热点。早期传统的呼吸测量方法是将土壤内埋入抽气管，人工抽取气体再放入采样袋，带回实验室用光谱仪进行分析，该方法实验周期长，存贮过程变化多，人工操作误差大，不便于大量的数据采集，不能实现长期连续观测。特别是植物根系呼吸是土壤呼吸的主要过程，如何测定根系呼吸对土壤呼吸的贡献率是个世界性难题。另一种方法是直接将CO2探头加采集气管后埋入土壤中，分层埋入多只探头，由于试验的需要，做(X)2通量观测，往往需要分层剖面埋设，一般做四层以上，同时为了验证实验的可靠性，需要做多个重复，一套完整的系统则需要10-20只传感器，CO2传感器本身价格昂贵，一般需要几十万的投入。同时这种方法也有弊端，如湿气过大，影响(X)2分析器测量的准确性，传感器直接埋入土壤中，也极易受到灌溉、降雨的影响，传感器容易浸水损坏。而且由于系统中大量使用(X)2传感器，由于每个传感器都存在着一致性的误差，数据的一致性受到影响，这种方法的测定结果精确性值得商榷。目前已经使用的许多土壤CO2通量原位测定方法及装置，只能反映土壤与大气界面的通量，不能细化土壤呼吸的分量，导致对土壤呼吸机理无法深入研究，而且仍需要一台完整的(X)2分析仪配合，不能实现多个实验区域的重复对比观测，由于需要人工操作，使用不便，暴露出许多缺点和弊端。实验证明，土层CO2测定在土壤层结构被扰动后，需要长时间来平衡，不适宜于野外便携式测量。因此，研发不同土地利用方式下根系CO2原位自动测定装置显得尤为必要。
发明内容本实用新型的目的是提供一种根系(X)2原位自动测定装置，该装置是由定位杆、气体收集头、土壤水分温度探头、呼吸室、排气管、电磁阀、CO2分析器、闭路气室、过滤器、质量流量传感器、CO2吸收器、数据存贮器、通信接口、液晶显示器显示和键盘、单片机、环境传感器、脉冲宽度调速器、气体采样泵、管路温湿度传感器、大气采样管、电磁岛阀、根系气体采样管组成，该装置可以自动的实现用一个红外(X)2分析器测量和记录多个测量点的呼吸，完成在野外原位长期自动测量，数据的一致性好，设备投入少，功耗小，克服了现有土壤CO2通量原位测定只能反映土壤与大气界面的通量、不能细化土壤呼吸分量、不能多个实验区域的重复对比观测、操作不便以及不易携带等缺陷。该装置可以放在田间或林地里，由太阳能 {共 O
3[0005]本实用新型所述的一种根系(X)2原位自动测定装置，该装置是由定位杆、气体收集头、土壤水分温度探头、呼吸室、排气管、电磁阀、CO2分析器、闭路气室、过滤器、质量流量传感器、CO2吸收器、数据存贮器、通信接口、液晶显示器显示和键盘、单片机、环境传感器、脉冲宽度调速器、气体采样泵、管路温湿度传感器、大气采样管、电磁岛阀、根系气体采样管组成，其中气体收集头( 分别安装在第一定位杆(1)和第二定位杆(3)中，气体收集头(2) 分别通过气体采样管、2Τ)与电磁岛阀06)连接，电磁岛阀06)通过电缆与单片机(19) 连接，电磁岛阀06)通过出气管04)与气体采样泵02)的进气口连接，气体采样泵02) 通过脉冲宽度调速器与单片机(19)的PWM输出接口连接。所述的电磁岛阀06)输入接口上连接第一呼吸室(5)和第二呼吸室(7)，第一呼吸室(5)和第二呼吸室(7)的电动上盖控制线与单片机(19)连接。所述的气体采样泵0 与温湿度传感器连接，温湿度传感器通过三通一端与旁路电磁阀(9) 一端连接，另一端与过滤器(1 连接，电磁阀(9)通过电缆与单片机(19)连接；气体质量流量传感器(1 一端与过滤器(1 连接，另一端与三通电磁阀 (14)连接，气体质量流量传感器(1 通过电缆与单片机(19)连接；二氧化碳吸收器(15) 的上下端口分别与三通电磁阀(14)连接，三通电磁阀(14)的另一端直接与采样气体的气室(11)连接，三通电磁阀(14)通过电缆与单片机(19)连接。所述的气室(11)内装有二氧化碳分析器(10)，二氧化碳分析器(10)通过电缆与单片机(19)连接，在气室(11)的上部由气管通过三通(8)与排气管(6)连接。所述的在单片机(19)的上端连接液晶显示器(18)和环境因子传感器(20)，单片机(19)的下端连接土壤水分温度传感器G)、数据存贮器(16)和通信接口 (17)。本实用新型所述的一种根系CO2原位自动测定装置，该装置由安装在土壤中不同深度的气体采样管、地表的呼吸室、大气采样管和测量控制装置组成，控制和测量装置由一个单片机来实现，通过对各个气体采样管进行切换分别测量出(X)2的含量，同时记录环境因子，对土壤碳的循环，根系碳排放，与环境的相关性，实现了与CO2交换界面的原位自动观测，是一种新型的原位自动综合观测系统。本实用新型所述的一种根系CO2原位自动测定装置，该装置是将气体采样管分层埋入土壤需要观测的深度，地表土壤呼吸室安装在其上部土壤表面，通过单片机控制电磁岛阀和气体采样泵，分别将所有层次抽提到的气体送入到CO2分析器进行测量，可接入11 个测量管路进行抽提取样，也可以同时接入辅助的环境传感器，如风速、土壤水分、土壤温度、辐射、降雨、大气压力等环境要素传感器，单片机控制系统通过按键控制和液晶显示器显示，进行系统运间隔和运作参数的设置，由计算机接口来控制和传输数据的功能，单片机将采集到的数据存贮在存储器芯片中，以供研究人员进行阶段性数据分析。该装置可将气体抽提分为两组，可对两种实验地进行比测。该装置可以安装在野外进行长期自动观测。本实用新型所述的一种根系CO2原位自动测定装置，是将多个气体抽提管埋入不同深度的土壤中，多个气管接入到一个电磁阀岛上，通过单片机来进行选通，单独设置一路气管与近地表的大气相连，以抽提参考气体和对气路换气。气体的抽提是由单片机控制一个脉冲宽度调制电路与取样泵连接，可以根据需要由程序控制流量。选通后的管路中有一个温湿度传感器，单片机将记录所抽提气体的温湿度值，管路中带有一个空气过滤器，以滤除杂质和阻止水分子进入。管路中有一个质量流量传感器，可实时测量每个管路的流量，这个信号送入到单片机，单片机可根据预设值，通过脉冲宽度调制电路对泵的转速进行调整， 以达到各路气体流量一致。管路中带有一个(X)2吸收器，作为零点的校正用，它通过一个三通电磁阀来切换。需要测量的气体最终送入到一个闭路CO2分析器进行测量，并将测量结果送入到单片机进行存贮。最终的气体排放到大气中。管路中有一个旁路三通排气电磁阀，在对每路气体测量之前，更换管路气体时，大流量的气体通过该三通电磁阀旁路排到大气中， 以清除管路中滞留气体。该系统中有一个液晶显示器，可显示系统实时的运行数据，且有按键可对运行参数进行调整。本装置的最大优点是充分考虑了根系呼吸、土壤呼吸与大气之间的吸收和排放， 以及CO2通量与环境因子的关系，克服了现有仪器测量要素单一，野外操作不方便，不能原位长期自动观测的局面，实现了 CO2迁移规律的综合观测，极大地推进了土壤CO2通量研究。
图1为本实用新型结构示意图具体实施方式
以下结合附图进一步描述并给出实施例。本实用新型的目的是提供一种根系(X)2原位自动测定装置，该装置是由定位杆、气体收集头、土壤水分温度探头、呼吸室、排气管、电磁阀、CO2分析器、闭路气室、过滤器、质量流量传感器、CO2吸收器、数据存贮器、通信接口、液晶显示器显示和键盘、单片机、环境传感器、脉冲宽度调速器、气体采样泵、管路温湿度传感器、大气采样管、电磁岛阀、根系气体采样管组成，该装置可以自动的实现用一个红外(X)2分析器测量和记录多个测量点的呼吸，完成在野外原位长期自动测量，数据的一致性好，设备投入少，功耗小，克服了现有土壤CO2通量原位测定方法及装置只能反映土壤与大气界面的通量、不能细化土壤呼吸分量、不能多个实验区域的重复对比观测、操作不便以及不易携带等缺陷。该装置可以放在田间或林地里，由太阳能供电。本实用新型所述的一种根系(X)2原位自动测定装置，该装置是由定位杆、气体收集头、土壤水分温度探头、呼吸室、排气管、电磁阀、CO2分析器、闭路气室、过滤器、质量流量传感器、CO2吸收器、数据存贮器、通信接口、液晶显示器显示和键盘、单片机、环境传感器、脉冲宽度调速器、气体采样泵、管路温湿度传感器、大气采样管、电磁岛阀、根系气体采样管组成，其中气体收集头2分别安装在第一定位杆1和第二定位杆3中，气体收集头2分别通过气体采样管27与电磁岛阀沈连接，电磁岛阀沈通过电缆与单片机19连接，电磁岛阀沈通过出气管M与气体采样泵22的进气口连接，电磁岛阀沈输入接口上连接第一呼吸室5 和第二呼吸室7，呼吸室5和呼吸室7的电动上盖控制线与单片机19连接，气体采样泵22 通过脉冲宽度调速器21与单片机19的PWM输出接口连接，气体采样泵22与温湿度传感器 23连接，温湿度传感器23通过三通一端与旁路电磁阀9 一端连接，另一端与过滤器12连接，电磁阀9通过电缆与单片机19连接；气体质量流量传感器13 —端与过滤器12连接，另一端与三通电磁阀14连接，气体质量流量传感器13通过电缆与单片机19连接；二氧化碳吸收器15的上下端口分别与三通电磁阀14连接，三通电磁阀14的另一端直接与采样气体的气室11连接，三通电磁阀14通过电缆与单片机19连接；气室11内装有二氧化碳分析器10，二氧化碳分析器10通过电缆与单片机19连接，在气室11的上部由气管通过三通8与排气管6连接；在单片机19的上端连接液晶显示器18和环境因子传感器20，单片机19的下端连接土壤水分温度传感器4、数据存贮器16和通信接口 17。在使用时，将装置放置在观测点，将两根第一定位杆1和第二定位杆3分别埋入土壤中，八根气体采样管27由第一定位杆1和第二定位杆3通过气体收集头2内引出与电磁阀岛沈上的相对应的八个接口连接；两个土壤第一呼吸室5和第二呼吸室7安装在定位杆上方土壤表面，并通过两根采集导管将土壤第一呼吸室5和第二呼吸室7接入到相对应的电磁阀岛沈接口上；大气采样管25接入到相对应的电磁阀岛沈接口上，定时工作，当到达预定的时间，测量开始大气采样测量单片机19控制电磁阀岛沈的大气采样管25选通，启动气泵22开始抽气，抽取的气体先经气管M进入温湿度传感器23进行测量，测量值记录在单片机19内，温湿度传感器23输出的气体由三通一侧进入电磁阀9上，单片机19控制电磁阀9使管路内的气体由排气管6排出，三通的另一路气体经气室分析器11排出，以达到快速更新系统中气体残留，按预设时间排气后，关闭电磁阀9，这样所有的气体经过滤器12以滤除水分和杂质后传输到质量流量传感器13，流量传感器13的电信号输入到单片机19，单片机会根据需要的流量控制脉冲宽度调速器21来调整气泵22的转速，以达到最佳的测量流量；在对大气采样管25和第一呼吸室5和第二呼吸室7的气体进行低浓度(X)2测量前，单片机19首先通过三通电磁阀14将气体切换到(X)2吸收器15，对(X)2分析器10进行校准，并将所测的当前值 VCREF记录下来，完成校准后，单片机19控制三通电磁阀14关闭(X)2吸收器15通路，切换到(X)2分析器10进行测量，将测量结果送入到单片机19，单片机将按VCREF值校准记录并保存，即完成大气测量；土壤呼吸测量单片机19控制电磁阀岛沈切换到呼吸室5上，先进行一定时间的抽提以对管路进行换气，完成换气后，单片机19控制呼吸室5的电机将呼吸室上盖关闭，并将气体经由流量传感器13送入到(X)2分析器10进行测量，并且单片机19根据流量计算呼吸速率，同时将 CO2测量值和速率记录，完成测量后单片机19控制呼吸室5电机打开上盖，继续用同样方法完成呼吸7的测量；根系呼吸测量单片机19控制电磁阀岛沈切换到第一路根系采样管27上，气体首先经温湿度传感器23进行测量，又经过滤器12滤除杂质和水气后，经流量传感器13测量流量，最后送入到(X)2分析器10进行测量，这个过程不需要再校准(根系(X)2含量一般高于大气(X)2含量)， 在对根系采样气体测量前，均需要从大气采样管25吸入对比(X)2含量的大气对测量管路进行清理，并通过旁路电磁阀9快速排出；环境因子测量单片机19将环境因子传感器20的信号进行多路数据采集器采集转换后记录；数据显示和传输所有测量过程数据均通过液晶显示器显示器18实时显示，单片机19控制将最终的测量结果存贮到的数据存贮器16中，与单片机相连接的RS232通信接口和RS485接口17,以实现计算机的通信和控制。 本实用新型所述的一种根系CO2原位自动测定装置，由安装在土壤中不同深度的气体采样管、地表的呼吸室、大气采样管和测量控制装置组成，控制和测量装置由一个单片机来实现，通过对各个气体采样管进行切换分别测量出(X)2的含量，同时记录环境因子，对土壤碳的循环，根系碳排放，与环境的相关性，实现了与(X)2交换界面的原位自动观测，是一种新型的原位自动综合观测装置。
权利要求1.一种根系(X)2原位自动测定装置，其特征在于该装置是由定位杆、气体收集头、土壤水分温度探头、呼吸室、排气管、电磁阀、CO2分析器、闭路气室、过滤器、质量流量传感器、(X)2 吸收器、数据存贮器、通信接口、液晶显示器显示和键盘、单片机、环境传感器、脉冲宽度调速器、气体采样泵、管路温湿度传感器、大气采样管、电磁岛阀、根系气体采样管组成，其中气体收集头( 分别安装在第一定位杆(1)和第二定位杆(3)中，气体收集头( 分别通过气体采样管、2Τ)与电磁岛阀06)连接，电磁岛阀06)通过电缆与单片机(19)连接，电磁岛阀06)通过出气管04)与气体采样泵0 的进气口连接，气体采样泵0 通过脉冲宽度调速器与单片机(19)的PWM输出接口连接。
2.根据权利要求1所述的一种根系CO2原位自动测定装置，其特征在于电磁岛阀06) 输入接口上连接第一呼吸室(5)和第二呼吸室(7)，第一呼吸室(5)和第二呼吸室(7)的电动上盖控制线与单片机(19)连接。
3.根据权利要求1所述的一种根系(X)2原位自动测定装置，其特征在于气体采样泵 (22)与温湿度传感器连接，温湿度传感器通过三通一端与旁路电磁阀(9) 一端连接，另一端与过滤器(12)连接，电磁阀(9)通过电缆与单片机(19)连接；气体质量流量传感器(1 一端与过滤器(1 连接，另一端与三通电磁阀(14)连接，气体质量流量传感器(1 通过电缆与单片机(19)连接；二氧化碳吸收器(1 的上下端口分别与三通电磁阀 (14)连接，三通电磁阀(14)的另一端直接与采样气体的气室(11)连接，三通电磁阀(14) 通过电缆与单片机(19)连接。
4.根据权利要求1所述的一种根系0)2原位自动测定装置，其特征在于气室(11)内装有二氧化碳分析器(10)，二氧化碳分析器(10)通过电缆与单片机(19)连接，在气室(11) 的上部由气管通过三通(8)与排气管(6)连接。
5.根据权利要求1所述的一种根系CO2原位自动测定装置，其特征在于在单片机(19) 的上端连接液晶显示器(18)和环境因子传感器(20)，单片机(19)的下端连接土壤水分温度传感器G)、数据存贮器(16)和通信接口(17)。
专利摘要本实用新型涉及一种根系CO2原位自动测定装置，该装置是由定位杆、气体收集头、土壤水分温度探头、呼吸室、排气管、电磁阀、CO2分析器、闭路气室、过滤器、质量流量传感器、CO2吸收器、数据存贮器、通信接口、液晶显示器显示和键盘、单片机、环境传感器、脉冲宽度调速器、气体采样泵、管路温湿度传感器、大气采样管、电磁岛阀、根系气体采样管组成，该装置可以自动的实现用一个红外CO2分析器测量和记录多个测量点的呼吸，完成在野外原位长期自动测量，克服了现有土壤CO2通量原位测定只能反映土壤与大气界面的通量、不能细化土壤呼吸分量、不能多个实验区域的重复对比观测、操作不便以及不易携带等缺陷。
文档编号G01N33/24GK202033357SQ201020589410
公开日2011年11月9日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者李新, 林而达, 盛钰, 赵成义 申请人:中国科学院新疆生态与地理研究所