一种模拟湿地生态系统温室气体的监测装置及其使用方法与流程

本发明涉及一种生态环境模拟监测装置，特别是关于一种模拟湿地生态系统温室气体的监测装置及其使用方法。

背景技术：

湿地是处于水域和陆地交错区域独特的生态系统。湿地是指天然的或人工的、永久或暂时的沼泽地、泥炭地及水域地带，带有静止或流动的淡水、半咸水及咸水水体，包含低潮时水深不超过6米的海域。常见的自然湿地有：沼泽地、泥炭地、浅水湖泊、河滩、海岸滩涂和盐沼等，人工湿地包括稻田、虾田、蟹田等。湿地类型多，面积大、分布广。据统计，全世界共有湿地8.558×10⁸ha，占陆地总面积的6.4％。

湿地对全球变化的贡献主要表现在以下几个方面：

1.湿地生态系统是CO₂的“源”与“汇”

据估计，储藏在不同类型湿地内的碳约占地球陆地碳总量的15％，因而，湿地在全球碳循环过程中有着极其重要的意义。据Franzen估计，世界上泥炭干物质总量为240×10⁹～280×10⁹t，如果按碳含量50％～55％计算，储藏在泥炭中碳的总量将是120×10⁹～154×10⁹t。湿地生态系统由于地表经常性积水，土壤通气性差，地温低且变幅小，造成好气性细菌数量的降低，而嫌气性细菌较多。植物残体分解缓慢，形成有机物质的不断积累。泥炭是沼泽湿地的产物，是生态系统中有机质积累速率较强类型之一，是CO₂的“汇”。湿地经过排水后，改变了土壤的物理性状，地温升高，通气性得到改善，提高了植物残体的分解速率，而在湿地生态系统有机残体的分解过程中产生大量的CO₂气体，向大气中排放，此时，湿地生态系统又表现为CO₂的“源”。

2.湿地生态系统是甲烷(CH₄)的重要“源”

甲烷，CH₄，俗名沼气，产生于厌氧微生物活动。在厌氧条件下，甲烷菌分解土壤中的有机质，产生甲烷，同时，在好气土壤或土层中，甲烷又被氧化菌所氧化。由于甲烷是在厌氧条件下产生的，所以产生甲烷的土壤环境主要是各种类型的沼泽、较浅的水体及水稻田。据估计全球湿地每年约释放150Tg(1Tg＝1000000t)甲烷，约占每年大气总甲烷来源的25％。在湿地和稻田中，甲烷产生和再氧化受温度、酸碱度、氧化还原电位和淹水深度的影响，并与植物生长密切相关。植物生长一方面是有机物质的来源；另一方面，植物通气组织是土壤中甲烷进入大气，以及大气中氧气进入土壤的主要通道。各种天然湿地的排放量约为2.2×10¹²g，约占总排放量的6％左右。甲烷产生与湿地类型、水分状况、温度、土壤理化特征等因素有关。

3.湿地生态系统是氧化亚氮(N₂O)的“源”

氧化亚氮(N₂O)是仅次于CO₂和CH₄的温室气体。大气中N₂O的95％来源于生态系统氮循环中的硝化和反硝化过程。其中河流、河口和大陆架每年约有11×10¹²～17×10¹²g N₂O排入大气，约占湿地生态系统N₂O排放量的35％。

对于湿地生态系统，由于碳输入相互作用、沉降和再悬浮过程，水和沉积物中微生物过程，温室气体如CH₄和CO₂及N₂O的排放具有较大的时空变异性。对于湿地生态系统结构组成要素中，湿地植物，湿地水体和湿地基质等随环境条件的变化均导致温室气体排放量时空异质性。因此准确监测湿地生态系统中温室气体排放是进行准确评估湿地在全球气候变化中的作用的重要前提。

目前我国已经开展了相关湿地的温室气体排放的研究，虽然近些年，一些先进仪器得到一定运用，但是价格昂贵，不利于广泛推广，因此较多研究仍采用静态箱法，但是静态箱法大多装置笨重，给监测带来极大的不便和难度，同时也降低了监测的准确度。对于湿地植物，大多分布在不同水位梯度的水体中，要进行温室气体监测，对科研和管理工作者都带来一定的工作困难。尤其监测浮水和沉水植物为主体的生态系统温室气体排放难度加大。对于以往关于温室气体排放监测的专利，主要集中对于静态箱法装置的轻便化改进，而对于设计不同水位梯度下湿地生态系统温室气体监测却相对空白，而此方面研究对于湿地生态系统在全球气候变化中的作用进行估算这部分也非常重要，因此对于一种监测模拟湿地生态系统温室气体排放的简易装置则在一定的程度上推进了对于湿地生态系统在全球气候变化中准确量化的进程。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种模拟湿地生态系统温室气体的监测装置及其使用方法，该装置结构简单，能够模拟湿地生态系统排放温室气体，并对其定量监测。

为达到上述目的，本发明提供一种监测湿地生态系统温室气体的装置，包括箱体和箱盖，所述箱体的内部设置有湿地土壤基质层、湿地植物层和湿地水体层，所述箱盖上连接抽气装置；

所述湿地土壤基质层、湿地植物层和湿地水体层用于模拟被监测湿地生态系统环境。

进一步地，所述箱体的内部设置有小型风扇；所述箱盖内部设置有温度计。

进一步地，所述为箱盖可拆卸的结构。

进一步地，所述箱体与所述箱盖密封连接。

进一步地，所述箱体与所述箱盖之间设置有密封结构。

进一步地，所述密封结构为橡胶圈。

进一步地，所述箱体与所述箱盖螺纹连接。

进一步地，所述抽气装置包括连接装置和注射器，所述注射器通过连接装置与箱盖密封连接。

进一步地，所述连接装置包括橡皮管，所述橡皮管与箱盖密封连接。

本发明还提供一种模拟湿地生态系统温室气体的监测装置的使用方法，包括以下步骤：

S1：采集被测湿地生态系统的土壤基质、湿地植物和湿地水体；

S2：将采集到的土壤基质、湿地植物和湿地水体分别放置于湿地土壤基质层、湿地植物层和湿地水体层；

S3：根据所选的湿地植物所需环境条件氧，模拟被测湿地生态系统的水位条件，打开箱盖培养湿地植物；

S4：根据植物生长状况，需监测生态系统温室气体的排放时，将箱盖与箱体密封或螺纹连接，开启小型风扇，以使密封系统内部气体混合均匀，将注射器插入连接装置，抽取气体待测，记录箱体内部温度。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明中提供的监测湿地生态系统温室气体的装置，结构简单，重量轻，移动便捷，亦可设置多个平行试验或是多次重复试验，以提高实验结果的准确性；

2.本发明中湿地生态系统的箱体与箱盖之间的密封性强，可以随意取下密封结构，使模拟湿地生态系统与外界进行物质和能量流动，使湿地生态系统持续进行，同时也可以配置密封结构，使整套装置形成密封性系统，为其准确监测进行了准备；

3.本发明将自然界中的湿地生态系统进行移植到本发明提供的监测装置中，并定植各个湿地植物，设计不同水位，进而模拟不同的湿地生态系统状态。整个系统密封后，将整个系统作为一个湿地生态系统进行温室气体定量监测。整个装置设计巧妙、密封性好，能够准确测定相应湿地生态系统的温室气体排放，精确度高，操作简便，便于统一标准化实施。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的监测湿地生态系统温室气体的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的监测湿地生态系统温室气体的装置的结构示意图；

图3为本发明实施例3提供的监测湿地生态系统温室气体的装置的结构示意图。

图中所示如下：

100～三通阀；

200～橡皮管；

201～控制夹；

300～注射器；

400～橡胶圈；

500～湿地水体层；

600～湿地植物层；

700～湿地土壤基质层；

800～箱体；

900～箱盖；

901～小孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本发明实施例1提供的一种监测湿地生态系统温室气体的装置，包括箱体800和箱盖900，箱体800内部从箱体底部向上依次设置湿地土壤基质层700、湿地植物层600和湿地水体层500，箱盖900与箱体800之间设置橡胶圈400用于密封，箱盖900通过橡皮管200连接于三通阀100。橡皮管200无味，直径约为1cm左右。注射器300的针头插入三通阀100进行抽取气体样品。

箱体800的内部设置温度计(未示出)，用于监测模拟湿地生态系统的温度。

箱盖900中安装小型风扇(未示出)，用于监测温室气体排放时将箱体内部进行均匀混合，以提升监测的准确性。

实施例2

如图2为本发明实施例2提供的一种监测湿地生态系统温室气体的装置，包括箱体800和箱盖900，箱体800内部从箱体800底部向上依次设置湿地土壤基质层700、湿地植物层600和湿地水体层500，箱体800内部还设置温度计(图中未示出)。

箱盖900与箱体800之间螺纹连接。箱盖900内部设置有小型风扇，箱盖900上设置小孔901，小孔901可用橡胶塞密封。注射器300的针头穿过橡胶塞进行抽取气体样品。

实施例3

如图3为本发明实施例3提供的一种监测湿地生态系统温室气体的装置，包括箱体800和箱盖900，箱体800内部从箱体800底部向上依次设置湿地土壤基质层700、湿地植物层600和湿地水体层500，箱体800内部还设置温度计(图中未示出)，用于监测模拟湿地生态系统的温度。

箱盖900与箱体800之间设置橡胶圈400用于密封。箱盖900与橡皮管200的一端连接，橡皮管200的另一端设置控制夹201。箱盖900内部设置有小型风扇，用于使密封系统内部气体混合均匀。

打开控制夹201，将注射器300的针头伸入到橡皮管200进行抽取气体样品或者不打开控制夹201，用注射器300的针头刺穿橡皮管200，伸入到橡皮管中进行抽取气体样品。

应用范例：

监测模拟不同水位条件下外来植物香菇草种群温室气体的排放

湿地植物为湿地生态系统结构的重要结构要素，湿地植物所处的水位特点势必影响温室气体的排放。

香菇草(Hydrocotyle vulgaris)，又名南美天胡荽，原产欧洲、北美洲南部及中美洲地区，为伞形科天胡荽属多年生草本植物。可以通过节点进行无性繁殖，也可产生种子进行有性繁殖，其中无性繁殖为其最主要的扩散方式。香菇草株高10-45cm，根茎呈发达的交错网状，或露出地面呈匍匐状，能够适应水生、湿生乃至陆生等多种生境，近年来因园林绿化及湿地造景的应用而被广泛引种，在中国具有一定的爆发潜势。

为了监测不同水位条件下外来植物香菇草种群温室气体排放，特设计了外来植物香菇草种群温室气体排放的技术体系。具体实施如下：

1)首先从香菇草自然生长的生境中取样，本实施例选取的香菇草来源于浙江省杭州下沙湿地、西溪湿地、浙江嘉兴贯泾港湿地等处，取野外表层(0-30cm)的土壤，采用多点取样后进行混合均匀，利用土壤冷温存储箱带回实验基地，待用。

2)准备好监测湿地生态系统温室气体的装置，该装置的大小可以根据需要设计，本实验箱体800的直径为约46cm，高50cm。将取回的土样置于土壤基质层700，其厚度为10cm左右；湿地植物层600，按照外围圆形等距离定植6棵香菇草(定植的植物的数量根据装置的大小及定植的植物种类进行确定)。根据实验研究需要设计不同的水位。本实施例的湿地水体层500设计两组不同的水位，其中一组为保持土壤微积水状态，模拟陆生环境；另一组为保持水位10cm，模拟水生环境，每组设置至少三个平行。

3)香菇草种植以后，控制水位，在箱盖900打开的状态下，以模拟其在真实自然环境中进行培养。在香菇草生长的过程中，监测其不同生长阶段：主要为生长中期、生长盛期及生长末期的温室气体排放。

4)监测温室气体排放时，首先将箱盖900盖上，使其与箱体800形成密封装置。开启小型风扇，之后，通过抽气系列进行取样，存储于注射器中，利用安捷伦7980A进行测试温室气体的浓度，并计算通量，从而能够准确评估模拟湿地生态系统在全球气候变化中的作用。具体监测和统计结果见表1和表2。

表1不同测试时间、生境及种群多样性的条件下甲烷和氧化亚氮的排放结果

注：本实施例是在北京实验室模拟浙江取材的香菇草的湿地系统的温室气体排放检测。

说明：表1中种群多样性的中的“1”表示容器内6颗香菇草取自浙江省杭州西溪湿地等地同一种群；“3”表示容器内每2颗香菇草分别随机取自浙江省杭州西溪湿地、杭州下沙湿地及杭州嘉兴贯经项湿地等同“6”的任意3个种群，实验容器内仍为6棵香菇草；“6”表示容器内6颗香菇草中其中每棵分别取自浙江省杭州西溪湿地、杭州下沙湿地、浙江嘉兴贯径项湿地、浙江丽水滨河湿地、浙江宁波日湖湿地、浙江台州运河种群。

表2不同测试时间、生境及种群多样性对温室气体甲烷和氧化亚氮的温室气体排放的Three-ANOVA分析表

说明：表2中P<0.05表明处理间差异显著，P<0.001表明处理间差异极显著。

从表1和表2可以看出，利用本发明提供的模拟湿地生态系统温室气体的监测装置及使用方法测定的温室气体甲烷和氧化亚氮的数据，其数量级与常规暗箱法测定的数据的数量级相同，如使用暗箱法监测北京密云水库消落带温室气体排放的甲烷气体含量范围为0.05～3.05mg·m^-2·h^-1，氧化亚氮气体含量范围为-0.04～1.90mg·m^-2·h^-1(此数据见Hongli Li et al.,2015Hydrology Research)，且经统计学检验(表2)，不同监测时间对甲烷和氧化亚氮温室气体排放具有显著影响，生境对氧化亚氮温室气体排放显著影响。监测时间与生境，以及生境与种群多样性的交互作用对氧化亚氮温室气体排放均具有显著影响，其余未注明因素影响不显著。因此，本发明提供的模拟湿地生态系统温室气体的监测装置及使用方法能够较为精确的测定湿地生态系统的温室气体变化。

本发明设计的模拟湿地生态系统温室气体的监测装置通过配置湿地土壤，湿地水体，湿地植物进行模拟不同状态的湿地生态系统，搭配密封结构，并配置抽气系统进行对模拟湿地生态系统进行温室气体监测的装置。本装置具有结构简易，相对轻便，便于操作，可以对不同水位梯度、不同湿地植物的湿地生态系统进行监测温室气体，最大程度上保证了监测的准确性。本装置材料为均为无味装置，不会对湿地环境造成二次污染。另外，本装置制作简单，操作简易，将目前必须在湿地系统当地进行温室气体监测的研究转变为可以在控制条件下进行，并设置多个重复平行实验，提高实验准确性，为从事于湿地温室气体监测与研究的相关人员提供一种可靠的方法。

最后应说明的是：以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。