草地生态系统三界面二氧化碳交换通量的原位测定装置的制作方法

本实用新型涉及一种草地生态系统三界面二氧化碳交换通量的原位测定装置。

背景技术：

自工业革命以来，由于人口的剧增、化石燃料的大量使用以及土地的不合理利用等人为因素导致生态系统原有的碳平衡遭到破坏，以CO₂为主要成分的温室气体浓度变化速度加快，进而引发全球气候变化。目前，普遍认为气候变暖是全球碳循环发生变化的结果，准确地估计陆地生态系统碳吸收量及其时空变化可为预测区域气候变化等提供重要参考。有关地-气-植被间CO₂的运移规律及源和汇的研究评价等已成为国际上关注的焦点问题。土壤是地球上最大的陆地碳库，是大气中CO₂的重要源与汇，全球约有1400-1500gt的碳以有机态的形式储存于土壤中，约有500-700gt的碳储存于植被中，约有750gt的碳储存于大气中。通过植物光合、植物呼吸及土壤呼吸等过程进行着CO₂在三界面间的循环与流动。大气中CO₂浓度的变化主要取决于参与碳循环的各个碳库间碳交换通量的波动。

在全球生态系统中，草地生态系统约占陆地面积的30％。草地作为地球上分布最广的植被类型，占全世界自然植被的32％，是陆地生态系统的重要组成部分。草地生态系统碳储量约占陆地生态系统碳库总储量的34％，其中草地土壤的碳储量约占草地总碳储量的90％。受地理位置、环境气候和人为等诸多因素的影响，草地植被生态系统与大气间CO₂交换通量具有很高的空间分异性和时间变化特征，草地生态系统的碳收支状况对全球碳核算起着重要的作用。因此，草地生态系统土壤有机碳(SOC)库的微小变化都将引起大气中CO₂含量的显著变化，在全球气候变化中扮演着重要角色。我国草地面积近400万km²，约占国土总面积的40％,，是我国面积最大的陆地生态系统，研究草地生态系统CO₂在三界面间浓度的动态变化，是进行陆地生态系统的碳收支核算的最基本方法，对于准确估算草地生态系统与大气间的碳交换量，正确评价草地生态系统在全球碳循环中的地位和作用以及制定科学合理的禁牧制度提供科学依据，对于人类认识和控制全球变化具有现实和深远的意义。

目前，有关草地生态系统植被-大气-土壤三界面二氧化碳通量的测定方法中，箱式法+气象色谱测定是一种比较传统而常用的方法，其工作原理是将特定大小的箱体置于具有一定表面积的土壤或植被之上，在隔绝箱体内外气体的自由交换后，测定箱内气体随时间变化的强度，并最终获得被测气体的交换通量。箱式法包括静态和动态箱两种，二者的差别在于前者在测定结束之后需要将箱体从研究对象上方移开，不能进行连续观测；而动态箱体的上部可以自动打开，可使箱体内外环境保持一致，不必移走箱体，可以实现长期和连续观测。草地生态系统监测主要采用静态箱法，用注射器采集气体样品后拿回实验室，用气象色谱测定二氧化碳浓度，在理想状况下该法可测得土壤界面或植被界面与大气间痕量气体的交换通量。此箱式法操作简单，目前被广泛应用于植被和地表碳排放通量的测定，但密闭静态箱对观测有扰动，多种因素都会对气体交换通量的测量产生影响，存在一定的局限性。现有的密闭静态箱存在一些弊端，对箱内气体和环境造成一定的扰动和破坏，例如采用透明箱测定生态系统二氧化碳交换过程中，太阳辐射会使密闭箱内空气温度上升很快，难以控制；另外，通常在底座和箱体之间采用水密封的方式，这对于监测湿地生态系统而言比较容易实现，水源可以是湿地内的湖水或者沼泽水等，但是对于草地生态系统(缺乏水源)来说，无疑增加了测样的难度和工作量；进一步地，所测样品需要从野外带回实验室进行分析，不能实时反映系统内二氧化碳流动的真实状况，其测定结果的准确性稍差。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种草地生态系统三界面二氧化碳交换通量的原位测定装置，该装置具有结构简单、操作容易、密封性好、稳定性高、实用性强、方便可靠的特点，适合长期原位观测草地生态系统碳通量的动态情况。

为了实现上述的目的，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种草地生态系统三界面二氧化碳交换通量的原位测定装置，包括底端和顶端分别为敞口的底座以及底端敞口顶端封闭的采集箱，其中，所述底座的顶端表面设置有一圈凹槽，所述凹槽中设置有塑胶密封圈，所述采集箱的底端密封地插装在所述凹槽中；所述采集箱采用透明的材料制备形成，所述采集箱的侧壁以及顶端分别设置有多个加固条，所述采集箱内设置有采样管，所述采样管穿透所述采集箱的顶端向外延伸连接至抽气泵，所述抽气泵通过一通气管连接至红外气体分析仪；所述采样管中位于所述采集箱内的部分开设有多个进气 孔，所述多个进气孔在所述采样管的侧壁上呈螺旋状分布；所述原位测定装置还配置一不透明的外箱，所述外箱用于罩设在相互装配后的所述底座和所述采集箱上。

优选地，所述底座的顶端边缘设置有多个卡扣件，所述采集箱的底端边缘设置有一一对应于所述卡扣件的凸起固定块；或者是，所述采集箱的底端边缘设置有多个卡扣件，所述底座的顶端边缘设置有一一对应于所述卡扣件的凸起固定块；所述采集箱的底端密封地插装在所述凹槽中时，所述卡扣件与所述凸起固定块卡扣配合。

优选地，所述凹槽中设置有多个第一磁性构件，所述采集箱的底端边缘设置有一一对应于所述第一磁性构件的第二磁性构件，所述第一磁性构件和所述第二磁性构件通过磁力相吸以使所述采集箱和所述底座稳固配合。

优选地，所述通气管上设置有气体混合器。

优选地，所述采集箱中还设置有温湿度检测器、气压检测器以及微型电风扇，所述采集箱的顶端开设有多个功能孔，所述功能孔被弹性橡胶塞密封，所述功能孔用于插接功能连接件，所述功能连接件包括将所述温湿度检测器、气压检测器以及微型电风扇连接到外部控制器的信号线。

优选地，所述多个功能孔中包括一个气体采样孔和一个气压平衡孔，所述采样管通过所述气体采样孔穿透所述采集箱的顶端；在从所述采集箱抽取气体样品时，所述气压平衡孔中插接有一注射器针头。

优选地，所述采集箱内的顶部设置有多个填充有冰晶的冰盒；所述采集箱内还设置有一导热管，所述导热管的一端延伸至所述采集箱的底部，另一端穿透所述采集箱的顶端向外延伸。

优选地，所述采集箱内设置有两个微型风扇，所述两个微型风扇连接在所述采集箱的顶部，所述两个微型风扇位于所述采集箱内相对的两侧；所述微型风扇的多个叶片呈覆瓦状设置，以所述微型风扇的旋转轴为起点，所述叶片朝向所述微型风扇与所述采集箱的连接点倾斜。

优选地，所述底座的侧壁上设置有第一刻度，所述采集箱的侧壁上设置有第二刻度。

优选地，所述采集箱内其中相对的两侧分别设置有一干燥管，所述干燥管通过连接臂连接到所述采集箱的内壁，所述干燥管与所述采集箱的侧壁具有间 隙；其中，所述干燥管在所述采集箱内沿横向延伸并在纵向方向上多次往返弯折，所述干燥管上设置有多个微孔，所述干燥管内填充有干燥剂。

本实用新型实施例提供的一种草地生态系统三界面二氧化碳交换通量的原位测定装置，该装置包括底座和密封地插装在底座上的采集箱，底座和采集箱通过机械构件相互密封连接，该装置还配置有红外气体分析仪和不透明的外箱，其具有结构简单、操作容易、密封性好、稳定性高、实用性强、原位监测、方便可靠的特点，适合长期原位观测草地生态系统碳通量的动态情况。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的草地生态系统三界面二氧化碳交换通量的原位测定装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中的不透明的外箱的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本实用新型的实施方式仅仅是示例性的，并且本实用新型并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。

参阅图1和图2，图1是本实用新型实施例提供的草地生态系统三界面二氧化碳交换通量的原位测定装置的结构示意图，图中底座和采集箱为相互分离的状态，其中一些位于箱体内的结构件采用透视的视角显示出；图2是本实用新型实施例中的不透明的外箱的结构示意图。

如图1所示，本实施例提供了一种草地生态系统三界面二氧化碳交换通量的原位测定装置，所述原位测定装置包括底端和顶端分别为敞口的底座1以及底端敞口顶端封闭的采集箱2，其中，所述底座1的顶端表面设置有一圈凹槽3，所述凹槽3中设置有塑胶密封圈4，所述采集箱2的底端密封地插装在所述凹槽3中。所述采集箱2采用透明的材料制备形成，所述采集箱2的侧壁以及顶端分别设置有多个加固条5。所述采集箱2内设置有采样管6，所述采样管6穿透所述采集箱2的顶端向外延伸连接至抽气泵7，所述抽气泵7通过一通气管8连接 至红外气体分析仪9。所述采样管6中位于所述采集箱2内的部分开设有多个进气孔6a，所述多个进气孔6a在所述采样管6的侧壁上呈螺旋状分布。如图2所示，所述原位测定装置还配置一不透明的外箱10，所述外箱10也是底端敞口顶端封闭，在需要使用时可以罩设在相互装配后的所述底座1和所述采集箱2上。其中，本实施例中的底座1、采集箱2以及外箱10均为方形结构，当然在另外的一些实施例中，底座1、采集箱2以及外箱10也可以采用其他的形状，例如圆筒状。

其中，透明的采集箱2由透明材料制备形成，例如4mm后的有机玻璃或者透明的PVC材料，加固条5可以采用铝合金材料。不透明的外箱(暗箱)10由不透明材料制备形成，例如在有机玻璃上贴附不透光膜或者使用不透明的PVC材料，不透明的外箱(暗箱)10也可以是使用相应尺寸的铁架子上罩有反光材料的不透光罩子或者双层绒布(外层为白色里层为黑色)构成。

如上所提供的草地生态系统三界面二氧化碳交换通量的原位测定装置，在测试时，首先将底座1插入到草地的土壤中，为了控制底座1插入土壤中的深度，如图1所示，所述底座1的外侧壁设置有第一刻度101；然后将采集箱2的底端插装在底座1的凹槽3中收集草地排放的气体，为了便于观察采集箱2内的植株高度，如图1所示，所述采集箱2的外侧壁设置有第二刻度201；最后由抽气泵7抽出采集的气体输送至红外气体分析仪9进行测试。在测试时，可以根据实际需要罩上外箱10，以排除太阳辐射的影响；该装置底座和采集箱通过机械构件相互密封连接，降低了在缺乏水源的草地环境中测样的难度和工作量，并且配置有便于携带的红外气体分析仪，能够实时反映系统内二氧化碳流动的真实状况。

其中，如图1所示，所述通气管8上设置有气体混合器11。多个进气孔6a在所述采样管6上是沿纵向分布的，可以在采集箱2内多点采集气体，气体混合器11通过抽气泵将多点采样的气体混合均匀再送到红外气体分析仪9进行测试，有助于提高测试精度。其中，所述气体混合器11的形状可以是具有中空腔体的任意形状，例如可以是长方体、正方体、球体或椭圆球体。

其中，如图1所示，为了使得采集箱2与底座1之间的装配更加牢固、密封性更好，如图1所示，所述底座1的顶端边缘设置有多个卡扣件1a，所述采集箱2的底端边缘设置有一一对应于所述卡扣件1a的凸起固定块2a，所述采集箱2的底端密插装在所述凹槽3中时，所述卡扣件1a与所述凸起固定块2a卡扣 配合。当然，在另外的一些实施例中，也可以是在所述底座1的顶端边缘设置有多个卡扣件，而所述采集箱2的底端边缘则设置有一一对应于所述卡扣件的凸起固定块。其中，如图1所示，在本实施例中，为了进一步提高采集箱2与底座1之间相互装配稳固性和密封性，所述凹槽3中设置有多个第一磁性构件1b，所述采集箱2的底端边缘设置有一一对应于所述第一磁性构件1b的第二磁性构件2b，所述第一磁性构件1b和所述第二磁性构件2b通过磁力相吸以使所述采集箱2和所述底座1稳固配合；其中，所述第一磁性构件1b和所述第二磁性构件2b分别对应的卡扣件2a或凸起固定块1a相互交错设置。需要说明的是，在另外的一些实施例中，可以是仅在采集箱2和底座1上分别设置对应的卡扣件1a和凸起固定块2a，也可以是仅在采集箱2和底座1上分别设置对应的第一磁性构件1b和第二磁性构件2b。当然，同时设置卡扣件1a和凸起固定块2a以及第一磁性构件1b和第二磁性构件2b将取得更好的效果。

其中，如图1所示，所述采集箱2中还设置有温湿度检测器12、气压检测器13以及微型电风扇14a、14b，所述采集箱2的顶端开设有多个功能孔15，所述功能孔15用于插接功能连接件，所述功能孔15周围包裹弹性橡胶塞(图中未示出)，达到功能孔15和相应功能件接触时的密封作用，所述功能连接件包括将所述温湿度检测器12、气压检测器13以及微型电风扇14a、14b连接到外部16的信号连接线17。外部控制器16用于向微型电风扇14a、14b提供电源以及显示检测的参数。

进一步地，如图1所示，所述多个功能孔15中包括一个气体采样孔15b和一个气压平衡孔15a，所述采样管6通过所述气体采样孔15b穿透所述采集箱2的顶端。在从所述采集箱2抽取气体样品时，所述气压平衡孔15a中插接有一注射器针头，注射器针头将采集箱2内部与外部气压连通，以在抽取气体样品时保持气压平衡。需要说明的是，注射器针头的孔径很小，其不会影响到采集箱2内部的气体成分，或者说影响因素很小，可以忽略。

在采用采集箱2测定生态系统微量气体交换过程中，太阳辐射会使密闭箱内空气温度上升很快，采样期间温度急剧上升影响植物的光合作用和呼吸作用，降低了测试的精确度。为了解决这一问题，在本实施中，如图1所示，所述采集箱2内的顶部设置有多个填充有冰晶的冰盒18，用于对采集箱2内的顶部进行降温。所述采集箱2内还设置有一导热管19，所述导热管19的一端延伸至所述采集箱2的底部，另一端穿透所述采集箱2的顶端向外延伸，所述导热管19可以将采集箱2底部的热量导出，避免采集箱2内的温度急剧上升。本实施例 中设置有四个冰盒18，分别连接在方形采集箱2的四个顶角附近。

进一步地，如图1所示，所述采集箱2内设置有两个微型风扇14a、14b，所述两个微型风扇14a、14b连接在所述采集箱2的顶部，所述两个微型风扇14a、14b位于所述采集箱内相对的两侧。本实施例中两个微型风扇14a、14b连接在方形采集箱2的两个相对的顶角上。按照如上的连接方式设置两个微型风扇14a、14b，可以达到改善箱内气流的流动方向，使得气体在箱体上部形成环流，并且避免死角。更具体地，在本实施例中，所述微型风扇14a、14b的多个叶片呈覆瓦状设置，以所述微型风扇14a、14b的旋转轴为起点，所述叶片朝向所述微型风扇14a、14b与所述采集箱2的连接点倾斜。可以这样理解，以所述微型风扇14a、14b的旋转轴为起点，叶片的末端向上翘起，即叶片的末端相比于始端更加靠近所述微型风扇14a、14b与所述采集箱2的连接点，微型风扇14a、14b向上吸气。采用叶片向上的覆瓦状形式，能够有效混匀采集箱2内的空气，在采集箱2中形成环流对箱内气流流动进行优化，达到避免箱内气流的无序运动又满足气体充分混匀的目的，在很大程度上降低了风扇搅动造成的乱流，从气流流动的角度避免了风扇的搅动对气体排放的影响，从而保证了土壤气体与大气气体的自然交换，提高了静态箱的取样精度，改善了测试结果的可重复性。

在具有光照的条件下测量时，因植物蒸腾较强，采集箱2内水汽较多，这也会影响植物的光合作用和呼吸作用，降低了测试的精确度。为了解决这一问题，在本实施中，如图1所示，所述采集箱2内其中相对的两侧分别设置有一干燥管20，所述干燥管20通过连接臂21连接到所述采集箱2的内壁，所述干燥管20与所述采集箱2的侧壁具有间隙；其中，所述干燥管20在所述采集箱2内沿横向延伸并在纵向方向上多次往返弯折，所述干燥管20上设置有多个微孔(图中未示出)，所述干燥管20内填充有干燥剂。

下面介绍如上所示的原位测定装置的具体测定过程：

在某草地生态系统中，在待测定草地植物生长均匀的区域随机布设3个0.5m高的正方形铁框(0.5m×0.5m)的底座1，并将底座1打入土壤内约3cm，使之与土壤紧密结合(防止气体泄漏)，并用水平尺找齐，保证底座1的平稳，防止在使用过程中失衡漏气，同时减少在安装过程中对土壤的干扰。在底座1上密封安装透明采集箱2后，将采集箱2内两个小风扇14a、14b打开，持续地混匀气室内的空气。测试前先将红外分析仪打开进行预热，将各项指标调节好，测定时，连接红外分析仪9进行测定，记录箱体内二氧化碳和温湿度及气压值。 数据采集器设置为每个样点测定时间为90s，每10s自动记录一次数据。所有测定均选择晴朗无云的天气，上午10:00—12:00进行，以保持所有测定条件的一致性和测定结果的可比性。在地上植物不进行剔除干扰的情况下，将红外分析仪9连接至采集箱2的通气管8上，待系统稳定后(通常在箱体被盖上0.5min之后)，由数据采集器测量箱体内持续时间内的二氧化碳交换速率。根据时间序列，通过二氧化碳浓度通量值可以计算出生态系统碳净交换量NEE，此通量包括植物光合吸收的CO₂，植物及土壤呼吸(根系、微生物)释放的CO₂，以及微生物分解土壤有机质后释放的CO₂，是草地生态系统CO₂的净交换量X1(NEE)。NEE为负值代表碳的吸收固定，正值代表碳的释放。样品采集完毕后，将箱体卡扣打开，箱体向上提起，转移至空气流通的地方，侧放在地面或者平面上，待再次进行测定时，首先同上述方法将透明采集箱2与底座1固定密封好，然后再将不透明的外箱(暗箱)10罩好，待采集箱2内二氧化碳浓度稳定上升后，测定箱体内持续时间的二氧化碳交换速率，本次的测定是排除光照之后的二氧化碳的交换量(即排除植物冠层光合)得到的生态系统层面上二氧化碳的排放量值X2，即植物地上冠层自养呼吸和土壤界面的总二氧化碳排放(植物地下根部自养呼吸、微生物异氧呼吸和微生物分解土壤有机碳排放的二氧化碳)的总和，为生态系统的总呼吸Re。最后，将箱体所罩活植物体进行齐地面剔除，同时手工清除基座内的枯落物后，用透明箱或者暗箱测定的箱体内持续时间的二氧化碳浓度，作为土壤界面的总二氧化碳排放X3，可近似认为是土壤呼吸Rs。另外，生态系统的总初级生产力GPP等于生态系统净碳交换量(NEE)与生态系统呼吸Re的差值。植物冠层呼吸释放的二氧化碳，等于生态系统呼吸Re与土壤呼吸的差值。二氧化碳通量被计算如下：

其中Fc为二氧化碳通量(μmol·m^-2·s^-1)；c为二氧化碳摩尔质量(_mol mol^-1)，t为时间(s)；(δc/δt)为二氧化碳质量浓度随时间的变化率；V为箱体的体积(m³)；S为箱体的底面积(m²)；Pa为箱体内的大气压(kPa)；R为气体常数(8.3×10^-3m³kPa mol^-1K^-1)；T为箱体内空气温度(K)。

综上所述，本实用新型提供的一种草地生态系统三界面二氧化碳交换通量的原位测定装置，该装置具有结构简单、操作容易、密封性好、稳定性高、实用性强、方便可靠的特点，适合长期原位观测草地生态系统碳通量的动态情况。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。