一种膜透式土壤剖面气体采集装置的制作方法

本实用新型涉及膜透式土壤剖面气体采集装置，属于土壤温室气体采集技术和研究领域。

背景技术：

研究气体在土壤剖面上的分布有助于理解温室气体在土体中的产生、运移及消耗过程，揭示温室气体产生机理及其与地表排放之间的关系，从而为制定温室气体减排措施提供理论依据。以往对土壤剖面气体的采集主要有两大类方法，一是在采样区域挖掘剖面，安装气体采集探头或收集容器进而采集气体，其破坏了土壤原本的结构使得测量结果不能真实反映真实情况，且掩埋后无法保证采集探头或其他装置在土壤中的垂直位置的精确性；二是利用土钻埋入具孔的采集装置，利用尼龙软管和三通阀门对气体进行采集，但该方法存在几个缺陷。一是尼龙软管一旦老化或被锋利物品割裂将使得实验结果产生误差或错误，且尼龙管被割断或破坏后无法确定采样口对应的土壤深度；二是仅用尼龙布难以长时间完全阻隔土壤颗粒进入气体采集腔，长时间观测时气体传输管下端可能会被堵塞；三是淹水条件下土壤水会经气体交换口进入采气装置，导致采气时只能采出水，而如果事先打入等量氮气，则实验结果无法完全真实反映各土层温室气体真实情况，特别是N₂O气体(熊正琴等，水旱轮作稻田土壤原位采集系统及采集方法，2009)。

技术实现要素：

本实用新型的目的是，提供一种在水淹或干旱情境下均可进行土壤气体原位观测的膜透式土壤剖面气体采集装置，该装置是由采样单元、透气孔、硅胶管、第一小孔、堵头、中空细铜管、单元连接管、土层编号、橡胶垫、第二小孔和锥形头组成，该装置利用硅胶管透气不透水的特性，使装置内部气体始终与土壤原位气体状况保持一致，检测时用注射器直接采集所需容积的气体。该装置在不同气候条件下对不同深度的土壤剖面气体进行长期检测，该装置解决了现有土壤剖面气体采集方法和技术中存在的对土壤扰动大、采气管下端易堵塞、采气管易受到破坏、标识容易混乱以及水淹或冻融条件下取样困难且精确度不够的问题。可广泛用于各种情境下的土壤气体采集和研究。

本实用新型所述的一种膜透式土壤剖面气体采集装置，该装置是由采样单元、透气孔、硅胶管、第一小孔、堵头、中空细铜管、单元连接管、土层编号、橡胶垫、第二小孔和锥形头组成，在采样单元(1)外壁中部均匀分布透气孔(2)，采样单元(1)内部填充有硅胶管(3)，在硅胶管(3)的两端设有堵头(5)，在硅胶管(3)上端堵头(5)设有第一小孔(4)，中空细铜管(6)通过第一小孔(4)插入硅胶管(3)内部，单元连接管(7)通过采样单元(1)两端的顶角的凹槽将采样单元(1)串接固定，在单元连接管(7)上设有第二小孔(12)。

在中空细铜管(6)的另一端顶部固定螺母(8)上刻有土层编号(9)，螺帽(10)内带有密封用的橡胶垫(11)。

固定在该装置下端的采样单元(1)与锥形头(13)连接。

该装置中的各采样单元(1)间距任意排列调整。

本实用新型所述的一种膜透式土壤剖面气体采集装置，该装置的有益效果与现有技术相比，具有如下优点：

本实用新型所述的装置利用硅胶管(3)透气不透水的特性，提出一种在水淹或干旱情境下均可无障碍原位观测土壤气体的解决方案，特别适用于干旱但存在水淹或冻融情景的区域取样。避免了以往方法中气体传输管下端易被堵塞，以及淹水条件下土壤水经气体交换口进入采气装置，导致采气时只能采出水的情形。

与挖掘剖面的方法相比，减少了对土壤结构的破坏，同时各采样单元(1)的紧密连接确保了采样深度的精确性。利用中空细铜管(6)代替尼龙管，采集气体时用注射器插入由螺母(8)和螺帽(10)固定的橡胶垫(11)进行采集，降低了以往用代替塑料三通阀作为采气装置带来的气体传输及采集部分被破坏(如老化或人为破坏)而导致实验误差或错误的风险；用在螺母(8)上刻上相应土层编号(9)代替标签纸或其他的标记方法，避免了采样深度混淆的风险；本装置在保证采集深度精确的同时，可根据研究目的或精度要求在不同土壤深度添加或减少采气单位。本装置安装后其各部件抗老化能力强，不需要维护，可长期监测土壤气体的动态变化。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型采样单元中硅胶管示意图；

图3为本实用新型采样单元剖视图。

具体实施方式

实施例

为了探究西北干旱区膜下滴灌棉田土壤剖面N₂O分布特征及其与地表排放的关系，将本实用新型在中国科学院新疆生态与地理研究所新疆策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站(37°01'06”N,80°43'48"E)进行了实验，当地属暖温带极端干旱气候，昼夜温差大，日照长，降水量少，蒸发量大，年均气温11.9℃，年均降水35.1mm(主要分布于5-7月)，年均蒸发量2595.3mm，试验地土壤以风沙土为主；该实验共32个小区，制作了膜透式土壤剖面气体采集装置32套，采集了32个土壤剖面的气体样品；

本实用新型所述的一种膜透式土壤剖面气体采集装置，该装置是由采样单元、透气孔、硅胶管、第一小孔、堵头、中空细铜管、单元连接管、土层编号、橡胶垫、第二小孔和锥形头组成，在采样单元1外壁中部均匀分布透气孔2，用于与土壤进行气体交换，采样单元1内部填充有透气不透水的硅胶管3，在硅胶管3的两端设有堵头5，在硅胶管3上端堵头5设有第一小孔4，中空细铜管6通过第一小孔4插入硅胶管3内部，在中空细铜管6的另一端顶部固定的螺母8上刻有土层编号9，螺帽10内带有密封用的橡胶垫11，单元连接管7通过采样单元1两端的顶角的凹槽将采样单元1串接固定，在单元连接管7上设有第二小孔12，固定在该装置下端的采样单元1与锥形头13连接，该装置中的各采样单元1间距可任意排列调整；

采用单元连接管7通过各采样单元1两端的顶角的凹槽将各采样单元1串接固定，将采样单元1内部填充的透气不透水的硅胶管3两端采用堵头5封堵，通过硅胶管3上端堵头5上的第一小孔4插入中空细铜管6，再对第一小孔4进行密封；将装置中部和下部的采样单元1先通过单元连接管7中部的第二小孔12将中空细铜管6穿出，再通过硅胶管3上端堵头5上的第一小孔4插入中空细铜管6，再对第一小孔4进行密封；将中空细铜管6另一端固定刻有土层编号9的螺母8拧紧螺帽10，采集气体时用注射器针头插入橡胶垫11进行采集；固定在该装置下端的采样单元1上的锥形头13有利于安装和调整装置深度，整个装置高度及采样单元1相对位置可根据需求进行调整，采集任意深度的土壤气体；

在使用时，用外径略大于采样单元连接管7外径的土钻钻孔，将装置放入孔中并下压至装置顶部与地表齐平；安装后检查保证螺帽10已拧紧，平衡一周后开始采样观测；每次采集气体时用50ml注射器从中直接采集30ml气体转存于气体采样瓶中用于测定分析；

气体样品分析：气体样品在一周内采用Agilent Technologies公司GC-7890A气相色谱仪测定三种主要温室气体(CO₂、CH₄、N₂O)浓度，见表1。表1为32套膜透式土壤剖面气体采集装置对新疆极端干旱区棉田土壤生长季三次采样测定后各温室气体的浓度平均值。

表1三种温室气体的浓度剖面分布(n＝32)

从表中可以看出：利用本实用新型所述的膜透式土壤剖面气体采集装置，采用Agilent Technologies公司GC-7890A气相色谱仪测定获得了该区不同时期土壤剖面的温室气体数据，显示该地区三种温室气体在土壤剖面上分布曲线和浓度各不相同；整体上看，各土层CO₂浓度>CH₄浓度>N₂O浓度；从分布趋势上看，CO₂浓度随土壤深度的增加而增加，CH₄浓度随土壤深度的增加而降低，N₂O浓度在各土层含量基本保持一致。