一种土壤温室气体通量自动监测系统的制作方法

本发明涉及生态环境监测领域，具体涉及一种土壤温室气体通量自动监测系统。

背景技术：

大气co2、n2o和ch4等温室气体排放增加是全球气候变暖的重要原因,由此所导致的气候变化问题日趋突出，严重威胁着人类生态环境和社会经济的可持续发展。土壤是陆地生态系统中最大的碳库，土壤碳库的微弱变化，便可对全球co2循环产生重要影响，此外，土壤也是n2o和ch4的重要排放源，因此，对不同生态系统或管理方式下土壤的温室气体通量进行实时、动态的精准监测，是生态学领域的重点研究内容，对控制温室气体排放具有重要的科学意义和实践价值。目前，气室法是最为常用的土壤气体通量原位定点监测方法，它通过采用一定大小的箱体罩在被测土壤表面，阻止箱内外气体进行自由交换，通过测定箱体中温室气体的变化速率，计算得出目标气体的交换通量。设计科学的气箱是土壤温室气体监测结果准确与否的关键，但是，现有技术所制作的气箱，存在以下问题：一、气箱下部呈密闭、固定状态，在非测定状态下，由于气箱与空气隔离，阻碍了正常的土壤气体交换，所测结果不符合实际土壤气体的真实排放，此外，由于气箱底部通风受阻，太阳辐射会导致透明箱体内外形成较大的温差，从而影响最终测定结果；二、对电源要求较高，在无电源的野外，需携带移动电源，给操作带来不便；三、在测定或采集气箱内气体时，无法同时获得气箱内的温度、气压、湿度等环境要素，缺乏温室气体通量与环境要素的在线耦合观测；四、自动化程度低。

技术实现要素：

本发明为了解决现有的传统土壤温室气体测量气箱测定结果不准确、对电源依赖性高、自动化程度低、环境要素测量复杂等问题,提供了一种土壤温室气体通量自动监测系统，解决该问题的具体技术方案如下：

一种土壤温室气体通量自动监测系统，由太阳能供电系装置、电源控制器、数据采集器、气箱、土壤温度传感器、土壤水分传感器、空气温度传感器、湿度传感器、气压传感器、进气管路、出气管路和灰尘过滤器组成。太阳能供电装置的输出端与电源控制器的输入端连接，电源控制器的输出端与数据采集器的输入端连接，电源控制器的输出端与上风扇、下风扇、箱体推杆和上盖推杆的控制端连接，数据采集器经数据传输线与土壤温度传感器、土壤水分传感器、空气温度传感器、湿度传感器和气压传感器连接采集数据，土壤温度传感器设在气箱内的下部，土壤水分传感器设在气箱的底部，空气温度传感器、湿度传感器和气压传感器固定在气箱内的支架上，进气管路的一端与数据采集器连接，另一端与灰尘过滤器连接，出气管路的一端与数据采集器连接，另一端与灰尘过滤器连接，灰尘过滤器固定在气箱内的箱板支架上；

所述的太阳能供电系装置，由太阳能板、太阳能板支架、蓄电池和蓄电池保护箱组成，太阳能板设在太阳能板支架上，太阳能板的输出端与蓄电池的输入端连接，蓄电池设在蓄电池保护箱内；

所述的气箱，由底座、箱体框架、箱板支架、上盖、上风扇、下风扇、箱体推杆、上盖推杆、箱体推杆固定横杆、三角支架和支架组成，底座的两侧设有左水平支撑板和右水平支撑板，底座的中部呈中空的矩形框，箱板支架设在气箱内右侧箱板的中部，上风扇设在气箱内右侧箱板的上部，下风扇设在气箱内左侧箱板的下部，箱体推杆设在气箱的左侧，箱体推杆的下端设在左水平支撑板上，箱体推杆的上端设在箱体推杆固定横杆上，上盖推杆设在气箱的右侧，三角支架设在上盖的上方，上盖推杆的下端设在右水平支撑板上，上盖推杆的上端设在三角支架的右侧横杆上，支架固定在箱体框架上，气箱的箱体框架右下角框架通过合页与底座相连，气箱的箱体框架右上角框架通过合页与上盖相连，气箱不设底箱板。

本发明的一种土壤温室气体通量自动监测系统的有益效果是：一、该系统采用太阳能供电，可预先设定测定时间和测定时长，集控制、计算和分析于一体，高度自动化、智能化，实现了野外全天候24小时无人值守全自动监测；二、气箱设计合理，在不测定状态时，不影响土壤的正常呼吸，不影响试验结果的准确性，此外，通过电动推杆实现气箱的闭合，闭合过程缓慢、匀速，对气箱内的扰动很轻，气箱内气压稳定；三、在气体通量测定过程中，采用循环模式，测定完的气体再次返回气箱，不会造成气箱内的气压差，不影响气体扩散，测定结果更加精准；四、监测气体通量时，可同步获得土壤温度、土壤含水量、气压和空气湿度等数据，实现了温室气体通量与环境要素的在线耦合观测；五、采用模块设计原理，组装和拆卸便捷。本发明适用于多种生态系统、复杂的野外环境的自动监测。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图，图2是图1中气箱开放状态下的示意图，图3是图1中气箱闭合状态下(即监测过程)的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1、图2描述本实施方式。本实施方式由太阳能供电系装置1、电源控制器2、数据采集器3、气箱4、土壤温度传感器5、土壤水分传感器6、空气温度传感器7、湿度传感器8、气压传感器9、进气管路10、出气管路11和灰尘过滤器12组成，太阳能供电装置1的输出端与电源控制器2的输入端连接，电源控制器2的输出端与数据采集器3的输入端连接，电源控制器2的输出端与上风扇4-5、下风扇4-6、箱体推杆4-7和上盖推杆4-8的控制端连接，数据采集器3经数据传输线与土壤温度传感器5、土壤水分传感器6、空气温度传感器7、湿度传感器8和气压传感器9连接采集数据，土壤温度传感器5设在气箱4内的下部，土壤水分传感器6设在气箱4的底部，空气温度传感器7、湿度传感器8和气压传感器9固定在气箱4内的支架4-11上，进气管路10的一端与数据采集器3连接，另一端与灰尘过滤器12连接，出气管路11的一端与数据采集器3连接，另一端与灰尘过滤器12连接，灰尘过滤器12固定在气箱4内的箱板支架4-3上。

所述的太阳能供电系装置1，由太阳能板1-1、太阳能板支架1-2、蓄电池1-3和蓄电池保护箱1-4组成，太阳能板1-1设在太阳能板支架1-2上，太阳能板1-1的输出端与蓄电池1-3的输入端连接，蓄电池1-3设在蓄电池保护箱1-4内；

所述的气箱4，由底座4-1、箱体框架4-2、箱板支架4-3、上盖4-4、上风扇4-5、下风扇4-6、箱体推杆4-7、上盖推杆4-8、箱体推杆固定横杆4-9、三角支架4-10和支架4-11组成，底座4-1的两侧设有左水平支撑板4-1-1和右水平支撑板4-1-2，底座4-1的中部呈中空的矩形框，箱板支架4-3设在气箱4内右侧箱板的中部，上风扇4-5设在气箱4内右侧箱板的上部，下风扇4-6设在气箱4内左侧箱板的下部，箱体推杆4-7设在气箱4的左侧，箱体推杆4-7的下端设在左水平支撑板4-1-1上，箱体推杆4-7的上端设在箱体推杆固定横杆4-9上，上盖推杆4-8设在气箱4的右侧，三角支架4-10设在上盖4-4的上方，上盖推杆4-8的下端设在右水平支撑板4-1-2上，上盖推杆4-8的上端设在三角支架4-10的右侧和横杆上，支架4-11固定在箱体框架4-2上，气箱4的箱体框架4-2右下角框架通过合页与底座4-1相连，气箱4的箱体框架4-2右上角框架通过合页与上盖4-4相连，气箱4不设底板。

具体实施方式二、结合图1、图2描述本实施方式。本实施方式所述的数据采集器3采用sf-3500，数据采集器3内设有传感器模块、气路模块、气体分析模块和数据存储模块。

具体实施方式三、结合图1、图2描述本实施方式。本实施方式所述的气箱4为矩形立方体。

具体实施方式四、结合图1、图2描述本实施方式。本实施方式所述的底座4-1的中部呈中空的矩形框的周边上沿固定有密封胶条。

具体实施方式五、结合图1、图2描述本实施方式。本实施方式所述箱体框架4-2的顶部和底部的周边上固定有密封胶条。

具体实施方式六、结合图1、图2描述本实施方式。本实施方式所述的底座4-1两侧的左水平支撑板4-1-1和右水平支撑板4-1-2上分别设有两个固定圆孔4-1-3，固定圆孔内插有固定销4-1-4。

具体实施方式七、结合图1、图2描述本实施方式。本实施方式所述的底座4-1的中部呈中空的矩形框与气箱4的底口配接。

具体实施方式八、结合图1、图2描述本实施方式。本实施方式所述的数据采集器3的气路模块上设有循环气泵，循环气泵与进气管路10和出气管路11连接，进气管路10和出气管路11的末端经气箱底座4-1下部的土壤穿入气箱4内与灰尘过滤器12连接。

工作和使用原理：

本系统由太阳能供电系装置1为电源控制器2提供能源，电源控制器2与数据采集器3连接，选择地势平坦的观测位置，把气箱4安置固定平稳，将进气管路10和出气管路11经气箱底座4-1下部的土壤穿入气箱4内，并分别在进气管路10和出气管路11的末端与灰尘过滤器12连接，将进气管路10和出气管路11与数据采集器3连接，并将灰尘过滤器12固定在气箱4内的箱板支架4-3上；将土壤温度传感器5和土壤水分传感器6插入气箱4内下部的土壤中，将空气温度传感器7、湿度传感器8和气压传感器9分别固定在气箱4的箱体框架4-2上，将土壤温度传感器5、土壤水分传感器6、空气温度传感器7、湿度传感器8和气压传感器9经数据传输线分别接入数据采集器3的相应接口中。

系统安装完毕，开机运行：打开电源控制器2电源开关，设置需要监测的时间，可以设定为单次监测，也可设置为24小时内多次循环监测，设置完成后，保存设置，电源控制器2工作，电源控制器2即可按照设置，定时为数据采集器3供电，监测工作过程如下：

监测器启动，电源控制器2下达指令，控制箱体推杆4-7和上盖推杆4-8开始工作，带动箱体4和箱体上盖4-4向下移动，移动至最低点时，电源控制器2下达指令，使箱体推杆4-7和上盖推杆4-8停止工作，此时，气箱处于密闭状态；随后，电源控制器2向上风扇4-5和下风扇4-6下达运转指令，上风扇4-5和下风扇4-6开始运转，将气箱4内的气体充分混匀；数秒后，电源控制器2向数据采集器3发出启动指令，监测环节启动，数据采集器3指示土壤温度传感器5、土壤水分传感器6、空气温度传感器7、湿度传感器8和气压传感器9开始工作，并将数据存储于数据采集器3中，同时，数据采集器3内置的循环气泵开始抽气，数据采集器3内的co2、n2o和ch4传感器开始测定相应气体的浓度，数据存储于数据采集器3中，流经数据采集器3的气体会在循环气泵的作用下再次返回气箱4。当所设定的监测时间后完成，电源控制器2向数据采集器3发出停止指令，停止各项监测工作，同时，电源控制器2向箱体推杆4-7和上盖推杆4-8发出开启指令，箱体推杆4-7和上盖推杆4-8开始运转，带动箱体4和箱体上盖4-4向上移动，移动至最高点时，电源控制器2下达指令，使箱体推杆4-7和上盖推杆4-8停止工作，此时，气箱再次处于敞开状态，至此，一个监测周期结束。当到达所设定的下一个监测时间时，循环以上步骤，监测数据会连续存储至数据采集器3中。当需要获得监测数据时，可通过usb连接数据采集器3，将数据传输至计算机。