用于积雪或土壤冻融情况下采集土壤气体的装置及方法

1.本发明属于土壤生态学研究领域，具体地说是一种用于积雪或土壤冻融情况下采集土壤气体的装置及方法。


背景技术：

2.土壤气体是指土壤中各种气体的成分。它的组成与大气相似，但土壤中经常发生各种化学反应和生物作用，使土壤空气组成发生变化。土壤空气组成取决于微生物与植物根系的呼吸速率、二氧化碳和氧气在水中的溶解度，以及土壤与近地大气之间的气体交换速率等。土壤气体组成与种子发芽、根系发育和开花结果等植物生长发育过程直接相关，而且影响养分循环速率。因此，精准采集土壤气体，可以准确确定土壤气体组分的动态变化和预测植物发育动态。尤其是在全球变暖背景下，雪上下雨、极端变暖等事件频繁发生，导致冬季积雪厚度变化和形成地上冰盖等现象，从而影响甚至阻碍土壤气体与大气的气体交换、导致土壤中co2、ch4以及n2o等温室气体浓度改变；因此，亟需精准获取冬季积雪和冻融交替情况下的土壤气体浓度，对于深入理解全球变暖背景下的积雪变化对土壤呼吸的影响程度、精准预测未来气候变化下的植被动态变化规律具有重要科学意义。但是，现有的土壤气体采集装置(主要为电动和手动静态箱、中空管法等)均无法在冬季积雪或冻融情况下精准采集土壤气体，不能准确、科学地评价温带/寒温带冬季土壤气体组分的变化特征。其中，电动静态箱采集装置无法在冬季的低温条件下工作，不方便携带；手动静态箱易破坏积雪层，存在不能密封以及对采集时间长度的要求一致等问题；中空管法中使用的钻头无法在冬季钻入土体地表，气体采集效率低。因此，研制冬季积雪和土壤冻融情况下采集土壤气体的便携式装置具有重要价值。


技术实现要素：

3.为了解决现有土壤气体采集存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种用于积雪或土壤冻融情况下采集土壤气体的装置及方法。本发明可采集某个位点土壤气体，尤其是在温带/寒温带冬季有积雪或土壤冻融情况下对某一土层深度的土壤气体进行采集，为今后土壤呼吸的定量分析与土壤温室气体变化等相关内容研究奠定基础。
4.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
5.本发明采集土壤气体的装置包括硅胶管、过滤器、硅胶塞、钢管、三通阀、注射器及气袋，其中硅胶管的两端分别密封插接有硅胶塞，所述三通阀的一个接口与注射器相连，第二个接口与所述气袋连通，第三个接口与所述钢管的一端连通，该钢管的另一端与所述硅胶管一端的硅胶塞插接、并与硅胶管内部连通，所述硅胶管另一端的硅胶塞上安装有过滤器。
6.其中：在观测样地挖掘土壤剖面，所述硅胶管缠绕后放置在该土壤剖面中，所述土壤剖面的底面与观测样地的土壤表面坡度一致。
7.所述钢管垂直于观测样地的土壤表面。
8.所述硅胶管在土壤剖面内的底面由内至外水平盘旋缠绕，并由铁丝绑紧。
9.所述过滤器包括过滤器本体，该过滤器本体为中空结构，外表面开设有与内部相连通的气孔，所述过滤器本体上设有出气孔，所述硅胶管两端的硅胶塞上均开设有与硅胶管内部相连通的通孔，所述出气孔与硅胶管另一端的硅胶塞上的通孔相连通。
10.本发明用于积雪或土壤冻融情况下采集土壤气体装置的采集方法，包括如下步骤：
11.步骤一，土壤剖面的挖掘；在观测样地挖掘土壤剖面，所述土壤剖面的底面与土壤表面的坡度一致；
12.步骤二，采集装置嵌入；所述土壤剖面形成后，避开树根与石头，在设定土层将所述硅胶管放置在土壤剖面的底面上，保证所述钢管垂直于观测样地的土壤表面；
13.步骤三，排除空气干扰；待采集装置安装完毕后，控制所述三通阀，使所述注射器与钢管连通，使用所述注射器将硅胶管中残留的空气抽出；
14.步骤四，调节所述三通阀，使所述气袋与钢管连通；将所述硅胶管用土盖上，设定时间后，土壤气体经所述硅胶管、钢管、三通阀进入到气袋中。
15.所述土壤剖面可为多个，均匀分布在所述观测样地上避开林缘、冲击坡面或跳石塘的地点。
16.所述硅胶管水平缠绕后用铁丝绑紧，再放置在所述土壤剖面内的底面。
17.所述土壤剖面内可放置多个采集装置的硅胶管，各所述硅胶管放置在不同高度，下层的所述硅胶管放置好并用土盖上后，再放置上层的硅胶管。
18.本发明的优点与积极效果为：
19.本发明适用于不同气候条件尤其是冬季积雪和土壤冻融等恶劣条件，不需要破坏积雪层，克服了传统采集装置在低温下容易损坏、不能完全密封等缺点，不需要额外动力、结构简单、操作方便、价格低廉、省时省力、易于实现，为土壤呼吸等研究提供科学合理的小尺度测定系统，在土壤生态学、全球变化生态学等领域有较大的推广应用价值。
附图说明
20.图1为本发明采集装置的整体结构示意图；
21.图2为图1中过滤器的结构示意图；
22.图3为本发明土壤剖面的结构主视图；
23.图4为本发明土壤剖面的结构左视图；
24.图5为本发明土壤剖面的立体结构示意图；
25.其中：1为硅胶管，2为过滤器，3为硅胶塞，4为钢管，5为三通阀，6为注射器，7为气袋，8为过滤器本体，9为气孔，10为出气孔，11为土壤剖面。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步详述。
27.如图1所示，本发明的采集装置包括硅胶管1、过滤器2、硅胶塞3、钢管4、三通阀5、注射器6及气袋7，其中硅胶管1的两端分别密封插接有硅胶塞3，三通阀5的一个接口与注射器6相连，第二个接口与气袋7连通，第三个接口与钢管4的一端连通，该钢管4的另一端与硅
胶管1一端的硅胶塞3插接、并与硅胶管1内部连通，硅胶管1另一端的硅胶塞3上安装有过滤器2。
28.如图1、图2所示，本实施例的过滤器2为聚四氟乙烯材质，包括过滤器本体8，该过滤器本体8为中空结构，外表面开设有与内部相连通的气孔9，气孔的孔径为0.22微米；过滤器本体8上设有出气孔10。硅胶管1两端的硅胶塞3上均开设有与硅胶管1内部相连通的通孔，出气孔10与硅胶管1另一端的硅胶塞3上的通孔相连通，保证连接处的密封性。
29.本实施例在观测样地挖掘土壤剖面11，硅胶管1缠绕后放置在该土壤剖面11中，土壤剖面11的底面与观测样地的土壤表面坡度一致。本实施例的钢管4为中空结构，内径为1mm，外径为3mm，钢管4垂直于观测样地的土壤表面。本实施例的硅胶管1在土壤剖面11内的底面由内至外水平盘旋缠绕(呈蜗牛状)，并由铁丝绑紧。
30.本发明采集装置的采集方法，包括如下步骤：
31.步骤一，土壤剖面11的挖掘；在观测样地挖掘土壤剖面11，本实施例土壤剖面11的大小为长20cm、宽20cm，深度视具体情况和研究观测需求而定，土壤剖面11的底面与土壤表面的坡度一致；
32.步骤二，采集装置嵌入；土壤剖面11形成后，根据观测需要，避开树根与石头，在设定土层(如5cm、10cm、20cm或40cm)将硅胶管1水平缠绕(硅胶管1不要重叠)后用铁丝绑紧，放置在土壤剖面11内的底面上，保证钢管4垂直于观测样地的土壤表面；
33.步骤三，排除空气干扰；待采集装置安装完毕后，控制三通阀5，使注射器6与钢管4连通，使用注射器6将硅胶管1中残留的空气抽出；
34.步骤四，调节三通阀5，使气袋7与钢管4连通；将硅胶管1用土盖上，设定时间(如15天)后，土壤气体经硅胶管1、钢管4、三通阀5进入到气袋7中。
35.本实施例的土壤剖面11可为多个，均匀分布在观测样地上，要避开林缘、冲击坡面或跳石塘的地点。
36.本实施例可在土壤剖面11内放置多个采集装置的硅胶管1，各硅胶管1放置在不同高度，下层的硅胶管1放置好并用土盖上后，再放置上层的硅胶管1。
37.本发明在原位对某一土层的土壤气体进行采集，为土壤气体的定量监测等其它相关研究奠定了基础。