本发明专利技术属于土壤呼吸监测技术领域，且公开了一种“菇”式土壤呼吸检测装置，包括“菇”形气室与数据接收处理模块；所述“菇”形气室包括圆柱通气室、菇形气帽和闭气环，所述圆柱通气室的上下开口尺寸相同，且底部可与闭气环连接，所述圆柱通气室的顶部还安装有菇形气帽。本发明专利技术通过气室采用蘑菇形、底部带有通气孔的开放式可分离动态气室进行监测，一方面降低了土壤呼吸的抑制作用，解决了由于气室密闭导致室内气压增大和气体浓度梯度减小引起的计算结果偏低的问题，另一方面也能够避免土壤排放的气体不断被稀释和装置周围空气湍流运动而引起的复杂问题，从而提高土壤呼吸监测的精确度，并给出高效的计算方法。并给出高效的计算方法。并给出高效的计算方法。
【技术实现步骤摘要】
一种“菇”式土壤呼吸检测装置及有效计算方法
[0001]本专利技术属于土壤呼吸监测
，具体为一种“菇”式土壤呼吸检测装置及有效计算方法。
技术介绍
[0002]温室气体导致的气候变化已经影响到整个世界，包括全球的各种极端天气条件，例如干旱、热浪、大雨，而洪水和山体滑坡变得越来越普遍，气候迅速变化的其他后果还包括海平面上升，海洋酸化和生物多样性的丧失，因此温室气体中最主要成分二氧化碳成为亟待解决的问题，“碳中和”的定量必定需要可靠且精确的测量技术，其中土壤呼吸所产生CO2的监测就是一项重而难的任务。
[0003]土壤是一个巨大的碳库，总储存量达到1394Pg C，大约是大气中碳总量(750Pg C)的两倍，是陆地生物碳总储量(560Pg C)的3倍，土壤呼吸是土壤释放CO2的过程，占整个陆地生态系统呼吸的60％
–
90％，是大气CO2的主要贡献者之一，全球每年从土壤中释放出来的CO2为68Pg C，仅次于全球植物总初级生产力(GPP：100
‑
120Pg C a
‑
1)，略高于全球陆地生态系统净初级生产力(NPP：50
‑
60Pg C a
‑
1)，远远高于每年因燃料燃烧而释放进入大气的CO2量(5.2Pg C)，其微小的变化都可能引起大气CO2浓度较大的改变，是导致全球气候变化的关键生态过程，已经成为全球碳循环研究的核心问题，因此，准确地监测和计量土壤呼吸是研究全球碳循环和气候变化的关键环节。
[0004]近些年来，土壤呼吸监测方法逐渐增多，形成微气象学法、气井法、模型法和气室法等，气井监测法是把CO2传感器埋在土壤内，通过气体扩散梯度来计算CO2通量，但扩散系数受土壤属性、土壤水分等因子影响，计算结果不理想，模型法的适用性比较弱，一个地区的模型一般不能适用其它区域，气室监测法使用最广泛，占95％以上，主要有密闭式气室法和开放式气室法，前者主要是通过单位时间气室内增加的CO2浓度进行计算土壤呼吸，后一者主要是通过流进和流出气室的CO2浓度差分进行计算土壤CO2通量，而现使用率较高的气室在监测过程中都各自存在缺陷：第一，密闭气室进行土壤呼吸监测时，由于室内CO2浓度升高，气体不能有效的排放，从而抑制土壤呼吸，无法长时间监测并其计算结果会产生误差；第二，一般敞开气室在进行土壤呼吸监测时，其土壤排放的气体不断被稀释和装置周围空气湍流运动而引起的复杂问题都会导致计算结果存在较大误差。
[0005]综上所述，亟须设计一种准确且合理的土壤呼吸监测仪，本设计将考虑现有仪器存在的问题，并结合理论知识与实际情景，专利技术一种有效的监测仪器。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于提供一种“菇”式土壤呼吸检测装置及有效计算方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种“菇”式土壤呼吸检测装置，包括“菇”形气室与数据接收处理模块；
[0008]所述“菇”形气室包括圆柱通气室、菇形气帽和闭气环，所述圆柱通气室的上下开口尺寸相同，且底部可与闭气环连接，所述圆柱通气室的顶部还安装有菇形气帽；
[0009]所述数据接收处理模块包括CO2传感器、ARM板和USB无线网卡，所述CO2传感器按高度等距安装于圆柱通气室的内壁，且通过串口线与ARM板连接，所述ARM板可将传感器数据收集存储于本地SD卡，所述ARM板安装USB无线网卡后，数据可通过联网传输至智能收集或PC终端。
[0010]优选的，所述圆柱通气室桶高500mm，桶开口内径300mm，壁厚5mm，距离桶顶部向下200mm处的桶壁外围四周环绕侧视图为50mm
×
50mm直角的矩形折角固定柱。
[0011]优选地，将一长700mm，宽350mm，圆角半径为200mm的圆角矩形按短轴截成一半的正视图即为菇形气帽的外壳，壁厚2mm，在直角底边以长轴为中心截取460mm，气帽中内嵌以100mm为半径的内凹弧边梯形，长700mm，短400mm，短边两端各突出50mm，将长边挖空，将上述整体按长轴旋转360
°
以构成菇形气帽，另外，弧边梯形旋转成的类圆台几何体被均匀打上气孔，所述闭气环主要由一高50mm，壁厚1mm，直径300mm的铁圈与高30mm，内径280mm，外径320mm的铁环接合而成，所述圆柱通气室的底部可置于环上，形成密闭。
[0012]优选的，包括检测仪器设计模块和计算模型及原理；
[0013]检测仪器设计模块：仪器采用可分离的蘑菇形状作为顶部；
[0014]计算模型及原理：
[0015]一、气室内气体非稳态阶段，如图4所示：
[0016]设一个横截面面积为A且无限深度的土柱，其中含有二氧化碳的源，土柱顶部放有仪器主部容积为V，t＝0初始时刻气室内CO2浓度均匀分布，值为C0，经过一段时间t后，测得气室内CO2浓度Ct，并根据浓度的增加来计算土壤CO2通量，分析土壤呼吸强度。
[0017]首先进行合理假设：大气与土壤界面上下两处的CO2浓度相同，将该界面处的CO2浓度记为C
s
,且气室容积V内浓度的改变值C
t
取气室内平均值的改变量记为在靠近CO2生产区上限的土壤下某一深度d处，存在一个在相对较短的测量时间内不受土壤覆盖影响的CO2浓度C
d
恒定平面；CO2浓度在地表s与深度d之间的相对均匀土层中随深度呈线性增加，则在t时间土柱内累积的CO2量可用微分方程近似表示：
[0018][0019]取Q为土壤CO2在从开始测量到气室顶部a处浓度值发生变化的T时段内排放的总量，则微元dQ可以表示为体积V与浓度C变化微元dC的乘积：
[0020][0021]其中Ds为CO2在土壤中的扩散系数，初始t＝0时，易知结合【1】、【2】式进行分离变量得到的积分等式如下：
[0022][0023]进一步化解：
[0024][0025]在t＝T时刻，气室内浓度平均值取b处CO2浓度记为C
T
，代入公式【4】，计算出CO2气体在土壤中的扩散系数：
[0026][0027]于是往【1】式代入【5】式得到土壤CO2通量F的表达式如下:
[0028][0029]接下来将土壤下方恒定无穷远处的CO2浓度C
d
从方程中消去，其中b处CO2气体浓度随时间变化的曲线是已知的，则可以取CO2浓度积累曲线上t＝T/2对应的浓度点，令其浓度为C
T/2
。则假设t＝T/2，t＝T两个测量周期的b处浓度增加与初始土壤浓度梯度的比值相同，即：
[0030][0031]可解得无穷远处的浓度Cd值为：
[0032][0033]最后，由假设知近地表c处CO2浓度C
c
稳定时与地表s浓度相等，即C
c
＝C
s
，若令则再结合式子【6】和【8】即可得到非完全稳态情况本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种“菇”式土壤呼吸检测装置，其特征在于：包括“菇”形气室与数据接收处理模块；所述“菇”形气室包括圆柱通气室(1)、菇形气帽(2)和闭气环(3)，所述圆柱通气室(1)的上下开口尺寸相同，且底部可与闭气环(3)连接，所述圆柱通气室(1)的顶部还安装有菇形气帽(2)；所述数据接收处理模块包括CO2传感器(4)、ARM板(5)和USB无线网卡(6)，所述CO2传感器(4)按高度等距安装于圆柱通气室(1)的内壁，且通过串口线与ARM板(5)连接，所述ARM板(5)可将传感器数据收集存储于本地SD卡，所述ARM板(5)安装USB无线网卡(6)后，数据可通过联网传输至智能收集或PC终端。2.根据权利要求1所述的一种“菇”式土壤呼吸检测装置，其特征在于：所述圆柱通气室(1)桶高500mm，桶开口内径300mm，壁厚5mm，距离桶顶部向下200mm处的桶壁外围四周环绕侧视图为50mm
×
50mm直角的矩形折角固定柱。3.根据权利要求1所述的一种“菇”式土壤呼吸检测装置，其特征在于：将一长700mm，宽350mm，圆角半径为200mm的圆角矩形按短轴截成一半的正视图即为菇形气帽(2)的外壳，壁厚2mm，在直角底边以长轴为中心截取460mm，气帽中内嵌以100mm为半径的内凹弧边梯形，长700mm，短400mm，短边两端各突出50mm，将长边挖空，将上述整体按长轴旋转360
°
以构成菇形气帽(2)，另外，弧边梯形旋转成的类圆台几何体被均匀打上气孔，所述闭气环(3)主要由一高50mm，壁厚1mm，直径300mm的铁圈与高30mm，内径280mm，外径320mm的铁环接合而成，所述圆柱通气室(1)的底部可置于环上，形成密闭。4.权利要求1所述的一种“菇”式土壤呼吸检测装置，其特征在于：包括检测仪器设计模块和计算模型及原理；所述检测仪器设计模块采用可分离的蘑菇形状作为顶部；计算模型及原理：一、气室内气体非稳态阶段(无风或风俗微弱情况下)，设一个横截面面积为A且无限深度的土柱，其中含有二氧化碳的源，土柱顶部放有仪器主部容积为V，t＝0初始时刻气室内CO2浓度均匀分布，值为C0，经过一段时间t后，测得气室内CO2浓度Ct，并根据浓度的增加来计算土壤CO2通量，分析土壤呼吸强度。首先进行合理假设：(i)大气与土壤界面上下两处的CO2浓度相同，将该界面处的CO2浓度记为C
s
,且气室容积V内浓度的改变值C
t
取气室内平均值的—改变量记为C(在从开始测量到a处浓度值发生变化的T时段内)；(ii)在靠近CO2生产区上限的土壤下某一深度d处，存在一个在相对较短的测量时间内不受土壤覆盖影响的CO2浓度C
d
恒定平面；(iii)CO2浓度在地表s与深度d之间的相对均匀土层中随深度呈线性增加，则在t(t<T)时间土柱内累积的CO2量可用微分方程近似表示。二、气室内气体稳态阶段当气室内a、b、c处的CO2浓度曲线值不随时间改变，则认为气室内CO2气体处于稳态，气室圆筒内各处的浓度梯度相等，由Fick第一定律可得，其中D0为CO2气体在空气中的扩散系数，dC/dz为CO2气体浓度梯度。三、在T时间至稳态前或气室内气体达到稳态后实际监测过程中，外部环境会有其他不可排除的影响因素增加土壤CO2的排放，为了更加准确地测量实际通量，本设计考虑加入实时监测项，其中比较常见的外界变化导致通量
变化的因素即为风，若土壤表面吹过一阵风，将可能导致土壤CO2排放量的增加，根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡军国，姜俊杰，谷恪忱，
申请(专利权)人：浙江农林大学，
类型：发明
国别省市：
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