【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术广泛涉及土壤碳感测领域，并且更具体地说，涉及土壤碳传感器和用于土壤碳感测的相关装置，以及土壤碳感测的相关方法。
技术介绍
1、以下对
技术介绍
的讨论仅旨在促进对本专利技术的理解。该讨论并非承认或认可所提及的任何材料是或曾经是申请优先权日的公知常识的一部分。
2、土壤是陆地上最丰富的有机碳储存。土壤碳是储存在全球土壤中的固体碳。这包括土壤有机物和作为碳酸盐矿物的无机碳。土壤碳是全球碳循环中的碳汇，在生物地球化学、减缓气候变化和构建全球气候模型中发挥作用。大部分土壤碳以土壤有机碳(soc)的形式存在，但干旱和半干旱地区的土壤也含有大量土壤无机碳(sic)形式，主要是元素碳和碳酸盐材料，如方解石、白云石和石膏。
3、soc水平由动态生态过程(如光合作用、分解和土壤呼吸)之间的相互作用决定，所有这些过程都可能受到农业和耕作实践的影响。土壤有机碳是土壤质量的指标，因为它影响养分循环、团聚体稳定性、结构、水渗透和土壤易受侵蚀性。土壤有机碳管理对于维持土壤健康、确保粮食安全和减缓气候变化至关重要。虽然sic在很大程度上取决于土壤类型和元素组成，但soc更具动态性和可变性。
4、研究估计，大规模碳农业(carbon farming)可以从大气中吸收足够的碳，以抵消每年人为碳排放的很大一部分。鉴于人们普遍认识到，除了积极减少排放外，还需要去除大气中的碳，因此碳农业被视为一种有希望的气候应对措施。此外，碳农业可以带来显著的农业和生态效益，例如改善土壤结构、增强土壤微生物群以及提高保水性，所有这些都增强了农
5、为此，经济需要和社会政策可以提供财政激励，以推动广泛实施碳农业实践。农民可以自愿参与碳市场，出售代表通过农业实践积累的土壤碳的碳信用额。政府政策举措也通过补贴或赠款计划奖励碳农业。同样，消费者可以通过他们的购买决策支持“低碳”或“碳中和”产品。
6、例如，在碳交易体系下，农民和土地所有者因采用碳封存技术而获得报酬，前提是他们的碳增加量可以得到测量、监测和验证。从历史上看，土壤碳变化的核算一直很困难，因为由于耕作方式变化而导致的碳增加非常小，而且一块田地内的碳含量差异很大，甚至在几米的范围内也是如此。此外，不同类型的土壤有机碳的组成和持久性也各不相同。除了土壤形成、土壤类型和历史土地使用等宏观因素外，还有许多微观因素的影响，包括来自联合收割机的不均匀分布的农作物残渣、偶尔清除和堆积残渣的大雨、可能在随机位置排便和死亡的动物，以及许多其他因素，这些因素增加了准确和有意义的soc感测的变化和动态性。
7、因此，难以获得标准化、全面和准确的soc测量结果，这对此类政策和计划的更广泛发展构成了重大障碍。传统的土壤碳监测技术缓慢且具有侵入性，通常需要提取土样(soil cores)并将其运送到实验室，在那里使用昂贵的分析化学方法对其进行分析，例如干燃烧或walkley-black铬酸湿氧化法。这种传统的土壤碳测量方法成本高昂，并且可能需要几天或几周的时间，目前无法大规模实施土壤碳激励计划。
8、迄今为止，测量土壤碳浓度的更实用的发展集中在可见光-近红外(vis-nir)光谱上，并且对于堆积密度(bulk density)，则集中在主动伽马射线衰减上。进一步的发展还考虑了激光诱导击穿光谱(libs)，以在收集的土壤样品表面产生高温等离子体，其中可以使用光谱仪分析由此产生的发射光谱以确定土壤的元素组成。这些用于测量土壤有机碳浓度的最新进展存在重大缺陷，包括可靠性、准确性、精确度和成本。由于nir光谱、libs和相关光学方法需要光学输入来探测土壤成分，因此采样/测试的深度通常非常有限。
9、因此，申请人已确定本领域需要准确且具有成本效益的方法来长期原位测量和监测土壤碳含量，以监测农业和工业实践的整体土壤健康状况，以及能够准确测量土壤碳含量以制定碳管理政策和计划。
10、本专利技术是为实现这一目标而构思的。
技术实现思路
1、本领域技术人员应理解，本公开内容参考了用于感测土壤碳的具体装置和方法；然而，可以根据任意要求以类似的方式感测土壤的其他组成元素或部分。例如，可以以类似的方式感测氮、ph、营养物、有机物和相关的成土母质。因此，虽然本文提及碳感测，但这种提及是非详尽的，并适当改变以感测其他土壤元素，这视情况而定，并且通常在本领域技术人员的理解范围内。
2、根据本专利技术的第一方面，提供了一种土壤碳传感器，包括：
3、探头主体，其被配置为可操作地放置在土壤中；
4、第一检测器，其由探头主体支撑并配置为将调频信号传输到所述土壤中，所述第一检测器包括被配置为响应所述土壤的含水量和堆积密度的第一电极；
5、第二检测器，其由探头主体支撑并配置为将调幅信号传输到所述土壤中，所述第二检测器包括被配置为响应所述土壤的土壤有机碳(soc)含量的第二电极；以及
6、处理器，其布置成与第一检测器和第二检测器信号通信，所述处理器配置为：
7、i.生成和控制调频信号和调幅信号的传输；
8、ii.监测第一电极以捕获指示含水量和堆积密度的阻抗测量值；以及iii.监测第二电极以捕获指示土壤有机碳(soc)含量的电流测量值；
9、其中捕获的阻抗测量值和电流测量值能够用于计算土壤的碳含量。
10、在一个实施方式中，土壤碳传感器包括发射器，该发射器布置成与处理器信号通信，该发射器被配置为将所述捕获的阻抗测量值和电流测量值传输到远程计算机系统进行处理。
11、在一个实施方式中，土壤碳传感器包括能量源，该能量源被配置为向所述处理器和所述检测器供应电能。
12、在一个实施方式中，能量源包括电化学电池或电容器，带有或不带有用于为所述电池或电容器充电的光伏电池。
13、在一个实施方式中，能量源与探头主体是一体的，或者能量源是模块化的。
14、在一个实施方式中，探头主体配置为通过包括桩状细长形式(stake-likeelongate form)放入土壤中，以有利于将主体插入土壤中。
15、在一个实施方式中，第一电极被配置为通过包括具有离子涂层或膜的双电极构型来响应所述土壤的含水量和堆积密度。
16、在一个实施方式中，双电极构型包括金工作电极和银和/或氯化银参比电极。
17、在一个实施方式中，双电极构型的离子涂层或膜包括1-丁基-3-甲基咪唑鎓三氟甲磺酸盐(bmim otf)。
18、在一个实施方式中，双电极构型的离子涂层或膜包括保护涂层，诸如基于磺化四氟乙烯的离聚物共聚物。
19、在一个实施方式中，第二电极被配置为通过包括具有离子涂层或膜的三电极构型来响应土壤的土壤有机碳(soc)含量。
20、在一个实施方式中，三电极构型包括金工作电极、碳对电极以及银和/或氯化银参比电极。
21、在一个实施方式中，三电极构型的离子涂层或膜包括1-丁基本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种土壤碳传感器，包括：
2.根据权利要求1所述的传感器，包括布置为与所述处理器信号通信的发射器，所述发射器被配置为将捕获的阻抗测量值和电流测量值传输到远程计算机系统进行处理。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的传感器，其包括能量源，所述能量源被配置为向处理器和检测器供应电能。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述能量源包括电化学电池或电容器，所述电化学电池或电容器带有或不带有用于为所述电池或电容器充电的光伏电池。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的传感器，其中所述能量源与所述探头主体是一体的，或者所述能量源是模块化的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器，其中所述探头主体被配置为通过包括桩状细长形式来放置到土壤中，以方便将主体插入土壤中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器，其中所述第一电极被配置为通过包括具有离子涂层或膜的双电极构型来响应所述土壤的含水量和堆积密度。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中所述双电极构型包括金的工作电极以及银和/或氯化银的参比电极。p>
9.根据权利要求7或8中任一项所述的传感器，其中所述双电极构型的离子涂层或膜包括1-丁基-3-甲基咪唑鎓三氟甲磺酸盐(BMIM OTf)。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的传感器，其中所述双电极构型的离子涂层或膜包括保护涂层，诸如基于磺化四氟乙烯的离聚物共聚物。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的传感器，其中所述第二电极被配置为通过包括具有离子涂层或膜的三电极构型来响应土壤的土壤有机碳(SOC)含量。
12.根据权利要求11所述的传感器，其中所述三电极构型包括金的工作电极、碳的对电极以及银和/或氯化银的参比电极。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的传感器，其中所述三电极构型的离子涂层或膜包括1-丁基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐(BMIM BF4)、基于磺化四氟乙烯的离聚物共聚物、碳颗粒和交联聚甲基丙烯酸甲酯树脂的混合物。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的传感器，其中所述三电极构型的离子涂层或膜包括保护涂层，诸如基于磺化四氟乙烯的离聚物共聚物。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的传感器，其中所述处理器通过所述第一检测器生成并传输调频信号，以施加有100Hz至1MHz频率扫描的1mV至100mV范围内的交流(AC)偏置的方式，所述处理器监测所述第一电极以捕获指示含水量和堆积密度的阻抗测量值。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的传感器，其中所述处理器通过所述第二检测器生成并传输调幅信号，以方波伏安法工艺的方式，其中方波以3mV至8mV之间的步长，15mV至45mV之间的脉冲振幅，10Hz至50Hz之间的频率的电压偏置来脉冲，扫描的电压范围在0V至2V之间，所述处理器监测所述第二电极以捕获指示SOC含量的电流测量值。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的传感器，其中所述土壤碳传感器包括pH传感器，所述处理器被配置为通过所述pH传感器测量土壤的pH值。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的传感器，其中所述处理器被配置为在随后计算土壤的碳含量时考虑测量的土壤pH值。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的传感器，其中所述土壤碳传感器包括流体部署组件，所述流体部署组件被配置为在电极附近部署合适的流体以影响土壤的pH值。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的传感器，其包括流体部署组件，所述流体部署组件被配置为在电极附近部署合适的流体以促进与土壤形成电解质溶液。
21.根据权利要求19或20中任一项所述的传感器，其中所述流体部署组件包括流体储存器，所述流体储存器被布置为与在电极附近布置的喷射器流体连通，所述喷射器由所述处理器可操作地控制。
22.根据权利要求21所述的传感器，其中所述处理器被配置为启动所述喷射器以在电极附近喷射预定量的流体。
23.根据权利要求21所述的传感器，其中所述处理器被配置为启动所述喷射器以通过所述第一检测器建立预定的土壤含水量。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的传感器，其包括可控制地配置以覆盖电极的电极盖。
25.根据权利要求24所述的传感器，其中所述电极盖可滑动地布置在所述探头主体上和/或所述探头主体内，并且包括由所述处理器控制的致动器以覆盖或露出电极。
26.一种土壤碳感测装置，包括：
27.一种土壤碳感测方法，所述方法包括以下步骤：
28...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种土壤碳传感器，包括：
2.根据权利要求1所述的传感器，包括布置为与所述处理器信号通信的发射器，所述发射器被配置为将捕获的阻抗测量值和电流测量值传输到远程计算机系统进行处理。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的传感器，其包括能量源，所述能量源被配置为向处理器和检测器供应电能。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述能量源包括电化学电池或电容器，所述电化学电池或电容器带有或不带有用于为所述电池或电容器充电的光伏电池。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的传感器，其中所述能量源与所述探头主体是一体的，或者所述能量源是模块化的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器，其中所述探头主体被配置为通过包括桩状细长形式来放置到土壤中，以方便将主体插入土壤中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器，其中所述第一电极被配置为通过包括具有离子涂层或膜的双电极构型来响应所述土壤的含水量和堆积密度。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中所述双电极构型包括金的工作电极以及银和/或氯化银的参比电极。
9.根据权利要求7或8中任一项所述的传感器，其中所述双电极构型的离子涂层或膜包括1-丁基-3-甲基咪唑鎓三氟甲磺酸盐(bmim otf)。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的传感器，其中所述双电极构型的离子涂层或膜包括保护涂层，诸如基于磺化四氟乙烯的离聚物共聚物。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的传感器，其中所述第二电极被配置为通过包括具有离子涂层或膜的三电极构型来响应土壤的土壤有机碳(soc)含量。
12.根据权利要求11所述的传感器，其中所述三电极构型包括金的工作电极、碳的对电极以及银和/或氯化银的参比电极。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的传感器，其中所述三电极构型的离子涂层或膜包括1-丁基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐(bmim bf4)、基于磺化四氟乙烯的离聚物共聚物、碳颗粒和交联聚甲基丙烯酸甲酯树脂的混合物。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的传感器，其中所述三电极构型的离子涂层或膜包括保护涂层，诸如基于磺化四氟乙烯的离聚物共聚物。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的传感器，其中所述处理器通过所述第一检测器生成并传输调频信号，以施加有100hz至1mhz频率扫描的1mv至100mv范围内的交流(ac)偏置的方式，所述处理器监测所述第一电极以捕获指示含水量和堆积密度的阻抗测量值。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的传感器，其中所述处理器通过所述第二检测器生成并传输调幅信号，以方波伏安法工艺的方式，其中方波以3mv至8mv之间的步长，15mv至45mv之间的脉冲振幅，10hz至50hz之间的频率的电压偏置来脉冲，扫描的电压范围在0v至2v之间，所述处理器监测所述第二电极以捕获指示soc含量的电流测量值。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的传感器，其中所述土壤碳传感器包括ph传感器，所述处理器被配置为通过所述ph传感器测量土壤的ph值。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的传感器，其中所述处理器被配置为在随后计算土壤的碳含量时考虑测量的土壤ph值。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的传感器，其中所述土壤碳传感器包括流体部署组件，所述流体部署组件被配置为在电极附近部署合适的流体以影响土壤的ph值。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的传感器，其包括流体部署组件，所述流体部署组件被配置为在电极附近部署合适的流体以促进与土壤形成电解质溶...
【专利技术属性】
技术研发人员：韦斯利·劳伦斯，阿肖克·吉里，沙利尼·普拉萨德，维克拉姆·纳拉亚南·达姆，
申请(专利权)人：传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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