专利名称：一种根系CO₂原位自动测定方法
技术领域：
本发明涉及一种根系(X)2原位自动测定方法，利用该方法可以实现土壤呼吸和植 物根系呼吸的原位自动测量，可计算出根系(X)2转换速率、土壤(X)2呼吸速率，进行土壤CO2 显量与潜量的研究。
背景技术：
目前土壤碳被公认为全球迷失碳的“黑洞”，土地利用变化对土壤呼吸过程具有影 响，任何土地利用的轻微变化均对土壤(X)2通量造成巨大影响，土壤(X)2通量测定和土壤呼 吸机理研究是世界性的难题与热点。早期传统的呼吸测量方法是将土壤内埋入抽气管，人 工抽取气体再放入采样袋，带回实验室用光谱仪进行分析，该方法实验周期长，存贮过程变 化多，人工操作误差大，不便于大量的数据采集，不能实现长期连续观测。特别是植物根系 呼吸是土壤呼吸的主要过程，如何测定根系呼吸对土壤呼吸的贡献率是个世界性难题。另 一种方法是直接将CO2探头加采集气管后埋入土壤中，分层埋入多只探头，由于试验的需 要，做(X)2通量观测，往往需要剖面分层埋设，一般在四层以上，同时为了验证实验的可靠 性，需要做多个重复，一个完整实验则需要10-20只传感器，CO2传感器本身价格昂贵，一般 需要几十万的投入。同时这种方法也有弊端，如湿气过大，影响(X)2分析器测量的准确性， 传感器直接埋入土壤中，也极易受到灌溉、降雨的影响，传感器容易浸水损坏。而且由于大 量使用CO2传感器，由于每个传感器都存在着一致性的误差，数据的一致性受到影响，这种 方法的测定结果精确性值得商榷。目前已经使用的许多土壤CO2通量原位测定技术及装置，只能反映土壤与大气界 面的通量，不能细化土壤呼吸的分量，导致对土壤呼吸机理无法深入研究，而且需要一台完 整的(X)2分析仪配合，不能实现多个实验区域的重复对比观测。由于需要人工操作，使用不 便，暴露出许多缺点和弊端。实验证明，土层CO2测定在土壤层结构被扰动后，需要长时间 来平衡，不适宜于野外便携式测量。因此，研发不同土地利用方式下根系CO2原位自动测定 方法显得尤为必要。

发明内容
本发明目的在于，提供一种根系(X)2原位自动测定方法，该方法是利用气体采样管 分层埋入土壤需要观测的深度，地表土壤呼吸室安装在其上部土壤表面，通过单片机控制 电磁岛阀和抽气泵，分别将所有层次抽提到的气体送入到(X)2分析器进行测量，可以自动的 实现用一个红外(X)2分析器测量和记录多个测量点的呼吸，该方法可同时接入11个测量管 路进行抽提取样，并可以同时接入辅助的环境传感器，以供研究者对数据的相关性进行分 析，单片机将采集到的数据存贮在存贮器芯片中，以供研究人员进行阶段性数据分析。该方 法可将气体抽提分为两组，用于对两组实验进行长期自动对比测定。因而，该方法可广泛应 用于野外植物根系呼吸的动态监测，数据的一致性好，设备投入少。本发明所述的一种根系(X)2原位自动测定方法，该方法中所涉及的装置为定位杆、气体收集头、土壤水分温度探头、呼吸室、排气管、电磁阀、CO2分析器、闭路气室、过滤器、质 量流量传感器、CO2吸收器、数据存贮器、通信接口、液晶显示器显示和键盘、单片机、环境传 感器、脉冲宽度调速器、气体采样泵、管路温湿度传感器、大气采样管、电磁岛阀和根系气体 采样管，具体操作按下列步骤进行a、将所述的装置放置在观测点，将两根定位杆⑴和(3)分别埋入土壤中，八根气 体采样管(XT)由定位杆(1)和(3)通过气体收集头O)内引出与电磁阀岛06)上的相对 应的八个接口连接，电磁岛阀06)通过电缆与单片机(19)连接，电磁岛阀06)通过出气 管04)与气体采样泵0 的进气口连接，气体采样泵0 通过脉冲宽度调速器与 单片机(19)的PWM输出接口连接；两个土壤呼吸室(5)和(7)安装在定位杆上方土壤表 面，并通过两根采集导管将土壤呼吸室( 和(7)接入到相对应的电磁阀岛06)接口上； 大气采样管05)接入到相对应的电磁阀岛06)接口上，定时工作，当到达预定的时间，测 量开始b、大气采样测量单片机(19)控制电磁阀岛06)的大气采样管05)选通，启动气泵02)开始抽 气，抽取的气体先经气管04)进入温湿度传感器进行测量，测量值记录在单片机(19) 内，温湿度传感器03)输出的气体由三通一侧进入电磁阀(9)上，单片机(19)控制电磁阀[9]使管路内的气体由排气管(6)排出，三通的另一路气体经气室分析器(11)排出，以达到 快速更新系统中气体残留，按预设时间排气后，关闭电磁阀(9)，所有的气体经过滤器(12) 以滤除水分和杂质后传输到质量流量传感器(13)，流量传感器(1 的电信号输入到单片 机(19)，单片机会根据需要的流量控制脉冲宽度调速器来调整气泵0 的转速，以 达到最佳的测量流量；在对大气采样管0 和呼吸室(5)和(7)的气体进行低浓度CO2测 量前，单片机(19)首先通过三通电磁阀(14)将气体切换到CO2吸收器(15)，对CO2分析器[10]进行校准，并将所测的当前值VCREF记录下来，完成校准后，单片机(19)控制三通电磁 阀(14)关闭CO2吸收器(15)通路，切换到CO2分析器(10)进行测量，将测量结果送入到单 片机(19)，单片机将按VCREF值校准记录并保存，即完成大气测量；C、土壤呼吸测量单片机(19)控制电磁阀岛06)切换到呼吸室(5)上，先进行抽提以对管路进行 换气，完成换气后，单片机(19)控制呼吸室(5)的电机将呼吸室上盖关闭，并将气体经由流 量传感器(1 送入到CO2分析器(10)进行测量，单片机(19)根据流量计算呼吸速率，同 时将CO2测量值和速率记录，完成测量后单片机(19)控制呼吸室(5)电机打开上盖，完成 呼吸(5)的测量，继续用单片机(19)控制呼吸室(7)的电机将呼吸室上盖关闭，并将气体 经由流量传感器(1 送入到CO2分析器(10)进行测量，单片机(19)根据流量计算呼吸速 率，同时将CO2测量值和速率记录，完成测量后单片机(19)控制呼吸室(7)电机打开上盖， 完成呼吸(7)的测量；d、根系呼吸测量单片机(19)控制电磁阀岛06)切换到第一路根系采样管07)上，气体首先经温 湿度传感器进行测量，又经过滤器(1 滤除杂质和水气后，经流量传感器(1 测量 流量，最后送入到CO2分析器(10)进行测量，这个过程不需要再校准，在对根系采样气体测 量前，均需要从大气采样管05)吸入对比CO2含量的大气对测量管路进行清理，并通过旁路电磁阀(9)快速排出；e、环境因子测量单片机(19)将环境因子传感器00)的信号进行多路数据采集器采集转换后记 录；f、数据显示和传输所有测量过程数据均通过液晶显示器显示器(18)实时显示，单片机(19)控制将 最终的测量结果存贮到的数据存贮器(16)中，与单片机相连接的RS232通信接口和RS485 接口(17)，以实现计算机的通信和控制。步骤a中的气体收集头O)分别安装在定位杆(1)、(3)中，呼吸室(5)和(7)的 电动上盖控制线与单片机(19)连接。步骤b气体采样泵0 与温湿度传感器连接，温湿度传感器通过三 通一端与旁路电磁阀(9) 一端连接，另一端与过滤器(1 连接，电磁阀(9)通过电缆与单 片机(19)连接；质量流量传感器(1 一端与过滤器(1 连接，另一端与三通电磁阀(14) 连接，质量流量传感器(1 通过电缆与单片机(19)连接；二氧化碳吸收器(1 的上下端 口分别与三通电磁阀(14)连接，三通电磁阀(14)的另一端直接与采样气体的气室(11)连 接，三通电磁阀(14)通过电缆与单片机(19)连接。气室(11)内装有二氧化碳分析器(10)，二氧化碳分析器(10)通过电缆与单片机[19]连接，在气室(11)的上部由气管通过三通(8)与排气管(6)连接。步骤e和f中在单片机(19)的上端连接液晶显示器(18)和环境因子传感器Q0)， 单片机(19)的下端连接土壤水分温度传感器G)、数据存贮器(16)和通信接口(17)。本发明所述的一种根系CO2原位自动测定方法，该方法是利用气体采样管分层埋 入土壤需要观测的深度，地表土壤呼吸室安装在其上部土壤表面，通过单片机控制电磁岛 阀和抽气泵，分别将所有层次抽提到的气体送入到(X)2分析器进行测量，该方法可同时接入 11个测量管路进行抽提取样，并可以同时接入辅助的环境传感器，以供研究者对数据的相 关性进行分析。单片机将采集到的数据存贮在存贮器芯片中，以供研究人员进行阶段性数 据分析。该技术可将气体抽提分为两组，用于对两组实验进行长期自动对比测定。因而，该 技术可广泛应用于野外植物根系呼吸的动态监测。本发明所述方法将多个气体抽提管埋入不同深度的土壤中，多个气管接入到一个 电磁阀岛上，通过单片机来进行选通，单独设置一路气管与近地表的大气相连，以抽提参考 气体和对气路换气；气体的抽提是由单片机控制脉冲宽度调速器与取样泵连接，可以根据 需要由程序控制流量；气体通过温湿度传感器，将所抽提气体的温湿度值由单片机记录； 气体管路中的空气过滤器，以滤除杂质和阻止水分子进；气体管路中的质量流量传感器，可 实时测量每个管路的流量，将信号送入到单片机，单片机可根据预设值，通过脉冲宽度调速 器对泵的转速进行调整，以达到各路气体流量一致；气体管路中的(X)2吸收器，作为零点的 校正用，它通过一个三通电磁阀来切换。需要测量的气体最终送入到闭路CO2分析器进行 测量，并将测量结果送入到单片机进行存贮，最终的气体排放到大气中；气体管路中的三通 排气电磁阀，在对每路气体测量之前，更换管路气体时，大流量的气体通过该三通电磁阀旁 路排到大气中，以清除管路中滞留气体。本发明所述方法的最大优点是充分考虑了根系呼吸、土壤呼吸与大气之间的吸收和排放，以及CO2通量与环境因子的关系，克服了现有测量技术测量要素单一，野外操作不 方便，不能原位长期自动观测的缺点，实现了 CO2迁移规律的综合观测，极大地推进了土壤 CO2通量研究。


图1为本发明所述装置结构示意图
具体实施例方式实施例本发明所述的方法是通过以下方案来实现利用安装在土壤中不同深度的气体采 样管、地表的呼吸室、大气采样管和测量控制装置，控制和测量装置由一个单片机来实现， 通过对各个气体采样管进行切换分别测量出CO2的含量，同时记录环境因子，对土壤碳的循 环，根系碳排放，与环境的相关性，实现了与(X)2交换界面的原位自动观测，该方法中所涉及 的装置为定位杆、气体收集头、土壤水分温度探头、呼吸室、排气管、电磁阀、CO2分析器、闭 路气室、过滤器、质量流量传感器、CO2吸收器、数据存贮器、通信接口、液晶显示器显示和键 盘、单片机、环境传感器、脉冲宽度调速器、气体采样泵、管路温湿度传感器、大气采样管、电 磁岛阀和根系气体采样管，具体操作按下列步骤进行a、将所述的装置放置在观测点，将两根定位杆1和3分别埋入土壤中，气体收集头 2分别安装在定位杆1、3中，八根气体采样管27由定位杆1和3通过气体收集头2内引出 与电磁阀岛沈上的相对应的八个接口连接，电磁岛阀沈通过电缆与单片机19连接，电磁 岛阀沈通过出气管M与气体采样泵22的进气口连接，气体采样泵22通过脉冲宽度调速 器21与单片机19的PWM输出接口连接；两个土壤呼吸室5和7安装在定位杆上方土壤表 面，并通过两根采集导管将土壤呼吸室5和7接入到相对应的电磁阀岛沈接口上，呼吸室 5和7的电动上盖控制线与单片机19连接；大气采样管25接入到相对应的电磁阀岛沈接 口上，定时工作，当到达预定的时间，测量开始b、大气采样测量气体采样泵22与温湿度传感器23连接，温湿度传感器23通过三通一端与旁路电 磁阀9 一端连接，另一端与过滤器12连接，电磁阀9通过电缆与单片机19连接；质量流量 传感器13 —端与过滤器12连接，另一端与三通电磁阀14连接，质量流量传感器13通过 电缆与单片机19连接；二氧化碳吸收器15的上下端口分别与三通电磁阀14连接，三通电 磁阀14的另一端直接与采样气体的气室11连接，气室11内装有二氧化碳分析器10，二氧 化碳分析器10通过电缆与单片机19连接，在气室11的上部由气管通过三通8与排气管6 连接，三通电磁阀14通过电缆与单片机19连接；使用时，单片机19控制电磁阀岛沈的大 气采样管25选通，启动气泵22开始抽气，抽取的气体先经气管M进入温湿度传感器23进 行测量，测量值记录在单片机19内，温湿度传感器23输出的气体由三通一侧进入电磁阀9 上，单片机19控制电磁阀9使管路内的气体由排气管6排出，三通的另一路气体经气室分 析器(11)排出，以达到快速更新系统中气体残留，按预设时间排气后，关闭电磁阀9，所有 的气体经过滤器12以滤除水分和杂质后传输到质量流量传感器13，流量传感器13的电信 号输入到单片机19，单片机会根据需要的流量控制脉冲宽度调速器21来调整气泵22的转速，以达到最佳的测量流量；在对大气采样管25和呼吸室5和7的气体进行低浓度CO2测 量前，单片机19首先通过三通电磁阀14将气体切换到(X)2吸收器15，对(X)2分析器10进行 校准，并将所测的当前值VCREF记录下来，完成校准后，单片机19控制三通电磁阀14关闭 CO2吸收器15通路，切换到(X)2分析器10进行测量，将测量结果送入到单片机19，单片机将 按VCREF值校准记录并保存，即完成大气测量；C、土壤呼吸测量单片机19控制电磁阀岛沈切换到呼吸室5上，先进行抽提以对管路进行换气，完 成换气后，单片机19控制呼吸室5的电机将呼吸室上盖关闭，并将气体经由流量传感器13 送入到(X)2分析器10进行测量，单片机19根据流量计算呼吸速率，同时将(X)2测量值和速 率记录，完成测量后单片机19控制呼吸室5电机打开上盖，完成呼吸5的测量，继续用单片 机19控制呼吸室7的电机将呼吸室上盖关闭，并将气体经由流量传感器13送入到CO2分 析器10进行测量，单片机19根据流量计算呼吸速率，同时将(X)2测量值和速率记录，完成 测量后单片机19控制呼吸室7电机打开上盖，完成呼吸7的测量；d、根系呼吸测量单片机19控制电磁阀岛沈切换到第一路根系采样管27上，气体首先经温湿度传 感器23进行测量，又经过滤器12滤除杂质和水气后，经流量传感器13测量流量，最后送 入到ω2分析器10进行测量，这个过程不需要再校准，在对根系采样气体测量前，均需要从 大气采样管25吸入对比(X)2含量的大气对测量管路进行清理，并通过旁路电磁阀9快速排 出；e、环境因子测量单片机19的上端连接环境因子传感器20，将环境因子传感器20的信号进行多路 数据采集器采集转换后记录；f、数据显示和传输在单片机19的上端连接液晶显示器18，单片机19的下端连接土壤水分温度传感 器4、数据存贮器16和通信接口 17所有测量过程数据均通过液晶显示器显示器18实时显 示，单片机19控制将最终的测量结果存贮到的数据存贮器16中，与单片机相连接的RS232 通信接口和RS485接口 17，以实现计算机的通信和控制。
权利要求
1. 一种根系(X)2原位自动测定方法，其特征在于该方法中所涉及的装置为定位杆、气 体收集头、土壤水分温度探头、呼吸室、排气管、电磁阀、CO2分析器、闭路气室、过滤器、质量 流量传感器、CO2吸收器、数据存贮器、通信接口、液晶显示器显示和键盘、单片机、环境传感 器、脉冲宽度调速器、气体采样泵、管路温湿度传感器、大气采样管、电磁岛阀和根系气体采 样管，具体操作按下列步骤进行a、将所述的装置放置在观测点，将两根定位杆(1)和C3)分别埋入土壤中，八根气体 采样管(XT)由定位杆(1)和(3)通过气体收集头O)内引出与电磁阀岛06)上的相对应 的八个接口连接，电磁岛阀06)通过电缆与单片机(19)连接，电磁岛阀06)通过出气管 (24)与气体采样泵0 的进气口连接，气体采样泵0 通过脉冲宽度调速器与单 片机(19)的PWM输出接口连接；两个土壤呼吸室(5)和(7)安装在定位杆上方土壤表面， 并通过两根采集导管将土壤呼吸室( 和(7)接入到相对应的电磁阀岛06)接口上；大气 采样管05)接入到相对应的电磁阀岛06)接口上，定时工作，当到达预定的时间，测量开 始b、大气采样测量单片机(19)控制电磁阀岛06)的大气采样管0 选通，启动气泵0 开始抽气，抽 取的气体先经气管04)进入温湿度传感器进行测量，测量值记录在单片机(19)内， 温湿度传感器03)输出的气体由三通一侧进入电磁阀(9)上，单片机(19)控制电磁阀(9) 使管路内的气体由排气管(6)排出，按预设时间排气后，关闭电磁阀(9)，所有的气体经过 滤器(1 以滤除水分和杂质后传输到质量流量传感器(13)，流量传感器(1 的电信号输 入到单片机(19)，单片机会根据需要的流量控制脉冲宽度调速器来调整气泵02)的 转速，以达到最佳的测量流量；在对大气采样管0 和呼吸室( 和(7)的气体进行低浓 度CO2测量前，单片机(19)首先通过三通电磁阀(14)将气体切换到CO2吸收器(15)，对(X)2 分析器(10)进行校准，并将所测的当前值VCREF记录下来，完成校准后，单片机(19)控制 三通电磁阀(14)关闭CO2吸收器(15)通路，切换到CO2分析器(10)进行测量，将测量结果 送入到单片机(19)，单片机将按VCREF值校准记录并保存，即完成大气测量；C、土壤呼吸测量单片机(19)控制电磁阀岛06)切换到呼吸室( 上，先进行抽提以对管路进行换气， 完成换气后，单片机(19)控制呼吸室(5)的电机将呼吸室上盖关闭，并将气体经由流量传 感器(1 送入到CO2分析器(10)进行测量，单片机(19)根据流量计算呼吸速率，同时将 CO2测量值和速率记录，完成测量后单片机(19)控制呼吸室(5)电机打开上盖，完成呼吸 (5)的测量，继续用单片机(19)控制呼吸室(7)的电机将呼吸室上盖关闭，并将气体经由流 量传感器(1 送入到CO2分析器(10)进行测量，单片机(19)根据流量计算呼吸速率，同 时将CO2测量值和速率记录，完成测量后单片机(19)控制呼吸室(7)电机打开上盖，完成 呼吸(7)的测量；d、根系呼吸测量单片机(19)控制电磁阀岛06)切换到第一路根系采样管07)上，气体首先经温湿度 传感器进行测量，又经过滤器(1 滤除杂质和水气后，经流量传感器(1 测量流量， 最后送入到CO2分析器(10)进行测量，这个过程不需要再校准，在对根系采样气体测量前， 均需要从大气采样管0 吸入对比CO2含量的大气对测量管路进行清理，并通过旁路电磁阀(9)快速排出；e、环境因子测量单片机(19)将环境因子传感器00)的信号进行多路数据采集器采集转换后记录；f、数据显示和传输所有测量过程数据均通过液晶显示器显示器(18)实时显示，单片机(19)控制将最终 的测量结果存贮到的数据存贮器(16)中，与单片机相连接的RS232通信接口和RS485接口 (17)，以实现计算机的通信和控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a中的气体收集头(2)分别安装在定 位杆(1)、(3)中，呼吸室(5)和(7)的电动上盖控制线与单片机(19)连接。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b气体采样泵0 与温湿度传感器 (23)连接，温湿度传感器通过三通一端与旁路电磁阀(9) 一端连接，另一端与过滤器 (12)连接，电磁阀(9)通过电缆与单片机(19)连接；质量流量传感器(13) —端与过滤器 (12)连接，另一端与三通电磁阀(14)连接，质量流量传感器(1 通过电缆与单片机(19) 连接；二氧化碳吸收器(巧)的上下端口分别与三通电磁阀(14)连接，三通电磁阀(14)的 另一端直接与采样气体的气室(11)连接，三通电磁阀(14)通过电缆与单片机(19)连接。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于气室(11)内装有二氧化碳分析器(10)，二 氧化碳分析器(10)通过电缆与单片机(19)连接，在气室(11)的上部由气管通过三通(8) 与排气管(6)连接。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤e和f中在单片机(19)的上端连接液 晶显示器(18)和环境因子传感器(20)，单片机(19)的下端连接土壤水分温度传感器G)、 数据存贮器(16)和通信接口(17)。
全文摘要
本发明涉及一种根系CO2原位自动测定方法，该方法是利用气体采样管分层埋入土壤需要观测的深度，地表土壤呼吸室安装在其上部土壤表面，通过单片机控制电磁岛阀和抽气泵，分别将所有层次抽提到的气体送入到CO2分析器进行测量，可以自动的实现用一个红外CO2分析器测量和记录多个测量点的呼吸，该方法可同时接入11个测量管路进行抽提取样，并可以同时接入辅助的环境传感器，以供研究者对数据的相关性进行分析，单片机将采集到的数据存贮在存贮器芯片中，以供研究人员进行阶段性数据分析。该方法可将气体抽提分为两组，用于对两组实验进行长期自动对比测定。因而，该方法可广泛应用于野外植物根系呼吸的动态监测，数据的一致性好，设备投入少。
文档编号G01N33/24GK102053145SQ20101052999
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者李新, 林而达, 盛钰, 赵成义 申请人:中国科学院新疆生态与地理研究所