一种温控式防风避光静态箱及气体原位采集方法与流程

1.本发明属于全球温室气体排放研究领域，主要涉及一种温控式防风避光静态箱，同时还涉及一种温室气体采集方法。适用于各种类型陆地系统得温室气体排放研究。


背景技术：

2.在全球气候变暖的背景下，温室气体的排放已经引起了国内外学者的广泛关注。研究表明，本世纪末全球气温可能会升高1.1
‑
6.4℃。目前主要控制的六大类温室气体有：二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氢氟碳化合物、全氟碳化合物和六氟化硫。其中，二氧化碳、甲烷、一氧化二氮被列为全球三大值得关注的温室气体。2016年全球co2浓度达到403.3ppm，相比2015年提高了0.75％，相比于1750年(全球工业化前)提高了145％。co2的产生主要是由工业化的发展燃烧大量的化石燃料，对树林不加以保护乱砍乱伐，陆地系统中残留的农作物，动物尸体和农业中有机肥被土壤中各类微生物在各自不同的条件下氧化生成的。2016年ch4浓度达到当年新高，约为1853ppb，相比于1750年提高了257％。大气中的ch4主要来源于对化石燃料的开采，在自然缺氧环境中产甲烷菌或生物体腐败生成，其温室效应是co2的20
‑
25倍数。研究表明，农场、垃圾填埋场和化石燃料开发地是ch4的重要排放源。2016年n2o为328.99ppb，相比于1750年提高了122％。n2o的产生主要是人们向农田中施加过量的氮肥，并通过微生物的硝化和亚硝化作用转化生成。另外，随着社会的不断发展，工农业废水的过度排放导致水中碳源不足，进而影响生物法脱氮的效率生成了n2o，n2o对气候的危害至少超过co
2 300倍。陆地生态系统是温室气体重要的排放源之一，为测算陆地生态系统中温室气体排放量，评估其可能对生态环境的影响，因此有必要对陆地生态系统排放的温室气体含量进行检测。
3.微气象法，同位素气体示踪法和静态箱—气相色谱法是目前主流的温室气体监测方法。微气象法适用于较大范围开放源，精密性强，测定结果精准，在自然条件下土壤情况，空气情况，土壤中动物习性不会影响对测定过程造成影响。但是需要大量精密的仪器，成本高，操作复杂，对空气环境中风速和风向的稳定性要求高。示踪法原理是利用反射性核素或稳定核素作为示踪剂，研究温室气体排放的过程，在测定时需要大量的示踪气体，测定成本高。
4.静态箱—气相色谱法的基本原理是用无底箱体将测定的地表罩住，采样时将箱体盖在底座上，并根据实验目的设定对应的时间间隔通过注射器采集箱体内的空气，通过气相色谱仪器测定温室气体的浓度。常用形貌有方形或圆形，覆盖面积常为0.5
‑
1m2，高度根据地表植被地高低决定(比如：草地，水稻，树木)。静态箱—气相色谱法具有携带方便，操作简单可多点同步检测的优点，广泛用于陆地生态系统气体排放的监测。但在实际野外环境操作的条件下，也存在一定的不足。比如，在野外风向风力的改变可能会导致箱体的倾覆，影响同步多点采样的准确下。另外，野外环境复杂，比如太阳直射，刮风下雨均会导致温度的改变，会造成密闭箱体的内部温度与实际温度的差异，温度的改变不仅会影响植物的光合作用和呼吸作用，还会导致箱内水含量的增加，进一步影响箱内的气压，使得监测误差增
大。因此，有必要开发一种可根据外界温度自动控温稳固的气体静态箱及其可行的原位采样方法。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供了一种温控式防风避光静态箱，有效避免箱体内温度的差异，尽可能减小气体采集过程中可能产生的误差，并在野外环境下能保持箱体的稳定性。该装置效果显著，结构简单，造价低廉。
6.本发明另一个目的在于保持箱体的稳定性，通过水槽螺丝和箱体外部的支撑杠的固定装置，有效减小因风力变化，箱体受风面积大带来的晃动和倾覆的可能性，进一步保障采集过程中的准确性。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下措施：
8.一种温控式防风避光静态箱，包括静态箱底部(1)、水槽(2)和箱体(10)；箱体(10)内部底侧设置连接半导体制热片(11
‑
1)，半导体制热片(11
‑
1)前端连接制热片导热块(11
‑
2)和连接小型风扇(12)保证散热效果，制热片导冷块(11
‑
3)连接保温水箱(13)；箱体另一侧内部上端连接半导体制冷片(4
‑
1)，半导体制冷片(4
‑
1)前端连接导冷块(4
‑
2)和连接小型风扇(12)保证制冷效果，制冷片导冷块(4
‑
3)连接散热水箱(6)；箱体(10)外壁包裹反光薄膜泡沫隔温层；半导体制热片(11)和制冷片(4)通过电线与温度控制器(8)连接；静态箱顶部开孔，设置高灵敏性温度计探头(5)并通过电线与温度控制器(8)连接，稳压直流电源(7)与温度控制器(8)相连接，为温度控制器供电；顶部预留垂直针状开口，根据采集气体体积选择气密针采样或者连接采气阀与气体收集袋，实现自动气体采样；静态箱底部(1)是埋于待测土壤区域，放置倒入清水的水槽(2)，通过水槽(2)边的螺丝旋钮(14)固定连接上方箱体(10)，将箱体(10)上的箱体外侧支撑杠(3)插入土壤中，完成水槽(2)和箱体(10)的固定。
9.上述的半导体制热片(11)和制冷片(4)通过电线与温度控制器(8)连接；静态箱顶部开孔，放置高灵敏性温度计探头(5)并通过电线与温度控制器(8)连接，稳压直流电源(7)与温度控制器(8)相连接，为温度控制器供电；顶部预留垂直针状开口，可根据采集气体体积选择气密针采样或者连接采气阀与气体收集袋，实现自动气体采样。开口内置可更换的气密针进样垫，进一步保证采样的气密性。
10.静态箱底部(1)是埋于待测土壤区域，放置倒入清水的水槽(2)，通过水槽(2)边的螺丝旋钮(14)固定连接上方箱体(10)，将箱体(10)上的箱体外侧支撑杠(3)插入土壤中，完成水槽(2)和箱体(10)的固定。
11.优选条件如下：
12.所述的静态箱底座由有机玻璃做成，直径和高度比为3:1.8。
13.所述静态箱水槽外直径和内直径的长度比为4.5:3.5，由有机玻璃板粘结而成。
14.静态箱箱体由有机玻璃做成，高度和直径比为5.5:3.8，箱体顶盖由有机玻璃做成，箱体顶盖直径和箱体直径之比为3.8:4.2。
15.所述半导体制热片和半导体制冷片的型号为tce1
‑
12706。
16.所述的导热块和导冷块的长宽比为4:6，上端风扇规格的长宽高比为4:4:10。
17.所述的保温水箱和散热水箱规格的长宽高比为100:120:53。
18.所述的箱体(10)顶盖设有采样管，探头孔，可连接高灵敏温度探头(5)和温度控制仪器(8)。
19.所述的箱体(10)外壁包裹反光薄膜泡沫隔温层。
20.一种温控式防风避光静态箱的气体原位采集方法，包括如下步骤：
21.a.将底座水平插入地面；
22.b.将自来水倒入底座水槽中，加盖箱体，保持箱体密封；
23.c.将温控器接上移动电源，测定箱内温度，将温控器启动温度设定高于空气温度0.5℃，停止温度设定为低于空气温度0.5℃；
24.d.将固定在箱体的两侧的半导体制冷片和半导体制热片连接到温控仪上，将水注入散热水箱和保温水箱；
25.e.通过箱体上端的采样孔设置采集样品时间、数量和次数；
26.f.采集的样品注入气相色谱仪检测温室气体(co2,ch4,n2o)，计算排放速率和单位面积排放重量。
27.本发明的静态箱分为下方底座和上方箱体部分。水槽通过粘贴固定于底座上，箱体放置在水槽上通过螺丝旋钮旋紧固定，半导体制热片固定于箱体内部一边下侧，半导体制冷片固定于箱体内部一边上侧，保温水箱固定于箱体外部一边下侧，连接半导体制热片的散冷端，散热水箱固定于箱体外部一边上侧，连接半导体制冷片的散热端，微型风扇分别连接在制热片的导热块和半导体制冷片的导冷块上，半导体制热片、制冷片、风扇通过电源线与稳压直流电源相连接，稳压直流电源与温度控制仪器相连接，顶盖与箱体粘接固定，高灵敏温度探头通过顶盖温度探头插孔与温度控制仪器相连接，气体采集袋通过采样管固定于顶盖，箱体外侧中部连接固定绳索。本发明具有结构简单，易操作，适应性强，有调节箱体内部温度的优点。
28.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
29.本发明能有效控制箱体内温度，通过半导体制热片和半导体制冷片实现升温和降温的目的。在采样过程中，自动调节静态箱体内部温度，从而避免箱体内外的温度差异，进一步减少陆低生态系统测定温室气体排放过程的误差。
30.本发明通过温度控制系统能实现精准控温，箱体内外温差不超过0.2℃。
31.本发明安装简单，顶部预留的采样孔可根据实验需求选用自动采样器或者手动气密针采样，可操作性强。
32.本发明通过水槽螺丝和箱体外部的支撑杠的固定装置，有效减小因风力变化，箱体受风面积大带来的晃动和倾覆的可能性，进一步保障采集过程中的准确性。
附图说明
33.图1是本发明专利的结构图。具体细节详见说明书附图。
34.图2是本发明专利的半导体制冷片结构图。
35.其中：1
‑
静态箱底座、2
‑
水槽、3
‑
箱体外侧支撑杠、4
‑1‑
半导体制冷片、4
‑2‑
制冷片导冷块、4
‑3‑
制冷片导热块、4
‑4‑
电线、5
‑
高灵敏温度探头、6
‑
散热水箱、7
‑
稳压直流电源、8
‑
温度控制仪器、9
‑
气体收集袋、10
‑
箱体、11
‑
1半导体制热片、11
‑2‑
制热片导热块、11
‑3‑
制热片导冷块、12
‑
风扇、13
‑
保温水箱、14
‑
螺丝旋钮。
具体实施方式
36.采用的试验装置示意图如图1所示，结合图1和图2对本发明的实施方式进行说明：
37.一种温控式防风避光静态箱的连接方式：静态箱底部(1)埋于待测土壤区域，水槽(2)倒入清水，通过水槽(2)边的螺丝旋钮(14)固定上方箱体(10)，将箱体(10)上的箱体外侧支撑杠(3)插入土壤中，完成水槽(2)和箱体(10)的固定工作。静态箱体(10)外壁包裹反光薄膜泡沫隔温层，箱体一边底部连接半导体制热片(11
‑
1)，半导体制热片(11
‑
1)前端连接制热片导热块(11
‑
2)和连接小型风扇(12)保证散热效果，制热片导冷块(11
‑
3)连接保温水箱(13)。箱体一边上端连接半导体制冷片(4
‑
1)，半导体制冷片(4
‑
1)前端连接导冷块(4
‑
2)和连接小型风扇(12)保证制冷效果，制冷片导冷块(4
‑
3)连接散热水箱(6)。上述的半导体制热片(11
‑
1)和制冷片(4
‑
1)通过电线(4
‑
4)与温度控制器(8)连接。静态箱顶部开孔，放置高灵敏性温度计探头(5)并通过电线与温度控制器(8)连接，稳压直流电源(7)与温度控制器(8)相连接，为温度控制器供电。顶部预留垂直针状开口，可根据采集气体体积选择气密针(<10ml)采样或者连接采气阀与气体收集袋(>10ml)，实现自动气体采样。开口内置可更换的气密针进样垫，进一步保证采样的气密性。
38.所述的静态箱底座由有机玻璃做成，直径和高度比为3:1.8。
39.所述静态箱水槽外直径和内直径的长度比为4.5:3.5，由有机玻璃板粘结而成。
40.静态箱箱体由有机玻璃做成，高度和直径比为5.5:3.8，箱体顶盖由有机玻璃做成，箱体顶盖直径和箱体直径之比为3.8:4.2。
41.所述半导体制热片和半导体制冷片的型号为tce1
‑
12706。
42.所述的导热块和导冷块的长宽比为4:6，上端风扇规格的长宽高比为4:4:10。
43.所述的保温水箱和散热水箱规格的长宽高比为100:120:53。
44.所述的箱体(10)顶盖设有采样管，探头孔，可连接高灵敏温度探头(5)和温度控制仪器(8)。
45.所述的箱体(10)外壁包裹反光薄膜泡沫隔温层。
46.一种温控式防风避光静态箱的采样步骤，如下所示：
47.a.将底座水平插入地面。
48.b.将自来水倒入底座水槽中，盖上箱体，保持箱体密封。
49.c.将温控器接上移动电源，测定箱内温度，将温控器启动温度设定高于空气温度0.5℃，停止温度设定为低于空气温度0.5℃。
50.d.将固定在箱体的两侧的半导体制冷片和半导体制热片连接到温控仪上，将水注入散热水箱和保温水箱。
51.e.通过箱体上端的采样孔每隔30分钟采集样品，每次10ml，每次采集三次。
52.f.采集4
‑
6次气体样品后，断开电源，整理好装置。
53.g.采集的样品注入气相色谱仪检测温室气体(co2,ch4,n2o)，并依据下式计算温室气体的排放速率和单位面积排放重量。
54.实施例1：
55.在人工气候箱中，保持人工气候箱的湿度不变，通过电线将半导体制热片(11
‑
1)和半导体制冷片(4
‑
1)通过电线(4
‑
4)连接到温度控制仪(8)上，温度控制仪(8)另一端连接高灵敏温度探头(5)从箱体(10)顶盖开孔插入箱体内部，并将温度控制仪(8)通过电线与稳
压直流电源(7)相连接，当箱体(10)内温度高于空气温度0.1℃时，半导体制冷片(4
‑
1)开始工作，当箱体内温度低于空气温度0.1℃时，半导体制热片(11
‑
1)开始工作，当箱体内温度与空气温度一致时，温度控制仪(8)停止工作切断半导体制热片(11
‑
1)和半导体制冷片(4
‑
1)的电源。将人工气候箱的温度从室温31.7℃设置为7℃，发现箱体内的温度31.7℃下降到7℃仅需15分钟，为了验证半导体制冷片的制冷能力，将恒温箱温度调整为0℃，发现在通电一小时后，箱体内温度能达到5.8℃。再将恒温箱温度从室温26℃设置为40℃，发现半导体制热片(11
‑
1)仅需5分钟就能将箱体内温度稳定维持在40℃。所述静态箱底座由1.2cm的有机玻璃做成，直径为30cm，长度为18cm。水槽外直径为45cm，内直径为35cm，厚度为12cm的有机玻璃板粘结而成。箱体由厚度为3mm的有机玻璃做成，高度为55cm,直径为38cm，箱体顶盖由厚度为3mm的有机玻璃做成，半径为42cm。半导体制热片和半导体制冷片规格为长40*宽40*高3.9mm，风扇规格为长40*宽40*高10mm，导热块和导冷块规格为长40*宽60mm，保温水箱和散热水箱规格为长100*宽120*高53mm。制热系统和制冷系统在12v电压下，功率为46w，小风扇为1.5w，整体功率约为100w。
56.实施例2：
57.在实际土壤中将温控式防风避光静态箱安装好，在箱体上端的采样孔通过气密针手动采样，每隔30分钟采集样品，每次10ml，每次采集三次。采集6次气体样品后，断开电源。采集的样品注入福立gc9790plus气相色谱仪检测温室气体(co2,ch4,n2o)，co2,ch4通过氢离子火焰检测器(fid)，n2o通过电子俘获检测器(ecd)检测，柱箱温度：60℃(保持6.5min,20℃/min升温导160℃，保持5min，共计16.5min),fid 250℃，ecd 250℃，分流比5：1,可以计算出三种组分的温室气体含量。而后依据温室气体的排放速率(f1)和单位面积排放速率(f2)。
58.可以采用如下方式计算：
59.温室气体排放速率:
60.f1＝(v/a)
×
(d c
t
/dt) (v
g
/a)
×
(c
t
‑
c
a
) v
d
×
c
t
61.f是co2,ch4,n2o的通量(g
·
m
‑2·
s
‑1)，ct是时间t的浓度(g
·
m
‑3)，ca是外围环境中co2,ch4,n2o的浓度(g
·
m
‑3)，t是箱密闭的时间长度(s)，v是箱体积(m3)，a是箱所覆盖的面积(m2)，vg是气体从箱体漏出的速率(m3·
s
‑1)。v
d
是co2,ch4,n2o在箱体、植物与土壤表面的沉积率(m
·
s
‑1)。
62.单位面积的排放速率:
63.f2＝k
×
(273/t)
×
(v/a)
×
(δc/δt)
64.f为co2,ch4,n2o通量(ug
·
m
‑2·
h
‑1)，k为转移因子，等于n1.25ug
·
ul
‑1；t为箱内温度(开)，v为箱体积(l)，a为覆盖面积(m2)，δc/δt为箱内浓度变化(ul
·
l
‑1·
h
‑1)。
65.本发明公开和提出的技术方案，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。本发明未尽事宜属于公知技术。