專利名稱：全自動多通量箱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測領域，具體的說是一種監(jiān)測陸地生 態(tài)系統(tǒng)與大氣間的C02交換通量的全自動多通量箱系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間co2交換是全球碳循環(huán)的最重要組成部
分，是判斷陸地生態(tài)系統(tǒng)是"碳源"或"碳匯"的重要指標?？茖W地
測定其co2交換通量一直是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的核心工作之
一。提髙觀測的效率和減少觀測對自然的干擾，是科學精確地估算區(qū)
域和全球尺度上的陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間C02交換量的關(guān)鍵。目前較 好的是采用動態(tài)通Jt箱紅外C02分析儀法進行監(jiān)測,而釆用多個通量
箱進行多點連續(xù)監(jiān)測，是監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向。自動通量箱的自動開 啟系統(tǒng)一般采用電動機驅(qū)動或汽缸驅(qū)動，目前的大部分通量箱只能夠
在一個地點進行相對連續(xù)的觀測(Fang and Moncrieff 19訴)，或者在有 限的幾個地點用若干小通量箱進行相對連續(xù)的觀測(Law改 al2001，Drewitt, 2002)。 土壤呼吸存在空間變異(Rochette "a/.1991， McGinn ef a/.1998，Kelliher " a/.1999，Rayment and Jarvis2000)，而且小 的通量箱邊緣效應明顯，易于造成較大的誤差(NoraianeM/.1997)。 所以，全自動、大尺寸、多通量箱系統(tǒng)對于co2的測定變得很有意義。 Jill Bubier利用由10個大尺寸通量箱組成的閉路循環(huán)觀測系統(tǒng)對冬季積雪情況下的COz釋放特征進行了研究，實現(xiàn)了相對連續(xù)的半自動監(jiān) 測，但是每個通量箱的湖定需要18分鐘，3個小時后才能夠?qū)ν粋€ 點進行第二次測定，連續(xù)性受到影響，同時，其通量箱自動控制技術(shù) 有待提髙，沒有實現(xiàn)全天候自動循環(huán)監(jiān)測。梁乃申開發(fā)出一套由16 個大尺寸通量箱組成的開放氣路循環(huán)系統(tǒng)，并應用此系統(tǒng)對林地C02 釋放作了研究，證明了該系統(tǒng)的可靠性。然而該系統(tǒng)所霈平衡時間較 長，每個箱霈要20分鐘，這可能阻礙了雨水和凋落物的進入，同時， 因為閉合時間長通量箱內(nèi)部環(huán)境會有較大改變，特別是溫度升高效 應，這不利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的林 窗等光照充分的地方的測定(Naishen Liang， 2003)。此外，通蠹箱的 開閉用數(shù)據(jù)采集器控制，控制能力不夠，每次需要6個箱一起關(guān)閉才 能循環(huán)，在反映空間變異時有很大的局限。目前已有系統(tǒng)主要問題與 不足是，自動控制技術(shù)落后，不能全天候在多個地點快速連續(xù)監(jiān)測， 并且對被觀測對象的擾動較大，進而影響測量的精確性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為提供一種反應速度快、高頻率、能在多個地點進 行全天候連續(xù)循環(huán)監(jiān)測，對被監(jiān)測對象擾動小的全自動多通量箱系 統(tǒng)。
實現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)方案如下
全自動多通量箱系統(tǒng)，包括空氣壓縮機、紅外C02分析儀、緩沖 器、干燥器、過濾器、流量計、氣泵、數(shù)據(jù)采集器和多個通量箱，所 述通量箱側(cè)蜜及上蓋間裝有一氣缸，空氣壓縮機連接一多通閥i該多通閥分出若干支路，支路上設有一電磁閥，每一支路與一通量箱內(nèi)的氣缸連接每一通量箱由設有一電磁閥的氣路管道連接一多通閥，多通閥的總管依次連接緩沖器、干燥器、過濾器、流量計、紅外co2 分析儀、氣泵后與另一多通閥的總管連接，該多通閥分出的每一支路連接一通量箱，每一支路上設有一電磁閥，形成循環(huán)氣路，紅外C02分析儀通過電路與一數(shù)據(jù)采集器連接，所述系統(tǒng)中和氣缸相連，用于 控制氣缸伸縮的電磁閥，以及通量箱上用于控制循環(huán)氣路的電磁間皆通過電路與一邏輯控制器連接。所述通量箱內(nèi)還安裝有一風扇，該風扇通過電路與上述邏輯控制器連接。
所述通量箱的個數(shù)可根據(jù)實際情況來確定， 一般在6個以上，30 個一下就能達到要求，效果較好的采用18-20個即可。
所述通量箱上蓋上設有一氣管，連通通量箱內(nèi)外。
所述通量箱的上蓋上固定有"U"形加強筋，加強筋可采用金屬或髙強度材料制作。
本發(fā)明擁有壓力補償機制，通量箱頂部和外部連通的管道平衡了箱內(nèi)外氣壓，使C02以正常模式釋放，有效避免了通量箱內(nèi)壓力改變對測量結(jié)果的影響。通過測定證明系統(tǒng)是穩(wěn)定的，數(shù)據(jù)是可靠的。具 有如下優(yōu)點(1)對環(huán)境改變最小。通量箱在一個循環(huán)里除測量時都 處于開放狀態(tài)，這較好的促進了箱內(nèi)外能量的交換，使通量箱內(nèi)外溫度，特別是和土壤呼吸相關(guān)性最好的地表溫度內(nèi)外差異不顯著。同時， 因為箱蓋大部分時間處于打開狀態(tài)，雨、雪、凋落物都可以進入通量 箱，為恰當描述地表C02釋放提供了保證。在測定NEE時，因為通量箱蓋和四壁都采用訴％透光率的亞克力板，有效保證了光線的進 入，使結(jié)果更接近真實。如果在森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部或者果園內(nèi)部測定地表植被(草、低矮灌叢、苔蘚)的NEE效果更好。(2)取樣面 積大，有效的減小了 "邊緣效應"(3)快速。只要3分鐘就可以完 成對一個樣點的測定。比同類系統(tǒng)快出15到17分鐘。這樣就有效抑 制了通量箱閉合后的升溫效應，使內(nèi)外環(huán)境差別盡可能縮小。而且， 更為重要的是使測定時間密度更大，樣點更多成為現(xiàn)實。(4)多箱。 本系統(tǒng)含有多個通量箱，比目前世界上公開發(fā)表的文獻記載中含通量 箱數(shù)目多。多箱的好處在于，其一，測定NEE時，較多的重復可以 有效避免偶然現(xiàn)象造成的誤差。比如，浮云的影響。其二，反映地表 C02釋放或者土壤呼吸的空間變異并且使代表性更強；其三，可以允. 許不同水平的較多重復，方便比較研究。(6)自動。系統(tǒng)可完全自動 運行不用人力。數(shù)據(jù)自動采集、記錄。(7)維護保養(yǎng)簡單易行。(8) 連續(xù)。該系統(tǒng)可以在正常電力供應下一直連續(xù)運行。這使生態(tài)系統(tǒng)碳 動態(tài)的連續(xù)變化測定變成了現(xiàn)實。實現(xiàn)了全天候監(jiān)測，而且密度更為 集中。(9)經(jīng)濟。18個通量箱共用一臺C02分析儀，相對于商品儀 器而言是非常經(jīng)濟的。(10)原位監(jiān)測，采樣測量時對觀測對象擾動 小。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖
圖2為本發(fā)明中控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖
圖3為本發(fā)明中采樣分析裝置的結(jié)構(gòu)框圖
圖4為本發(fā)明中通量箱的結(jié)構(gòu)示意圖
圖5為本發(fā)明實施例進行監(jiān)測的麥田生態(tài)系統(tǒng)與大氣間Ca交換
通量圖
圖6為本發(fā)明實施例進行監(jiān)測的麥田土壤呼吸和果園土壤呼吸
圖
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
如圖1和2所示，全自動多通量箱系統(tǒng)，采用18個通量箱，包 括控制裝置和采樣分析裝置，控制裝置包括空氣壓縮機和通量箱，所 述通量箱側(cè)壁與上蓋間裝有一氣缸2,空氣壓縮機連接一多通閥，該 多通閥分出18個支路，支路上設有一電磁閥，每一支路與一通量箱 內(nèi)的氣缸連接，所述電磁閥通過電路與一邏輯控制器連接，所述通量 箱內(nèi)還安裝有一風扇3，該風扇通過電路與邏輯控制器連接；采樣分 析裝置包括紅外CQ2分析儀、緩沖器、干燥器、過濾器、流量計、氣 泵、數(shù)據(jù)采集器和通量箱，所述數(shù)據(jù)采集器通過電路與紅外C02分析 儀連接，紅外C02分析儀的進氣口通過氣路管道依次與流量計、過濾
器、干燥器、緩沖器連接，緩沖器與一多通閥的總管連接，多通閥分 出若干支路，每一支路上設有一電磁閥后與一通量箱相連通，形成流
入氣路，紅外C02分析儀的出氣口通過氣路管道連接一氣泵，氣泵連
接一多通閥的總管，該多通閥分出若干支路，每一支路上設有一電磁 閥后與一通Jl箱相連通，形成流出氣路，氣路上的電磁闕與一邏輯控 制器相連接。流入氣路位于通量箱體的一側(cè)靠上位置，對側(cè)的靠下位置為流出氣路。
通量箱是長、寬、髙均為50cm的正方體，框架是由鋁合金制成。 箱體四壁采用透明的亞克力板(透光率98%),并通過雙面密封膠條和 鋁合金框架粘接起來用蠊釘固定。箱蓋采用較厚的亞克力板(透光率 98%)，與箱體間用普通合頁鏈接。為了防止箱蓋的熱脹冷縮變形，箱 蓋的外表面固定有高強度U型鋁合金板。箱體與箱蓋間鑲有高密度密 封條以提高氣密性。
當一個循環(huán)開始時，邏輯控制器控制一通量箱的電磁閥打開，空 氣壓縮機給汽缸供氣,汽缸回縮，通量箱蓋在氣缸臂拉力作用下關(guān)閉。 同時，固定在汽缸上的風扇開始工作，攪拌空氣，與此同時，在同一 邏輯控制器控制下，該通量箱的流入氣路和流出氣路的電磁閥打開， 其他通量箱對應的電磁閥關(guān)閉，在氣泵作用下，從該通量箱中流出的 氣體都要經(jīng)由管道先流過控制其氣路的電磁閥，而后流經(jīng)控制流入氣 體的多通閥，之后，經(jīng)過緩沖器、干燥器、過濾器、流量計，進入 C02分析儀，隨后經(jīng)由多通閥，流經(jīng)控制回流氣路的電磁閥，流回通 量箱，構(gòu)成閉路循環(huán)。第180秒時，在邏輯控制器的控制下，電磁閥 工作，汽缸伸展開，通量箱蓋在氣缸臂推力作用下打開，風扇同步停 止工作，流入氣路和流出氣路的電磁閥關(guān)閉。在上一個通量箱蓋打開 的同時，下一個通量箱關(guān)閉，內(nèi)部風扇開始工作，與之對應的控制流 入與流出的電磁閥打開，開始相同的閉路循環(huán)過程，同樣歷時180秒。 以此類推，蓬個閉合打開，在多個地點循環(huán)測定。當所有的箱都測定 過后，系統(tǒng)停止6分鐘后，重新從第一個通量箱開始進行下一輪循環(huán)測定，這樣同一 通量箱進行測量的間隔為1小時，較為適宜。
結(jié)合圖5和圖6，對使用本發(fā)明全自動多通量箱系統(tǒng)進行觀測加 以說明，4月21日到4月22日在中國科學院長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站對 小麥田和果園進行了研究。4月21日，小麥田生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的 C02生態(tài)系統(tǒng)凈收支(iVEE， Net Ecosystem Exchange)如圖6 (a)所示，在0: 00到6: OO間整體表現(xiàn)為釋放，從0: 00到4: 00變化相 對平緩，5: 00有所降低，6: 00略有升高，7: 00左右，生態(tài)系統(tǒng) 由釋放C02轉(zhuǎn)化為吸收固定C02。在9: OO時間段，小麥生態(tài)系統(tǒng)吸 收固定COz的強度達到最大，然后降低，到18: OO生態(tài)系統(tǒng)再次由 吸收固定C02轉(zhuǎn)為釋放C02，表現(xiàn)為由負值逐漸變?yōu)檎怠?9: 00 時，生態(tài)系統(tǒng)釋放C02的強度最小。生態(tài)系統(tǒng)釋放C02水平在晚上 20- 00時間段最大，然后逐漸降低。由4月21日和22日兩天的連 續(xù)觀測結(jié)果來看，小麥生態(tài)系統(tǒng)凈收支的日變化的特點是，晚間變化 相對平緩，早上7: 00左右，晚上19: 00左右是生態(tài)系統(tǒng)吸收固定 和釋放的轉(zhuǎn)折時間點，上午9: 00到10: 00生態(tài)系統(tǒng)的吸收固定強 度最大。連續(xù)2d的夜間麥田生態(tài)系統(tǒng)的排放強度分別在3.34~ 6.92 limol m'2* s"間變化。在晴天呈現(xiàn)近似單峰變化。連續(xù)2d的C02 吸收最大強度分別為-15.9 u mol. m-2 s'1和-17.1 n mol nf2 ， s"。連續(xù) 觀測2d的麥田生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的C02交換通量平均值為-2.35 u mol nT2 s",即該時期的麥田生態(tài)系統(tǒng)整體上吸收固定C02的能力強于釋放C02的能力。
果園和麥田的土壩呼吸速率的日變化趨勢如圖6(b)，果園的平
均呼吸速率是6.61umoPnr2's"，麥田是3.87 u mol m-2 m'2's"。果園 土壤的呼吸強度在15: 00到16: OO左右最大，約9.81111101.111-2*8-1 到lO"mol nf2. s"。麥田土壤的呼吸強度分別在16: 00和12: 00 左右最大，約5.2 u mol iif2 s"到5.4 u mol nT2. s"。
權(quán)利要求1. 全自動多通量箱系統(tǒng)，包括空氣壓縮機、紅外CO2分析儀、緩沖器、干燥器、過濾器、流量計、氣泵、數(shù)據(jù)采集器和多個通量箱，其特征為所述通量箱側(cè)壁及上蓋間裝有一氣缸，空氣壓縮機連接一多通閥，該多通閥分出若干支路，支路上設有一電磁閥，每一支路與一通量箱內(nèi)的氣缸連接；每一通量箱由設有一電磁閥的氣路管道連接一多通閥，多通閥的總管依次連接緩沖器、干燥器、過濾器、流量計、紅外CO2分析儀、氣泵后與另一多通閥的總管連接，該多通閥分出的每一支路連接一通量箱，每一支路上設有一電磁閥，形成循環(huán)氣路，紅外CO2分析儀與一數(shù)據(jù)采集器連接，所述系統(tǒng)中和氣缸相連，用于控制氣缸伸縮的電磁閥，以及通量箱上用于控制循環(huán)氣路的電磁閥皆通過電路與一邏輯控制器連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動多通量箱系統(tǒng)，其特征為所述通 量箱的個數(shù)為18-20個。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全自動多通量箱系統(tǒng)，其特征為所 述通覽箱內(nèi)還安裝有一風扇，該風扇通過電路與邏輯控制器連接u
4. 根據(jù)權(quán)利要求i或2所述的全自動多通量箱系統(tǒng)，其特征為所 述迎量箱上蓋上設有一氣管，連逋通量箱內(nèi)外。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全自動多通量箱系統(tǒng)，其特征為所 述通量箱的上蓋上固定有U形加強筋。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全自動多通量箱系統(tǒng)，其特征為所 述通量箱上蓋內(nèi)側(cè)邊緣設有密封圈。
專利摘要本實用新型為一種全自動多通量箱系統(tǒng)，包括空氣壓縮機、紅外CO₂分析儀、緩沖器、干燥器、過濾器、流量計、氣泵、數(shù)據(jù)采集器和多個通量箱，所述通量箱側(cè)壁及上蓋間裝有一氣缸，空氣壓縮機連接一多通閥，該多通閥分出若干支路，每一支路上設有一電磁閥，每一支氣路與一通量箱內(nèi)的氣缸連接；每一通量箱由設有一電磁閥的氣路連接一多通閥，依次連接緩沖器、干燥器、過濾器、流量計、紅外CO₂分析儀、氣泵后與另一多通閥連接，該多通閥分出的每一支路連接一通量箱，每一支路上設有一電磁閥，形成循環(huán)氣路。紅外CO₂分析儀與通過電路一數(shù)據(jù)采集器連接。所述系統(tǒng)中和氣缸相連，控制氣缸伸縮的電磁閥，以及通量箱上用于控制循環(huán)氣路的電磁閥皆通過電路與一邏輯控制器連接。該實用新型具有反應速度快、高頻率、能在多個地點進行全天候連續(xù)循環(huán)監(jiān)測、對被觀測對象擾動小的優(yōu)點。
文檔編號G01N35/00GK201078754SQ20072014295
公開日2008年6月25日 申請日期2007年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者宋文質(zhì), 張紅星, 王效科 申請人:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心;張紅星;王效科