土壤温室气体通量自动监测系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010443237.2 (22)申请日 2020.05.22 (71)申请人 中国科学院东北地理与农业生态研 究所 地址 130102 吉林省长春市高新北区盛北 大街4888号 (72)发明人 郝翔翔李禄军何朋戴闪闪 (74)专利代理机构 哈尔滨市文洋专利代理事务 所(普通合伙) 23210 代理人 吴国清 (51)Int.Cl. G01N 33/24(2006.01) G01D 21/02(2006.01) H02J 7/35(2006.01) (54)发明名称 一种土壤。

2、温室气体通量自动监测系统 (57)摘要 一种土壤温室气体通量自动监测系统。 它涉 及生态环境监测领域。 它解决了传统土壤温室气 体测量气箱测定结果不准确、 对电源依赖性高、 自动化程度低、 环境要素测量复杂的问题。 本发 明由太阳能供电系统、 电源控制器、 数据采集器 和气箱组成。 通过电源控制器来自动控制数据采 集器和气箱的运转， 可实现温室气体通量与环境 要素的在线耦合观测。 与以往类似装置相比， 本 发明具有安装简单， 自动化、 智能化程度高； 在气 体通量测定过程中， 采用循环模式， 不会造成气 箱内的气压差， 不影响气体扩散； 所测数据的准 确性高的优点。 权利要求书1页 说明书4页。

3、 附图3页 CN 111562355 A 2020.08.21 CN 111562355 A 1.一种土壤温室气体通量自动监测系统， 它由太阳能供电系装置、 电源控制器、 数据采 集器、 气箱、 土壤温度传感器、 土壤水分传感器、 空气温度传感器、 湿度传感器、 气压传感器、 进气管路、 出气管路和灰尘过滤器组成， 其特征在于： 太阳能供电装置的输出端与电源控制 器的输入端连接， 电源控制器的输出端与数据采集器的输入端连接， 电源控制器的输出端 与上风扇、 下风扇、 箱体推杆和上盖推杆的控制端连接， 数据采集器经数据传输线与土壤温 度传感器、 土壤水分传感器、 空气温度传感器、 湿度传感器和气。

4、压传感器连接采集数据， 土 壤温度传感器设在气箱内的下部， 土壤水分传感器设在气箱的底部， 空气温度传感器、 湿度 传感器和气压传感器固定在气箱内的支架上， 进气管路的一端与数据采集器连接， 另一端 与灰尘过滤器连接， 出气管路的一端与数据采集器连接， 另一端与灰尘过滤器连接， 灰尘过 滤器固定在气箱内的箱板支架上； 所述的太阳能供电系装置， 由太阳能板、 太阳能板支架、 蓄电池和蓄电池保护箱组成， 太阳能板设在太阳能板支架上， 太阳能板的输出端与蓄电池的输入端连接， 蓄电池设在蓄 电池保护箱内； 所述的气箱， 由底座、 箱体框架、 箱板支架、 上盖、 上风扇、 下风扇、 箱体推杆、 上盖推杆。

5、、 箱体推杆固定横杆、 三角支架和支架组成， 底座的两侧设有左水平支撑板和右水平支撑板， 底座的中部呈中空的矩形框， 箱板支架设在气箱内右侧箱板的中部， 上风扇设在气箱内右 侧箱板的上部， 下风扇设在气箱内左侧箱板的下部， 箱体推杆设在气箱的左侧， 箱体推杆的 下端设在左水平支撑板上， 箱体推杆的上端设在箱体推杆固定横杆上， 上盖推杆设在气箱 的右侧， 三角支架设在上盖的上方， 上盖推杆的下端设在右水平支撑板上， 上盖推杆的上端 设在三角支架的右侧和横杆上， 支架固定在箱体框架上， 气箱的箱体框架右下角框架通过 合页与底座相连， 气箱的箱体框架右上角框架通过合页与上盖相连， 气箱不设底箱板。 。

6、2.根据权利要求1所述的一种土壤温室气体通量自动监测系统， 其特征在于： 所述的数 据采集器采用SF-3500。 3.根据权利要求1所述的一种土壤温室气体通量自动监测系统， 其特征在于： 所述的气 箱为矩形立方体。 4.根据权利要求1所述的一种土壤温室气体通量自动监测系统， 其特征在于： 所述的箱 体框架的顶部和底部的周边上固定有密封胶条。 5.根据权利要求1所述的一种土壤温室气体通量自动监测系统， 其特征在于： 所述的底 座的中部呈中空的矩形框的周边上沿固定有密封胶条。 6.根据权利要求1所述的一种土壤温室气体通量自动监测系统， 其特征在于： 所述的底 座两侧的左水平支撑板和右水平支撑板上分。

7、别设有两个固定圆孔， 固定圆孔内插有固定 销。 7.根据权利要求1所述的一种土壤温室气体通量自动监测系统， 其特征在于： 所述的底 座的中部的矩形框与气箱的底口配接。 8.根据权利要求1所述的一种土壤温室气体通量自动监测系统， 其特征在于： 所述的数 据采集器的气路模块上设有循环气泵， 循环气泵与进气管路和出气管路连接， 进气管路和 出气管路的末端经气箱底座下部的土壤穿入气箱内与灰尘过滤器连接。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111562355 A 2 一种土壤温室气体通量自动监测系统 技术领域 0001 本发明涉及生态环境监测领域， 具体涉及一种土壤温室气体通量自动监测系统。 背景技术 。

8、0002 大气CO2、 N2O和CH4等温室气体排放增加是全球气候变暖的重要原因,由此所导致 的气候变化问题日趋突出， 严重威胁着人类生态环境和社会经济的可持续发展。 土壤是陆 地生态系统中最大的碳库， 土壤碳库的微弱变化， 便可对全球CO2循环产生重要影响， 此外， 土壤也是N2O和CH4的重要排放源， 因此， 对不同生态系统或管理方式下土壤的温室气体通量 进行实时、 动态的精准监测， 是生态学领域的重点研究内容， 对控制温室气体排放具有重要 的科学意义和实践价值。 目前， 气室法是最为常用的土壤气体通量原位定点监测方法， 它通 过采用一定大小的箱体罩在被测土壤表面， 阻止箱内外气体进行自由。

9、交换， 通过测定箱体 中温室气体的变化速率， 计算得出目标气体的交换通量。 设计科学的气箱是土壤温室气体 监测结果准确与否的关键， 但是， 现有技术所制作的气箱， 存在以下问题： 一、 气箱下部呈密 闭、 固定状态， 在非测定状态下， 由于气箱与空气隔离， 阻碍了正常的土壤气体交换， 所测结 果不符合实际土壤气体的真实排放， 此外， 由于气箱底部通风受阻， 太阳辐射会导致透明箱 体内外形成较大的温差， 从而影响最终测定结果； 二、 对电源要求较高， 在无电源的野外， 需 携带移动电源， 给操作带来不便； 三、 在测定或采集气箱内气体时， 无法同时获得气箱内的 温度、 气压、 湿度等环境要素， 。

10、缺乏温室气体通量与环境要素的在线耦合观测； 四、 自动化程 度低。 发明内容 0003 本发明为了解决现有的传统土壤温室气体测量气箱测定结果不准确、 对电源依赖 性高、 自动化程度低、 环境要素测量复杂等问题,提供了一种土壤温室气体通量自动监测系 统， 解决该问题的具体技术方案如下： 0004 一种土壤温室气体通量自动监测系统， 由太阳能供电系装置、 电源控制器、 数据采 集器、 气箱、 土壤温度传感器、 土壤水分传感器、 空气温度传感器、 湿度传感器、 气压传感器、 进气管路、 出气管路和灰尘过滤器组成。 太阳能供电装置的输出端与电源控制器的输入端 连接， 电源控制器的输出端与数据采集器的输。

11、入端连接， 电源控制器的输出端与上风扇、 下 风扇、 箱体推杆和上盖推杆的控制端连接， 数据采集器经数据传输线与土壤温度传感器、 土 壤水分传感器、 空气温度传感器、 湿度传感器和气压传感器连接采集数据， 土壤温度传感器 设在气箱内的下部， 土壤水分传感器设在气箱的底部， 空气温度传感器、 湿度传感器和气压 传感器固定在气箱内的支架上， 进气管路的一端与数据采集器连接， 另一端与灰尘过滤器 连接， 出气管路的一端与数据采集器连接， 另一端与灰尘过滤器连接， 灰尘过滤器固定在气 箱内的箱板支架上； 0005 所述的太阳能供电系装置， 由太阳能板、 太阳能板支架、 蓄电池和蓄电池保护箱组 成， 太。

12、阳能板设在太阳能板支架上， 太阳能板的输出端与蓄电池的输入端连接， 蓄电池设在 说明书 1/4 页 3 CN 111562355 A 3 蓄电池保护箱内； 0006 所述的气箱， 由底座、 箱体框架、 箱板支架、 上盖、 上风扇、 下风扇、 箱体推杆、 上盖 推杆、 箱体推杆固定横杆、 三角支架和支架组成， 底座的两侧设有左水平支撑板和右水平支 撑板， 底座的中部呈中空的矩形框， 箱板支架设在气箱内右侧箱板的中部， 上风扇设在气箱 内右侧箱板的上部， 下风扇设在气箱内左侧箱板的下部， 箱体推杆设在气箱的左侧， 箱体推 杆的下端设在左水平支撑板上， 箱体推杆的上端设在箱体推杆固定横杆上， 上盖推。

13、杆设在 气箱的右侧， 三角支架设在上盖的上方， 上盖推杆的下端设在右水平支撑板上， 上盖推杆的 上端设在三角支架的右侧横杆上， 支架固定在箱体框架上， 气箱的箱体框架右下角框架通 过合页与底座相连， 气箱的箱体框架右上角框架通过合页与上盖相连， 气箱不设底箱板。 0007 本发明的一种土壤温室气体通量自动监测系统的有益效果是： 一、 该系统采用太 阳能供电， 可预先设定测定时间和测定时长， 集控制、 计算和分析于一体， 高度自动化、 智能 化， 实现了野外全天候24小时无人值守全自动监测； 二、 气箱设计合理， 在不测定状态时， 不 影响土壤的正常呼吸， 不影响试验结果的准确性， 此外， 通过。

14、电动推杆实现气箱的闭合， 闭 合过程缓慢、 匀速， 对气箱内的扰动很轻， 气箱内气压稳定； 三、 在气体通量测定过程中， 采 用循环模式， 测定完的气体再次返回气箱， 不会造成气箱内的气压差， 不影响气体扩散， 测 定结果更加精准； 四、 监测气体通量时， 可同步获得土壤温度、 土壤含水量、 气压和空气湿度 等数据， 实现了温室气体通量与环境要素的在线耦合观测； 五、 采用模块设计原理， 组装和 拆卸便捷。 本发明适用于多种生态系统、 复杂的野外环境的自动监测。 附图说明 0008 图1是本发明系统的结构示意图， 图2是图1中气箱开放状态下的示意图， 图3是图1 中气箱闭合状态下(即监测过程)。

15、的示意图。 具体实施方式 0009 具体实施方式一、 结合图1、 图2描述本实施方式。 本实施方式由太阳能供电系装置 1、 电源控制器2、 数据采集器3、 气箱4、 土壤温度传感器5、 土壤水分传感器6、 空气温度传感 器7、 湿度传感器8、 气压传感器9、 进气管路10、 出气管路11和灰尘过滤器12组成， 太阳能供 电装置1的输出端与电源控制器2的输入端连接， 电源控制器2的输出端与数据采集器3的输 入端连接， 电源控制器2的输出端与上风扇4-5、 下风扇4-6、 箱体推杆4-7和上盖推杆4-8的 控制端连接， 数据采集器3经数据传输线与土壤温度传感器5、 土壤水分传感器6、 空气温度 传。

16、感器7、 湿度传感器8和气压传感器9连接采集数据， 土壤温度传感器5设在气箱4内的下 部， 土壤水分传感器6设在气箱4的底部， 空气温度传感器7、 湿度传感器8和气压传感器9固 定在气箱4内的支架4-11上， 进气管路10的一端与数据采集器3连接， 另一端与灰尘过滤器 12连接， 出气管路11的一端与数据采集器3连接， 另一端与灰尘过滤器12连接， 灰尘过滤器 12固定在气箱4内的箱板支架4-3上。 0010 所述的太阳能供电系装置1， 由太阳能板1-1、 太阳能板支架1-2、 蓄电池1-3和蓄电 池保护箱1-4组成， 太阳能板1-1设在太阳能板支架1-2上， 太阳能板1-1的输出端与蓄电池 。

17、1-3的输入端连接， 蓄电池1-3设在蓄电池保护箱1-4内； 0011 所述的气箱4， 由底座4-1、 箱体框架4-2、 箱板支架4-3、 上盖4-4、 上风扇4-5、 下风 说明书 2/4 页 4 CN 111562355 A 4 扇4-6、 箱体推杆4-7、 上盖推杆4-8、 箱体推杆固定横杆4-9、 三角支架4-10和支架4-11组成， 底座4-1的两侧设有左水平支撑板4-1-1和右水平支撑板4-1-2， 底座4-1的中部呈中空的矩 形框， 箱板支架4-3设在气箱4内右侧箱板的中部， 上风扇4-5设在气箱4内右侧箱板的上部， 下风扇4-6设在气箱4内左侧箱板的下部， 箱体推杆4-7设在气。

18、箱4的左侧， 箱体推杆4-7的下 端设在左水平支撑板4-1-1上， 箱体推杆4-7的上端设在箱体推杆固定横杆4-9上， 上盖推杆 4-8设在气箱4的右侧， 三角支架4-10设在上盖4-4的上方， 上盖推杆4-8的下端设在右水平 支撑板4-1-2上， 上盖推杆4-8的上端设在三角支架4-10的右侧和横杆上， 支架4-11固定在 箱体框架4-2上， 气箱4的箱体框架4-2右下角框架通过合页与底座4-1相连， 气箱4的箱体框 架4-2右上角框架通过合页与上盖4-4相连， 气箱4不设底板。 0012 具体实施方式二、 结合图1、 图2描述本实施方式。 本实施方式所述的数据采集器3 采用SF-3500，。

19、 数据采集器3内设有传感器模块、 气路模块、 气体分析模块和数据存储模块。 0013 具体实施方式三、 结合图1、 图2描述本实施方式。 本实施方式所述的气箱4为矩形 立方体。 0014 具体实施方式四、 结合图1、 图2描述本实施方式。 本实施方式所述的底座4-1的中 部呈中空的矩形框的周边上沿固定有密封胶条。 0015 具体实施方式五、 结合图1、 图2描述本实施方式。 本实施方式所述箱体框架4-2的 顶部和底部的周边上固定有密封胶条。 0016 具体实施方式六、 结合图1、 图2描述本实施方式。 本实施方式所述的底座4-1两侧 的左水平支撑板4-1-1和右水平支撑板4-1-2上分别设有两。

20、个固定圆孔4-1-3， 固定圆孔内 插有固定销4-1-4。 0017 具体实施方式七、 结合图1、 图2描述本实施方式。 本实施方式所述的底座4-1的中 部呈中空的矩形框与气箱4的底口配接。 0018 具体实施方式八、 结合图1、 图2描述本实施方式。 本实施方式所述的数据采集器3 的气路模块上设有循环气泵， 循环气泵与进气管路10和出气管路11连接， 进气管路10和出 气管路11的末端经气箱底座4-1下部的土壤穿入气箱4内与灰尘过滤器12连接。 0019 工作和使用原理： 0020 本系统由太阳能供电系装置1为电源控制器2提供能源， 电源控制器2与数据采集 器3连接， 选择地势平坦的观测位置。

21、， 把气箱4安置固定平稳， 将进气管路10和出气管路11经 气箱底座4-1下部的土壤穿入气箱4内， 并分别在进气管路10和出气管路11的末端与灰尘过 滤器12连接， 将进气管路10和出气管路11与数据采集器3连接， 并将灰尘过滤器12固定在气 箱4内的箱板支架4-3上； 将土壤温度传感器5和土壤水分传感器6插入气箱4内下部的土壤 中， 将空气温度传感器7、 湿度传感器8和气压传感器9分别固定在气箱4的箱体框架4-2上， 将土壤温度传感器5、 土壤水分传感器6、 空气温度传感器7、 湿度传感器8和气压传感器9经 数据传输线分别接入数据采集器3的相应接口中。 0021 系统安装完毕， 开机运行： 。

22、打开电源控制器2电源开关， 设置需要监测的时间， 可以 设定为单次监测， 也可设置为24小时内多次循环监测， 设置完成后， 保存设置， 电源控制器2 工作， 电源控制器2即可按照设置， 定时为数据采集器3供电， 监测工作过程如下： 0022 监测器启动， 电源控制器2下达指令， 控制箱体推杆4-7和上盖推杆4-8开始工作， 带动箱体4和箱体上盖4-4向下移动， 移动至最低点时， 电源控制器2下达指令， 使箱体推杆 说明书 3/4 页 5 CN 111562355 A 5 4-7和上盖推杆4-8停止工作， 此时， 气箱处于密闭状态； 随后， 电源控制器2向上风扇4-5和 下风扇4-6下达运转指令。

23、， 上风扇4-5和下风扇4-6开始运转， 将气箱4内的气体充分混匀； 数 秒后， 电源控制器2向数据采集器3发出启动指令， 监测环节启动， 数据采集器3指示土壤温 度传感器5、 土壤水分传感器6、 空气温度传感器7、 湿度传感器8和气压传感器9开始工作， 并 将数据存储于数据采集器3中， 同时， 数据采集器3内置的循环气泵开始抽气， 数据采集器3 内的CO2、 N2O和CH4传感器开始测定相应气体的浓度， 数据存储于数据采集器3中， 流经数据 采集器3的气体会在循环气泵的作用下再次返回气箱4。 当所设定的监测时间后完成， 电源 控制器2向数据采集器3发出停止指令， 停止各项监测工作， 同时， 。

24、电源控制器2向箱体推杆 4-7和上盖推杆4-8发出开启指令， 箱体推杆4-7和上盖推杆4-8开始运转， 带动箱体4和箱体 上盖4-4向上移动， 移动至最高点时， 电源控制器2下达指令， 使箱体推杆4-7和上盖推杆4-8 停止工作， 此时， 气箱再次处于敞开状态， 至此， 一个监测周期结束。 当到达所设定的下一个 监测时间时， 循环以上步骤， 监测数据会连续存储至数据采集器3中。 当需要获得监测数据 时， 可通过USB连接数据采集器3， 将数据传输至计算机。 说明书 4/4 页 6 CN 111562355 A 6 图1 说明书附图 1/3 页 7 CN 111562355 A 7 图2 说明书附图 2/3 页 8 CN 111562355 A 8 图3 说明书附图 3/3 页 9 CN 111562355 A 9 。