本發(fā)明涉及一種生態(tài)環(huán)境模擬監(jiān)測裝置，特別是關(guān)于一種模擬濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的監(jiān)測裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

濕地是處于水域和陸地交錯區(qū)域獨特的生態(tài)系統(tǒng)。濕地是指天然的或人工的、永久或暫時的沼澤地、泥炭地及水域地帶，帶有靜止或流動的淡水、半咸水及咸水水體，包含低潮時水深不超過6米的海域。常見的自然濕地有：沼澤地、泥炭地、淺水湖泊、河灘、海岸灘涂和鹽沼等，人工濕地包括稻田、蝦田、蟹田等。濕地類型多，面積大、分布廣。據(jù)統(tǒng)計，全世界共有濕地8.558×10⁸ha，占陸地總面積的6.4％。

濕地對全球變化的貢獻主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.濕地生態(tài)系統(tǒng)是CO₂的“源”與“匯”

據(jù)估計，儲藏在不同類型濕地內(nèi)的碳約占地球陸地碳總量的15％，因而，濕地在全球碳循環(huán)過程中有著極其重要的意義。據(jù)Franzen估計，世界上泥炭干物質(zhì)總量為240×10⁹～280×10⁹t，如果按碳含量50％～55％計算，儲藏在泥炭中碳的總量將是120×10⁹～154×10⁹t。濕地生態(tài)系統(tǒng)由于地表經(jīng)常性積水，土壤通氣性差，地溫低且變幅小，造成好氣性細(xì)菌數(shù)量的降低，而嫌氣性細(xì)菌較多。植物殘體分解緩慢，形成有機物質(zhì)的不斷積累。泥炭是沼澤濕地的產(chǎn)物，是生態(tài)系統(tǒng)中有機質(zhì)積累速率較強類型之一，是CO₂的“匯”。濕地經(jīng)過排水后，改變了土壤的物理性狀，地溫升高，通氣性得到改善，提高了植物殘體的分解速率，而在濕地生態(tài)系統(tǒng)有機殘體的分解過程中產(chǎn)生大量的CO₂氣體，向大氣中排放，此時，濕地生態(tài)系統(tǒng)又表現(xiàn)為CO₂的“源”。

2.濕地生態(tài)系統(tǒng)是甲烷(CH₄)的重要“源”

甲烷，CH₄，俗名沼氣，產(chǎn)生于厭氧微生物活動。在厭氧條件下，甲烷菌分解土壤中的有機質(zhì)，產(chǎn)生甲烷，同時，在好氣土壤或土層中，甲烷又被氧化菌所氧化。由于甲烷是在厭氧條件下產(chǎn)生的，所以產(chǎn)生甲烷的土壤環(huán)境主要是各種類型的沼澤、較淺的水體及水稻田。據(jù)估計全球濕地每年約釋放150Tg(1Tg＝1000000t)甲烷，約占每年大氣總甲烷來源的25％。在濕地和稻田中，甲烷產(chǎn)生和再氧化受溫度、酸堿度、氧化還原電位和淹水深度的影響，并與植物生長密切相關(guān)。植物生長一方面是有機物質(zhì)的來源；另一方面，植物通氣組織是土壤中甲烷進入大氣，以及大氣中氧氣進入土壤的主要通道。各種天然濕地的排放量約為2.2×10¹²g，約占總排放量的6％左右。甲烷產(chǎn)生與濕地類型、水分狀況、溫度、土壤理化特征等因素有關(guān)。

3.濕地生態(tài)系統(tǒng)是氧化亞氮(N₂O)的“源”

氧化亞氮(N₂O)是僅次于CO₂和CH₄的溫室氣體。大氣中N₂O的95％來源于生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)中的硝化和反硝化過程。其中河流、河口和大陸架每年約有11×10¹²～17×10¹²g N₂O排入大氣，約占濕地生態(tài)系統(tǒng)N₂O排放量的35％。

對于濕地生態(tài)系統(tǒng)，由于碳輸入相互作用、沉降和再懸浮過程，水和沉積物中微生物過程，溫室氣體如CH₄和CO₂及N₂O的排放具有較大的時空變異性。對于濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成要素中，濕地植物，濕地水體和濕地基質(zhì)等隨環(huán)境條件的變化均導(dǎo)致溫室氣體排放量時空異質(zhì)性。因此準(zhǔn)確監(jiān)測濕地生態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體排放是進行準(zhǔn)確評估濕地在全球氣候變化中的作用的重要前提。

目前我國已經(jīng)開展了相關(guān)濕地的溫室氣體排放的研究，雖然近些年，一些先進儀器得到一定運用，但是價格昂貴，不利于廣泛推廣，因此較多研究仍采用靜態(tài)箱法，但是靜態(tài)箱法大多裝置笨重，給監(jiān)測帶來極大的不便和難度，同時也降低了監(jiān)測的準(zhǔn)確度。對于濕地植物，大多分布在不同水位梯度的水體中，要進行溫室氣體監(jiān)測，對科研和管理工作者都帶來一定的工作困難。尤其監(jiān)測浮水和沉水植物為主體的生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放難度加大。對于以往關(guān)于溫室氣體排放監(jiān)測的專利，主要集中對于靜態(tài)箱法裝置的輕便化改進，而對于設(shè)計不同水位梯度下濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體監(jiān)測卻相對空白，而此方面研究對于濕地生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變化中的作用進行估算這部分也非常重要，因此對于一種監(jiān)測模擬濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的簡易裝置則在一定的程度上推進了對于濕地生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變化中準(zhǔn)確量化的進程。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種模擬濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的監(jiān)測裝置及其使用方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，能夠模擬濕地生態(tài)系統(tǒng)排放溫室氣體，并對其定量監(jiān)測。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種監(jiān)測濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的裝置，包括箱體和箱蓋，所述箱體的內(nèi)部設(shè)置有濕地土壤基質(zhì)層、濕地植物層和濕地水體層，所述箱蓋上連接抽氣裝置；

所述濕地土壤基質(zhì)層、濕地植物層和濕地水體層用于模擬被監(jiān)測濕地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境。

進一步地，所述箱體的內(nèi)部設(shè)置有小型風(fēng)扇；所述箱蓋內(nèi)部設(shè)置有溫度計。

進一步地，所述為箱蓋可拆卸的結(jié)構(gòu)。

進一步地，所述箱體與所述箱蓋密封連接。

進一步地，所述箱體與所述箱蓋之間設(shè)置有密封結(jié)構(gòu)。

進一步地，所述密封結(jié)構(gòu)為橡膠圈。

進一步地，所述箱體與所述箱蓋螺紋連接。

進一步地，所述抽氣裝置包括連接裝置和注射器，所述注射器通過連接裝置與箱蓋密封連接。

進一步地，所述連接裝置包括橡皮管，所述橡皮管與箱蓋密封連接。

本發(fā)明還提供一種模擬濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的監(jiān)測裝置的使用方法，包括以下步驟：

S1：采集被測濕地生態(tài)系統(tǒng)的土壤基質(zhì)、濕地植物和濕地水體；

S2：將采集到的土壤基質(zhì)、濕地植物和濕地水體分別放置于濕地土壤基質(zhì)層、濕地植物層和濕地水體層；

S3：根據(jù)所選的濕地植物所需環(huán)境條件氧，模擬被測濕地生態(tài)系統(tǒng)的水位條件，打開箱蓋培養(yǎng)濕地植物；

S4：根據(jù)植物生長狀況，需監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的排放時，將箱蓋與箱體密封或螺紋連接，開啟小型風(fēng)扇，以使密封系統(tǒng)內(nèi)部氣體混合均勻，將注射器插入連接裝置，抽取氣體待測，記錄箱體內(nèi)部溫度。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1.本發(fā)明中提供的監(jiān)測濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的裝置，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，移動便捷，亦可設(shè)置多個平行試驗或是多次重復(fù)試驗，以提高實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性；

2.本發(fā)明中濕地生態(tài)系統(tǒng)的箱體與箱蓋之間的密封性強，可以隨意取下密封結(jié)構(gòu)，使模擬濕地生態(tài)系統(tǒng)與外界進行物質(zhì)和能量流動，使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)持續(xù)進行，同時也可以配置密封結(jié)構(gòu)，使整套裝置形成密封性系統(tǒng)，為其準(zhǔn)確監(jiān)測進行了準(zhǔn)備；

3.本發(fā)明將自然界中的濕地生態(tài)系統(tǒng)進行移植到本發(fā)明提供的監(jiān)測裝置中，并定植各個濕地植物，設(shè)計不同水位，進而模擬不同的濕地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)。整個系統(tǒng)密封后，將整個系統(tǒng)作為一個濕地生態(tài)系統(tǒng)進行溫室氣體定量監(jiān)測。整個裝置設(shè)計巧妙、密封性好，能夠準(zhǔn)確測定相應(yīng)濕地生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放，精確度高，操作簡便，便于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化實施。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1提供的監(jiān)測濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例2提供的監(jiān)測濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例3提供的監(jiān)測濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中所示如下：

100～三通閥；

200～橡皮管；

201～控制夾；

300～注射器；

400～橡膠圈；

500～濕地水體層；

600～濕地植物層；

700～濕地土壤基質(zhì)層；

800～箱體；

900～箱蓋；

901～小孔。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

下面將參照附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

實施例1

如圖1所示，本發(fā)明實施例1提供的一種監(jiān)測濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的裝置，包括箱體800和箱蓋900，箱體800內(nèi)部從箱體底部向上依次設(shè)置濕地土壤基質(zhì)層700、濕地植物層600和濕地水體層500，箱蓋900與箱體800之間設(shè)置橡膠圈400用于密封，箱蓋900通過橡皮管200連接于三通閥100。橡皮管200無味，直徑約為1cm左右。注射器300的針頭插入三通閥100進行抽取氣體樣品。

箱體800的內(nèi)部設(shè)置溫度計(未示出)，用于監(jiān)測模擬濕地生態(tài)系統(tǒng)的溫度。

箱蓋900中安裝小型風(fēng)扇(未示出)，用于監(jiān)測溫室氣體排放時將箱體內(nèi)部進行均勻混合，以提升監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

實施例2

如圖2為本發(fā)明實施例2提供的一種監(jiān)測濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的裝置，包括箱體800和箱蓋900，箱體800內(nèi)部從箱體800底部向上依次設(shè)置濕地土壤基質(zhì)層700、濕地植物層600和濕地水體層500，箱體800內(nèi)部還設(shè)置溫度計(圖中未示出)。

箱蓋900與箱體800之間螺紋連接。箱蓋900內(nèi)部設(shè)置有小型風(fēng)扇，箱蓋900上設(shè)置小孔901，小孔901可用橡膠塞密封。注射器300的針頭穿過橡膠塞進行抽取氣體樣品。

實施例3

如圖3為本發(fā)明實施例3提供的一種監(jiān)測濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的裝置，包括箱體800和箱蓋900，箱體800內(nèi)部從箱體800底部向上依次設(shè)置濕地土壤基質(zhì)層700、濕地植物層600和濕地水體層500，箱體800內(nèi)部還設(shè)置溫度計(圖中未示出)，用于監(jiān)測模擬濕地生態(tài)系統(tǒng)的溫度。

箱蓋900與箱體800之間設(shè)置橡膠圈400用于密封。箱蓋900與橡皮管200的一端連接，橡皮管200的另一端設(shè)置控制夾201。箱蓋900內(nèi)部設(shè)置有小型風(fēng)扇，用于使密封系統(tǒng)內(nèi)部氣體混合均勻。

打開控制夾201，將注射器300的針頭伸入到橡皮管200進行抽取氣體樣品或者不打開控制夾201，用注射器300的針頭刺穿橡皮管200，伸入到橡皮管中進行抽取氣體樣品。

應(yīng)用范例：

監(jiān)測模擬不同水位條件下外來植物香菇草種群溫室氣體的排放

濕地植物為濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要結(jié)構(gòu)要素，濕地植物所處的水位特點勢必影響溫室氣體的排放。

香菇草(Hydrocotyle vulgaris)，又名南美天胡荽，原產(chǎn)歐洲、北美洲南部及中美洲地區(qū)，為傘形科天胡荽屬多年生草本植物?？梢酝ㄟ^節(jié)點進行無性繁殖，也可產(chǎn)生種子進行有性繁殖，其中無性繁殖為其最主要的擴散方式。香菇草株高10-45cm，根莖呈發(fā)達(dá)的交錯網(wǎng)狀，或露出地面呈匍匐狀，能夠適應(yīng)水生、濕生乃至陸生等多種生境，近年來因園林綠化及濕地造景的應(yīng)用而被廣泛引種，在中國具有一定的爆發(fā)潛勢。

為了監(jiān)測不同水位條件下外來植物香菇草種群溫室氣體排放，特設(shè)計了外來植物香菇草種群溫室氣體排放的技術(shù)體系。具體實施如下：

1)首先從香菇草自然生長的生境中取樣，本實施例選取的香菇草來源于浙江省杭州下沙濕地、西溪濕地、浙江嘉興貫涇港濕地等處，取野外表層(0-30cm)的土壤，采用多點取樣后進行混合均勻，利用土壤冷溫存儲箱帶回實驗基地，待用。

2)準(zhǔn)備好監(jiān)測濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的裝置，該裝置的大小可以根據(jù)需要設(shè)計，本實驗箱體800的直徑為約46cm，高50cm。將取回的土樣置于土壤基質(zhì)層700，其厚度為10cm左右；濕地植物層600，按照外圍圓形等距離定植6棵香菇草(定植的植物的數(shù)量根據(jù)裝置的大小及定植的植物種類進行確定)。根據(jù)實驗研究需要設(shè)計不同的水位。本實施例的濕地水體層500設(shè)計兩組不同的水位，其中一組為保持土壤微積水狀態(tài)，模擬陸生環(huán)境；另一組為保持水位10cm，模擬水生環(huán)境，每組設(shè)置至少三個平行。

3)香菇草種植以后，控制水位，在箱蓋900打開的狀態(tài)下，以模擬其在真實自然環(huán)境中進行培養(yǎng)。在香菇草生長的過程中，監(jiān)測其不同生長階段：主要為生長中期、生長盛期及生長末期的溫室氣體排放。

4)監(jiān)測溫室氣體排放時，首先將箱蓋900蓋上，使其與箱體800形成密封裝置。開啟小型風(fēng)扇，之后，通過抽氣系列進行取樣，存儲于注射器中，利用安捷倫7980A進行測試溫室氣體的濃度，并計算通量，從而能夠準(zhǔn)確評估模擬濕地生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變化中的作用。具體監(jiān)測和統(tǒng)計結(jié)果見表1和表2。

表1不同測試時間、生境及種群多樣性的條件下甲烷和氧化亞氮的排放結(jié)果

注：本實施例是在北京實驗室模擬浙江取材的香菇草的濕地系統(tǒng)的溫室氣體排放檢測。

說明：表1中種群多樣性的中的“1”表示容器內(nèi)6顆香菇草取自浙江省杭州西溪濕地等地同一種群；“3”表示容器內(nèi)每2顆香菇草分別隨機取自浙江省杭州西溪濕地、杭州下沙濕地及杭州嘉興貫經(jīng)項濕地等同“6”的任意3個種群，實驗容器內(nèi)仍為6棵香菇草；“6”表示容器內(nèi)6顆香菇草中其中每棵分別取自浙江省杭州西溪濕地、杭州下沙濕地、浙江嘉興貫徑項濕地、浙江麗水濱河濕地、浙江寧波日湖濕地、浙江臺州運河種群。

表2不同測試時間、生境及種群多樣性對溫室氣體甲烷和氧化亞氮的溫室氣體排放的Three-ANOVA分析表

說明：表2中P<0.05表明處理間差異顯著，P<0.001表明處理間差異極顯著。

從表1和表2可以看出，利用本發(fā)明提供的模擬濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的監(jiān)測裝置及使用方法測定的溫室氣體甲烷和氧化亞氮的數(shù)據(jù)，其數(shù)量級與常規(guī)暗箱法測定的數(shù)據(jù)的數(shù)量級相同，如使用暗箱法監(jiān)測北京密云水庫消落帶溫室氣體排放的甲烷氣體含量范圍為0.05～3.05mg·m^-2·h^-1，氧化亞氮氣體含量范圍為-0.04～1.90mg·m^-2·h^-1(此數(shù)據(jù)見Hongli Li et al.,2015Hydrology Research)，且經(jīng)統(tǒng)計學(xué)檢驗(表2)，不同監(jiān)測時間對甲烷和氧化亞氮溫室氣體排放具有顯著影響，生境對氧化亞氮溫室氣體排放顯著影響。監(jiān)測時間與生境，以及生境與種群多樣性的交互作用對氧化亞氮溫室氣體排放均具有顯著影響，其余未注明因素影響不顯著。因此，本發(fā)明提供的模擬濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的監(jiān)測裝置及使用方法能夠較為精確的測定濕地生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體變化。

本發(fā)明設(shè)計的模擬濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的監(jiān)測裝置通過配置濕地土壤，濕地水體，濕地植物進行模擬不同狀態(tài)的濕地生態(tài)系統(tǒng)，搭配密封結(jié)構(gòu)，并配置抽氣系統(tǒng)進行對模擬濕地生態(tài)系統(tǒng)進行溫室氣體監(jiān)測的裝置。本裝置具有結(jié)構(gòu)簡易，相對輕便，便于操作，可以對不同水位梯度、不同濕地植物的濕地生態(tài)系統(tǒng)進行監(jiān)測溫室氣體，最大程度上保證了監(jiān)測的準(zhǔn)確性。本裝置材料為均為無味裝置，不會對濕地環(huán)境造成二次污染。另外，本裝置制作簡單，操作簡易，將目前必須在濕地系統(tǒng)當(dāng)?shù)剡M行溫室氣體監(jiān)測的研究轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢栽诳刂茥l件下進行，并設(shè)置多個重復(fù)平行實驗，提高實驗準(zhǔn)確性，為從事于濕地溫室氣體監(jiān)測與研究的相關(guān)人員提供一種可靠的方法。

最后應(yīng)說明的是：以上所述的實施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。