本發(fā)明屬于大氣環(huán)境研究領域，涉及一種根-土系統的氣體采樣裝置，特別涉及一種適用于高稈植物的根-土系統的氣體頂空采樣裝置。

背景技術：

隨著社會的發(fā)展，以氣溫升高和降水格局的改變?yōu)橹饕卣鞯娜驓夂蜃兓殉蔀椴粻幍氖聦崱４髿庵蠧O₂、CH₄、N₂O等溫室氣體含量的增加，必然加劇全球氣候變化，對人類社會的生存的發(fā)展帶來巨大的挑戰(zhàn)，嚴重地威脅人類生存與社會經濟的可持續(xù)發(fā)展，已成為全球關注的重大環(huán)境問題。農田、森林、草地等生態(tài)系統是CO₂、CH₄、N₂O等溫室氣體的重要來源地，準確快速的監(jiān)測各生態(tài)系統中溫室氣體的通量和濃度，對全球氣候變化及其影響研究具有重要的現實意義。

目前，測定地表生物源CO₂、CH₄、N₂O等溫室氣體排放(或吸收)的方法主要有：箱法、微氣象法等。其中，箱法包括靜態(tài)箱法和動態(tài)箱法。箱法具有原理簡單、儀器廉價、操作容易、移動便利和靈敏度高等優(yōu)點，是測定地表生物源CO₂、CH₄、N₂O等溫室氣體排放通量的一種常用方法。

靜態(tài)箱法是用一個無底的箱子罩住所測土壤-植物系統，形成土壤-植物系統的頂層空間，供土壤-植物系統排出氣體的混合，間隔一段時間后抽取箱內空氣，然后利用氣相色譜儀等測定其中目標痕量氣體的濃度，求出濃度隨時間的變化率，并由此計算出被測表面該種氣體的交換通量。靜態(tài)箱法使用一般只局限于小面積測量，但對于相對均勻的小范圍生態(tài)系統，并實行多點采樣測定，該方法是測量氣體通量排放的一種最有效的方法，具有簡單易行、單點測量精度高、機動性強、造價低等優(yōu)點，在大氣環(huán)境研究領域具有廣泛實用性。

但是，在實際操作中，常規(guī)靜態(tài)箱法中所用的采樣箱存在很多問題，主要表現在以下方面：其一，漏氣問題——常規(guī)靜態(tài)箱法需在植株莖稈套裝PVC管，并在頂箱留出孔洞供植株莖稈伸出，采用密封膠將PVC管與頂箱結合，氣密性差，導致扣箱后漏氣，抽取的氣體代表性不足，造成采樣代表性差，測定誤差大；其二，常規(guī)靜態(tài)箱不能正面扣在植物根系正上方，只能在植物側面或行間測定，且只能扣住側根、須根，不能完全代表植物的根-土系統；其三，常規(guī)靜態(tài)箱扣箱、搬箱不方便，對植物生長或有損傷；其四，常規(guī)靜態(tài)箱只適用于矮稈或部分高稈植物(如玉米等)隨生長過程不斷加裝頂箱以完成根-土壤系統溫室氣體的測定，且無法測定更大型的植物(如喬木等)根-土壤系統溫室氣體排放(或吸收)。

技術實現要素：

針對現有常規(guī)靜態(tài)箱的不足之處，本發(fā)明重新設計底座和頂箱，在克服常規(guī)靜態(tài)箱不足之處的同時，擴大其使用范圍，更具有普遍實用性。

本發(fā)明提供一種適用于高稈植物的根-土系統的氣體頂空采樣裝置，包括底座1和頂箱2；所述底座包括底座外框11、底座內框12和底座頂13組成，所述底座頂由2個U型水槽14構成“凹形”(方柱型裝置)或“扇形”(圓柱型裝置)結構相對組合構成，中心位置形成中心孔和2個對稱“凹形孔”或者“扇形孔”，所述底座外框焊接連接于底座頂外側的U型水槽底部，所述底座內框焊接連接于底座頂形成中心孔的U型水槽底部；所述頂箱包括2個無底“凹形”或“扇形”的箱體21組成，頂箱與底座頂的U型水槽相匹配，頂箱頂部有氣體采集孔22和氣壓平衡孔23分別位于2個箱體頂部。

所述氣體采集孔安裝有三通式采氣接頭。

所述氣壓平衡孔安裝有氣壓平衡管。

所述頂箱側面安裝溫度傳感器。

所述頂箱外側用保溫材料包裹，對采樣裝置實現保溫。所述保溫材料為泡沫塑料，如聚氨酯泡沫、聚苯板、酚醛泡沫等。

底座外框的高度高于底座內框的高度。底座外框的長為50cm，寬為40cm，高為13cm；底座內框的長和寬為8cm、高為8cm；U型水槽的寬為3cm，高為3cm；頂箱的箱體長40cm，寬25cm，高23cm，在一側中間凹進去一個長8cm，寬4cm的矩形。

本發(fā)明還提供一種適用于高稈植物的根-土系統的氣體頂空采樣裝置的使用方法，包括以下步驟：

步驟1：底座安裝，底座外框11、底座內框12與土壤表面密封，涵括植株根際和植株間隙地帶，底座頂13距離土壤表面一定距離，植株種子種植或枝條扦插處位于底座內框12中；

步驟2：頂箱安裝，U型水槽14中加入適量水，將“凹形”箱體21安裝至U型水槽上；

步驟3：頂空采樣，打開氣壓平衡孔23，從氣體采集孔22抽取少量氣體后排空，再勻速采集箱內氣體樣品。

底座內框和底座外框連接處下面的空隙保證兩個箱體氣體處于連通狀態(tài)；水封使頂箱與底座外框、底座內框結為一體，防止傳統方法植物莖稈與采樣箱之間的空隙漏氣；底座內框是植物生長窗口，植物莖稈從兩個箱體內框內伸出，避免傳統采樣箱對高稈植株的損傷，影響其正常生長；箱體涵括了植株根際和植株間隙地帶土壤，實現一體化測定高稈植物生態(tài)系統中植株根際和植株間隙地帶土壤溫室氣體的排放的目的。

所述U型水槽(14)中加入水后，水面達水槽高度的1/2。

所述適用于高稈植物的根-土系統的氣體頂空采樣裝置的使用方法，適用于玉米、油菜、果樹等高稈植物根-土系統的氣體頂空采集。

所述適用于高稈植物的根-土系統的氣體頂空采樣裝置的使用方法，適用于根-土系統呼吸，土壤或根-土系統氮氧化物氣體采集或土壤或根-土系統甲烷采集中的應用。

本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明采用水封連接箱體和底座，避免了頂箱與植株間密封的繁瑣操作，確保采樣過程中的良好氣密性；

2、本發(fā)明避免了常規(guī)采樣裝置只能扣住植物側根、須根，不能完全代表植物的根-土系統的缺陷，實現一體化測定高稈植物生態(tài)系統中植株根際和植株間隙地帶土壤溫室氣體的排放的目的，使測定的結果更加真實可靠；

3、植物莖稈從底座頂形成的中心方形孔中伸出，同時，裝置的搬移或安裝步驟簡單、操作方便，避免了采樣裝置對高稈植株的損傷；

4、本發(fā)明裝置的尺寸大小可根據實驗需要自行改變，適用于不同大小的高稈植物根-土系統的氣體采集。

5、本發(fā)明造價低、結構簡單、移動操作方便、靈敏度高。

附圖說明

圖1：本發(fā)明提供的采樣裝置(方柱型)剖面結構示意圖；

圖2：本發(fā)明采樣裝置(方柱型)的底座結構示意圖；

圖3：本發(fā)明采樣裝置(方柱型)的頂箱結構示意圖；

圖4：本發(fā)明提供的采樣裝置(圓柱型)示意圖；

圖5：本發(fā)明采樣裝置(圓柱型)底座剖面結構示意圖。

1-底座，2-頂箱，3-土壤表面，4-高稈植物；11-底座外框，12-底座內框，13底座頂，14-U型水槽，21-箱體，22氣體采集孔，23-氣壓平衡孔。

具體實施方式

為更好地解釋本發(fā)明，下面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。

實施例1

根據圖1、圖2和圖3所示，一種適用于高稈植物的根-土系統的氣體頂空采樣裝置，其為方柱型采樣裝置，包括底座1和頂箱2；所述底座包括底座外框11、底座內框12和底座頂13組成，底座頂由2個U型水槽14構成“凹形”結構相對組合構成，中心位置形成方形中心孔和2個對稱“凹形孔”，所述底座外框焊接連接于底座頂外側的U型水槽底部，所述底座內框焊接連接于底座頂形成中心孔的U型水槽底部；所述頂箱包括2個無底“凹形”的箱體21組成，頂箱與底座頂的U型水槽相匹配，頂箱頂部有氣體采集孔22和氣壓平衡孔23分別位于2個箱體頂部。

箱體外側包裹有起保溫作用的聚苯板。

實施例2

與實施例1相類似，采樣裝置采用1mm的304K不銹鋼板，用氬弧焊焊接制造，其中，底座外框的長為50cm，寬為40cm，高為13cm；底座內框的長和寬為8cm、高為8cm；U型水槽的寬為3cm，高為3cm。

頂箱的箱體長40cm，寬25cm，高23cm，在一側中間凹進去一個長8cm，寬4cm的矩形。

采樣頂箱頂部安裝有三通式采氣接頭和氣壓平衡管，所述氣壓平衡管直徑3.6mm,長6.2cm，側面安裝溫度傳感器，整個箱體外側用厚度3cm的聚氨酯泡沫包裝，以達到保溫作用。

實施例3

根據圖3所示，適用于高稈植物的根-土系統的氣體頂空采樣裝置的使用方法，包括以下步驟：

步驟1：底座安裝，底座外框11、底座內框12與土壤表面4密封，涵括植株根際和植株間隙地帶，底座頂13與土壤表面3之間具有空間間隙，植株種子種植或枝條扦插處位于底座內框中；

步驟2：頂箱安裝，U型水槽14中加入適量水，使得水面達水槽高度的1/2，將“凹形”箱體21安裝至U型水槽上；

步驟3：頂空采樣，打開氣壓平衡孔23，從氣體采集孔22抽取少量氣體后排空，再勻速采集箱內氣體樣品。

實施例4

與實施例3類似，實施例2所示的適用于高稈植物的根-土系統的氣體頂空采樣裝置，其測量玉米根-土系統的使用方法，包括以下步驟：

步驟1：底座安裝，底座外框夯入土壤10cm深，底座內框夯入土壤5cm深，確保外框與內框間土壤表面密封，并降低內框夯入對植物根系的傷害。底座頂的底平面距離土壤表面3cm，底座內氣體連通；

步驟2：頂箱安裝，U型水槽中加入水，使得水面達水槽高度的1/2，先將具氣體采集孔的箱體安裝至U型水槽上，再將具氣壓平衡孔的箱體安裝至U型水槽上，形成“回”型采樣裝置，頂箱安裝過程中輕拿輕放，避免水槽中的水進入底座內，影響土壤呼吸；

底座內框和底座外框連接處下面的空隙保證兩個箱體氣體處于連通狀態(tài)，采樣裝置內部總體體積為44.5L；水封使頂箱與底座外框、底座內框結為一體，防止傳統方法植物莖稈與采樣箱之間的空隙漏氣；底座內框是高稈植物4的生長窗口，植物莖稈從兩個箱體內框內伸出，避免傳統采樣箱對高稈植株的損傷，影響其正常生長；箱體涵括了植株根際和植株間隙地帶土壤，實現一體化測定高稈植物生態(tài)系統中植株根際和植株間隙地帶土壤溫室氣體的排放的目的。

步驟3：頂空采樣，打開氣壓平衡孔，使用60ml塑料注射器從氣體采集孔勻速抽取10ml采集裝置中氣體后排空，再勻速采集50ml裝置內氣體樣品。

實施例5

根據圖4、圖5所示，一種適用于高稈植物的根-土系統的氣體頂空采樣裝置，其為圓柱型采樣裝置，包括底座和頂箱，所述底座包括底座外框、底座內框和底座頂組成，所述底座頂由2個U型水槽構成“扇形”結構相對組合構成，中心位置形成圓形中心孔和2個對稱的“扇形孔”，所述底座外框焊接連接于底座頂外側的U型水槽底部，所述底座內框焊接連接于底座頂形成的圓形中心孔的U型水槽底部；所述頂箱包括2個無底“扇形”的箱體組成，頂箱與底座頂的U型水槽相匹配，頂箱頂部有氣體采集孔和氣壓平衡孔分別位于2個箱體頂部。

箱體外側包裹有起保溫作用的酚醛泡沫。

本發(fā)明并不限于前面的描述的實施例。相反，本發(fā)明的保護范圍由這些描述連同所附的權利要求書及其等同特征一起限定。