[發(fā)明專利]一種開放型土壤碳通量監(jiān)測儀及監(jiān)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410829131.0
• 申請日: 2014-12-26
• 公開（公告）號: CN104897873A
• 公開（公告）日: 2015-09-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡軍國;周國模
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江農(nóng)林大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 杭州杭誠專利事務(wù)所有限公司 33109
• 代理人: 尉偉敏

1.一種開放型土壤碳通量監(jiān)測儀，其特征在于：包括圓筒(1)，所述圓筒(1)的頂部和底部都開口，所述圓筒(1)內(nèi)壁上設(shè)有兩個數(shù)據(jù)采集模塊(2)，所述兩個數(shù)據(jù)采集模塊(2)分別位于圓筒(1)內(nèi)壁的頂部和底部，所述數(shù)據(jù)采集模塊(2)包括二氧化碳傳感器(3)、溫度傳感器(4)和大氣壓強傳感器(5)，所述圓筒(1)上還設(shè)有中央處理單元(6)和顯示屏(7)，所述中央處理單元(6)分別與顯示屏(7)以及每個數(shù)據(jù)采集模塊(2)的二氧化碳傳感器(3)、溫度傳感器(4)和大氣壓強傳感器(5)電連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開放型土壤碳通量監(jiān)測儀，其特征在于：所述圓筒(1)上還設(shè)有無線通信模塊(8)，所述無線通信模塊(8)與中央處理單元(6)電連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種開放型土壤碳通量監(jiān)測儀，其特征在于：所述圓筒(1)上還設(shè)有GPS模塊(9)，所述GPS模塊(9)與中央處理單元(6)電連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種開放型土壤碳通量監(jiān)測儀，其特征在于：所述數(shù)據(jù)采集模塊(2)還包括濕度傳感器(10)，所述濕度傳感器(10)與中央處理單元(6)電連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種開放型土壤碳通量監(jiān)測儀，其特征在于：所述數(shù)據(jù)采集模塊(2)還包括光照傳感器(11)，所述光照傳感器(11)與中央處理單元(6)電連接。

6.一種開放型土壤碳通量監(jiān)測方法，其特征在于，包括以下步驟：兩個數(shù)據(jù)采集模塊每隔時間T采集一次數(shù)據(jù)并發(fā)送到中央處理單元，中央處理單元根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)計算出每個間隔時間T內(nèi)的土壤碳通量，從而計算出土壤總的碳通量M，包括以下步驟：

S1：中央處理單元計算圓筒內(nèi)不同高度在不同時間的二氧化碳體積濃度，包括以下步驟：

第一個時間T開始時，中央處理單元根據(jù)圓筒內(nèi)壁底部的數(shù)據(jù)采集模塊在第一個時間T初始時采集的二氧化碳體積濃度C_s1和圓筒內(nèi)壁頂部的數(shù)據(jù)采集模塊在第一個時間T初始時采集的二氧化碳體積濃度C₀₁計算出第一個時間T內(nèi)圓筒內(nèi)x高度處在t時間的二氧化碳體積濃度為C₁(x，t)，C1(x,t)=Cs1+(C01-Cs1)·f(x2D·t),]]>f(β)=2π∫0βe-β2dβ,β=x2D·t,0≤t≤T,]]>

其中，D為二氧化碳在空氣中的擴散系數(shù)，在第一個時間T結(jié)束時，圓筒內(nèi)不同高度x處的二氧化碳體積濃度為C₁(x，T)；

第二個時間T開始時，中央處理單元根據(jù)圓筒內(nèi)壁底部的數(shù)據(jù)采集模塊在第二個時間T初始時采集的二氧化碳體積濃度C_s2和第一個時間T結(jié)束時圓筒內(nèi)不同高度x處的二氧化碳體積濃度C₁(x，T)計算出第二個時間T內(nèi)圓筒內(nèi)x高度處在t時間的二氧化碳體積濃度為C₂(x，t)，

C2(x,t)=Cs2+(C1(x,T)-Cs2)·f(x2D·t),]]>

f(β)=2π∫0βe-β2dβ,β=x2D·t,0≤t≤T,]]>

在第二個時間T結(jié)束時，圓筒內(nèi)不同高度x處的二氧化碳體積濃度為C₂(x，T)；

第n個時間T開始時，中央處理單元根據(jù)圓筒內(nèi)壁底部的數(shù)據(jù)采集模塊在第n個時間T初始時采集的二氧化碳體積濃度C_sn和第n-1個時間T結(jié)束時圓筒內(nèi)不同高度x處的二氧化碳體積濃度C_n-1(x，T)計算出第n個時間T內(nèi)圓筒內(nèi)x高度處在t時間的二氧化碳體積濃度為C_n(x，t)，Cn(x,t)=Csn+(Cn-1(x,T)-Csn)·f(x2D·t),]]>f(β)=2π∫0βe-β2dβ,β=x2D·t,0≤t≤T;]]>

S2：中央處理單元計算圓筒內(nèi)高度x＝K處的平面的上下兩側(cè)的濃度差ΔC_n(K，t)＝C_n(K+h，t)-C_n(K-h，t)，其中，高度x＝K處在圓筒內(nèi)壁底部與頂部之間，h表示一個很小的常數(shù)，C_n(K+h，t)表示在圓筒內(nèi)高度K處的平面上方一段距離的二氧化碳體積濃度，C_n(K-h，t)表示在圓筒內(nèi)高度K處的平面下方一段距離的二氧化碳體積濃度；

S3：中央處理單元根據(jù)菲克第一定律計算出在第n個時間T內(nèi)總共擴散出去的二氧化碳的通量為J(t)＝D·ΔC_n(K，t)t∈(0，T)，

其中，D為二氧化碳在空氣中的擴散系數(shù)，m_n為第n個時間T內(nèi)擴散出去的二氧化碳的通量，A為圓筒的橫截面積；

S4：中央處理單元計算出n個時間T內(nèi)土壤總的碳通量M＝m₁+m₂+…+m_n，n＝1，2，3……。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種開放型土壤碳通量監(jiān)測方法，其特征在于：所述二氧化碳在空氣中的擴散系數(shù)D的計算方法包括以下步驟：中央處理單元將圓筒內(nèi)壁底部的數(shù)據(jù)采集模塊采集的溫度T_s和大氣壓強P_s代入擴散系數(shù)計算公式：D=435.7T3/2P(VA1/3+VB1/3)21μA+1μB,]]>計算出擴散系數(shù)D_s，其中，T為熱力學溫度，P為壓強，μ_A為二氧化碳的分子量，μ_B為空氣的分子量，V_A為二氧化碳在正常沸點時液態(tài)克摩爾容積，V_B為空氣在正常沸點時液態(tài)克摩爾容積，將圓筒內(nèi)壁頂部的的數(shù)據(jù)采集模塊采集的溫度T₀和大氣壓強P₀代入擴散系數(shù)計算公式計算出擴散系數(shù)D₀，將擴散系數(shù)D_s和擴散系數(shù)D₀取平均得到擴散系數(shù)D。