專利名稱：多通道雙循環(huán)土壤碳排放δ¹³C觀測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域，具體的說是一種多通道雙循環(huán)土壤碳排放8 13C觀測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
土壤碳排放是指土壤產(chǎn)生和向大氣釋放CO2的過程，它包括土壤微生物呼吸、植物根系呼吸、土壤動物呼吸和含碳物質(zhì)的化學(xué)氧化作用等幾個生物學(xué)和非生物學(xué)部分。全球每年因土壤呼吸排放到大氣中的CO2量約為68PgC，遠(yuǎn)高于因燃料燃燒而釋放到大氣中的碳量。因此，土壤碳排放對大氣CO2濃度變化有著重要影響。土壤碳排放發(fā)生的任何變化都
將進(jìn)一步影響到全球的碳循環(huán)，是決定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的主要因子。了解土壤碳排放與影響因子之間的關(guān)系，對于估計和預(yù)測陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)變化有著非常重要的意義。穩(wěn)定性碳同位素在自然界主要有兩種類型，即12C和13C,其中絕大部分是12C(98.9% )，而13C僅占I. 1%，一般用該同位素摩爾數(shù)相對于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的同位素摩爾數(shù)的相對比值來表示，即用S符號表示同位素比值，單位為千分之一(％。)。由于同位素分餾效應(yīng)的存在，植物根系的自養(yǎng)呼吸排放的和土壤微生物、動物異養(yǎng)呼吸排放的具有不同的6 13C值。利用土壤碳排放過程中的碳穩(wěn)定性同位素的變化特征，可以解決過去常規(guī)方法無法解決的很多問題，已經(jīng)成為研究生態(tài)系統(tǒng)碳交換機(jī)理的最為有效的技術(shù)手段之一。目前，直接測定土壤碳排放的方法有靜態(tài)箱法、動態(tài)箱法和微氣象法，并結(jié)合堿液吸收法、紅外氣體分析法、氣相色譜法等實(shí)現(xiàn)對土壤碳排放速率的測定。但上述方法只關(guān)注了土壤CO2排放速率，而未關(guān)注土壤碳釋放S13C特征。由于自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸具有不同的S13C特征，可以實(shí)現(xiàn)對土壤CO2來源的分析。并且在觀測儀器方面有諸多限制和不足，如不能進(jìn)行連續(xù)觀測、不能多點(diǎn)同時觀測、由于管道殘氣影響觀測準(zhǔn)確性等等，特別是當(dāng)多個觀測點(diǎn)的距離較大時，上述限制會顯得更加突出。

發(fā)明內(nèi)容
為了分析土壤碳排放、自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸的S 13C特征、實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時自動觀測、提高觀測效率和頻率、提高觀測的準(zhǔn)確性，本發(fā)明提供一種多通道雙循環(huán)土壤碳排放s 13C觀測系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明提供如下解決方案一種多通道雙循環(huán)土壤碳排放5 13C觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由氣體分析系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)組成。氣體分析系統(tǒng)包括排放箱11、21和31，箱蓋12、22和32，采樣管13、23、33、16、26、36、17、27、37、51和52，氣泵14、24、34和42，三通電磁閥15、25和35，多通道電磁閥41，S 13C分析儀43，單片機(jī)44組成。電路控制系統(tǒng)包括電源7，控制線62、63和64，開關(guān)81、82、83和84，觸點(diǎn)91、92和93連接而成。排放箱11上安裝有箱蓋12，排放箱11兩側(cè)開孔，安裝采樣管13形成回路，采樣管13上安裝氣泵14，開啟氣泵14時，氣體在排放箱11和采樣管13內(nèi)循環(huán)。采樣管13上安裝有三通電磁閥15，三通電磁閥15的一個通道與采樣管16連接，采樣管16連接多通道電磁閥41 的一個通道，多通道電磁閥41由采樣管52與5 13C分析儀43連接，分析儀43又由采樣管51與多通道電磁閥41連接，采樣管51上安裝氣泵42，多通道電磁閥41的一個通道又由采樣管17連接在采樣管13上，形成氣流回路。由排放箱21、箱蓋22、采樣管23、氣泵24、三通電磁閥25連接形成的循環(huán)回路由采樣管26、27連接在多通道電磁閥41上；由排放箱31、箱蓋32、采樣管33、氣泵34、三通電磁閥35連接形成的循環(huán)回路由采樣管36、37連接在多通道電磁閥41上。并可根據(jù)實(shí)際需要增加通道數(shù)量。6 13C分析儀43測定的8 13C數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線61輸送到單片機(jī)44儲存，并由單片機(jī)44通過控制線62與多通道電磁閥41連接，多通道電磁閥41的通道間切換時間由單片機(jī)44通過控制線62控制。觀測系統(tǒng)接通電源7后，多通道電磁閥41、氣泵42、6 13C分析儀43、單片機(jī)44開始工作，單片機(jī)44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換，多通道電磁閥41通過控制線64控制開關(guān)84連接的觸點(diǎn)91、92或93。當(dāng)多通道電磁閥41切換到采樣管16、17通道時，開關(guān)84連接觸點(diǎn)91，箱蓋12關(guān)閉，三通電磁閥15開啟采樣管16通道，形成排放箱11-氣泵14-三通電磁閥15-采樣管16-多通道電磁閥41-采樣管52-S 13C分析儀43-采樣管51-多通道電磁閥41-采樣管17-采樣管13-排放箱11的氣體回路，開始觀測。經(jīng)過一段時間Tl后，由單片機(jī)44通過控制線63控制開關(guān)81、82、83連通，箱蓋22關(guān)閉，氣泵24開啟；又經(jīng)過一段時間T2后，單片機(jī)44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換到采樣管26、27通道，同時單片機(jī)44通過控制線63控制開關(guān)81、82、83斷開，多通道電磁閥41通過控制線64控制開關(guān)84連接觸點(diǎn)92，箱蓋12打開，三通電磁閥15切換到采樣管13通道，氣泵24關(guān)閉，三通電磁閥25開啟采樣管26通道，形成排放箱21-氣泵24-三通電磁閥25-采樣管26-多通道電磁閥41-米樣管52- 8 13C分析儀43-米樣管51-多通道電磁閥41-米樣管27-采樣管23-排放箱21的氣體回路，開始觀測。經(jīng)過一段時間Tl后，由單片機(jī)44通過控制線63控制開關(guān)81、82、83連通，箱蓋32關(guān)閉，氣泵34開啟；又經(jīng)過一段時間T2后，單片機(jī)44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換到采樣管36、37通道，同時單片機(jī)44通過控制線63控制開關(guān)81、82、83斷開，多通道電磁閥41通過控制線64控制開關(guān)84連接觸點(diǎn)93，箱蓋22打開，三通電磁閥25切換到采樣管23通道，氣泵34關(guān)閉，三通電磁閥35開啟采樣管36通道，形成排放箱31-氣泵34-三通電磁閥35-采樣管36-多通道電磁閥41-采樣管52- 6 13C分析儀43-采樣管51-多通道電磁閥41-采樣管37-采樣管33-排放箱31的氣體回路，開始觀測。經(jīng)過一段時間Tl后，由單片機(jī)44通過控制線63控制開關(guān)81、82、83連通，箱蓋12關(guān)閉，氣泵14開啟；又經(jīng)過一段時間T2后，單片機(jī)44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換到采樣管16、17通道，同時單片機(jī)44通過控制線63控制開關(guān)81、82、83斷開，多通道電磁閥41通過控制線64控制開關(guān)84連接觸點(diǎn)91，箱蓋32打開，三通電磁閥35切換到采樣管33通道，氣泵14關(guān)閉，三通電磁閥15開啟采樣管16通道，完成多通道之間的自動切換與循環(huán)觀測。所述時間Tl、T2，T1+T2為通道間切換的時間，即對每個排放箱進(jìn)行觀測的時間，T2為每個通道氣體的預(yù)混時間，采樣管13、23、33越長，T2越長，氣泵14、24、34功率越小，T2越長。時間Tl、T2根據(jù)觀測需要由單片機(jī)44輸入，并由自動程序控制。所述采樣管13、23、33的口徑大于采樣管16、26、36、17、27、37、51、52的口徑。
所述氣泵14、24、34的功率大于氣泵42的功率。


圖I是本發(fā)明的氣體分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的電路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖中:11、21、31為排放箱，12、22、32 為箱蓋，13、23、33、16、26、36、17、27、37、51、52為采樣管，14、24、34、42為氣泵，15、25、35為三通電磁閥，41為多通道電磁閥，43為8 13C分析儀，44為單片機(jī)，61為數(shù)據(jù)線，62、63、64為控制線，7為電源，81、82、83、84為開關(guān)，91、92,93為觸點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案一種多通道雙循環(huán)土壤碳排放5 13C觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由氣體分析系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)組成。氣體分析系統(tǒng)由排放箱11、21、31，箱蓋12、22、32，采樣管13、23、33、16、26、36、17、27、37、51、52，氣泵 14、24、34、42，三通電磁閥 15、25、35，多通道電磁閥 41，8 13C 分析儀43，單片機(jī)44組成。電路控制系統(tǒng)由電源7，控制線62、63、64，開關(guān)81、82、83、84，觸點(diǎn)91、92、93按照既定電路連接而成。排放箱11上安裝有箱蓋12，排放箱11兩側(cè)開孔，安裝采樣管13形成回路，采樣管13上安裝氣泵14，開啟氣泵14時，氣體在排放箱11和采樣管13內(nèi)循環(huán)。采樣管13上安裝有三通電磁閥15，三通電磁閥15的一個通道與采樣管16連接，采樣管16連接多通道電磁閥41的一個通道，多通道電磁閥41由采樣管52與5 13C分析儀43連接，分析儀43又由采樣管51與多通道電磁閥41連接，采樣管51上安裝氣泵42，多通道電磁閥41的一個通道又由采樣管17連接在采樣管13上，形成氣流回路。由排放箱21、箱蓋22、采樣管23、氣泵24、三通電磁閥25連接形成的循環(huán)回路由采樣管26、27連接在多通道電磁閥41上；由排放箱31、箱蓋32、采樣管33、氣泵34、三通電磁閥35連接形成的循環(huán)回路由采樣管36、37連接在多通道電磁閥41上。并根據(jù)實(shí)際需要增加通道數(shù)量。6 13C分析儀43測定的8 13C數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線61輸送到單片機(jī)44儲存，并由單片機(jī)44通過控制線62與多通道電磁閥41連接，多通道電磁閥41的通道間切換時間由單片機(jī)44通過控制線62控制。觀測系統(tǒng)接通電源7后，多通道電磁閥41、氣泵42、6 13C分析儀43、單片機(jī)44開始工作，單片機(jī)44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換，多通道電磁閥41通過控制線64控制開關(guān)84連接的觸點(diǎn)。當(dāng)多通道電磁閥41切換到采樣管16、17通道時，開關(guān)84連接觸點(diǎn)91，箱蓋12關(guān)閉，三通電磁閥15開啟采樣管16通道，形成排放箱11-氣泵14-三通電磁閥15-米樣管16-多通道電磁閥41-米樣管52- 8 13C分析儀43-米樣管51-多通道電磁閥41-采樣管17-采樣管13-排放箱11的氣體回路，開始觀測。經(jīng)過一段時間Tl后，由單片機(jī)44通過控制線63控制開關(guān)81、82、83連通，箱蓋22關(guān)閉，氣泵24開啟；又經(jīng)過一段時間T2后，單片機(jī)44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換到采樣管26、27通道，同時單片機(jī)44通過控制線63控制開關(guān)81、82、83斷開,多通道電磁閥41通過控制線64控制開關(guān)84連接觸點(diǎn)92，箱蓋12打開，三通電磁閥15切換到采樣管13通道，氣泵24關(guān)閉，三通電磁閥25開啟米樣管26通道,形成排放箱21-氣泵24-三通電磁閥25-米樣管26-多通道電磁閥41-采樣管52- 6 13C分析儀43-采樣管51-多通道電磁閥41-采樣管27-采樣管23-排放箱21的氣體回路，開始觀測。經(jīng)過一段時間Tl后，由單片機(jī)44通過控制線63控制開關(guān)81、82、83連通，箱蓋32關(guān)閉，氣泵34開啟；又經(jīng)過一段時間T2后，單片機(jī)44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換到采樣管36、37通道，同時單片機(jī)44通過控制線63控制開關(guān)81、82、83斷開，多通道電磁閥41通過控制線64控制開關(guān)84連接觸點(diǎn)93，箱蓋22打開，三通電磁閥25切換到采樣管23通道，氣泵34關(guān)閉，三通電磁閥35開啟采樣管36通道，形成排放箱31-氣泵34-三通電磁閥35-米樣管36-多通道電磁閥41-米樣管52- 8 13C分析儀43-采樣管51-多通道電磁閥41-采樣管37-采樣管33-排放箱31的氣體回路，開始觀測。經(jīng)過一段時間Tl后，由單片機(jī)44通過控制線63控制開關(guān)81、82、83連通，箱蓋12關(guān)閉，氣泵14開啟；又經(jīng)過一段時間T2后，單片機(jī)44通過控制線62控制多通道電磁閥41切換到采樣管16、17通道，同時單片機(jī)44通過控制線63控制開關(guān)81、82、83斷開，多通道電磁閥41通過控制線64控制開關(guān)84連接觸點(diǎn)91，箱蓋32打開，三通電磁閥35切換到采樣管33通道，氣泵14關(guān)閉，三通電磁閥15開啟采樣管16通道，完成多通道之間的自動切換與循環(huán)觀測。所述時間Tl、T2，T1+T2為通道間切換的時間，即對每個排放箱進(jìn)行觀測的時間，T2為每個通道氣體的預(yù)混時間，采樣管13、23、33越長，T2越長，氣泵14、24、34功率越小，T2越長。時間Tl、T2根據(jù)觀測需要由單片機(jī)44輸入，并由自動程序控制。所述采樣管13、23、33的口徑大于采樣管16、26、36、17、27、37、51、52的口徑。所述氣泵14、24、34的功率大于氣泵42的功率。本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下幾個方面通過對土壤碳排放、自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸的S 13C觀測，可以為區(qū)分自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸來源提供解決方案；通過對電路開關(guān)的控制，實(shí)現(xiàn)了多通道之間的自動切換與循環(huán)觀測；通過控制待測通道氣體預(yù)混，節(jié)省了每個通道的觀測時間，可以提高觀測效率和
頻率；通過控制待測通道氣體預(yù)混，消除了 “死氣”對觀測結(jié)果的干擾，提高了觀測的準(zhǔn)確性。上述實(shí)施方案的描述僅作為本發(fā)明一種多通道雙循環(huán)土壤碳排放8 13C觀測系統(tǒng) 技術(shù)方案的一種實(shí)施例提出，不作為對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的單一限制條件。
權(quán)利要求
1.一種多通道雙循環(huán)土壤碳排放S 13C觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由氣體分析系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)組成； 氣體分析系統(tǒng)包括排放箱(11)、(21)和(31)，箱蓋(12)、(22)和(32)，采樣管(13)、(23)、(33)、(16)、(26)、(36)、(17)、(27)、(37)、(51)和(52)，氣泵(14)、(24)、(34)和(42)，三通電磁閥(15)、(25)和(35)，多通道電磁閥(41)，δ 13C分析儀(43)，單片機(jī)(44)組成； 電路控制系統(tǒng)包括電源(7)，控制線(62)、(63)和(64)，開關(guān)(81)、(82)、(83)和(84)，觸點(diǎn)(91)、(92)和(93)連接而成。
2.如權(quán)利要求I所述觀測系統(tǒng)，其特征在干 排放箱(11)上安裝有箱蓋(12)，排放箱(11)兩側(cè)開孔，安裝采樣管(13)形成回路，米樣管(13)上安裝氣泵(14),開啟氣泵(14)時,氣體在排放箱(11)和米樣管(13)內(nèi)循環(huán)；采樣管(13)上安裝有三通電磁閥(15)，三通電磁閥(15)的一個通道與采樣管(16)連接，采樣管(16)連接多通道電磁閥(41)的ー個通道，多通道電磁閥(41)由采樣管(52)與S 13C分析儀(43)連接，分析儀(43)又由采樣管(51)與多通道電磁閥(41)連接，采樣管(51)上安裝氣泵(42)，多通道電磁閥(41)的一個通道又由采樣管(17)連接在采樣管(13)上，形成氣流回路； 由排放箱(21)、箱蓋(22)、采樣管(23)、氣泵(24)、三通電磁閥(25)連接形成的循環(huán)回路由采樣管(26)、(27)連接在多通道電磁閥(41)上；由排放箱(31)、箱蓋(32)、采樣管(33)、氣泵(34)、三通電磁閥(35)連接形成的循環(huán)回路由采樣管(36)、(37)連接在多通道電磁閥(41)上； δ 13C分析儀(43)測定的δ 13C數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線(61)輸送到單片機(jī)(44)儲存，并由單片機(jī)(44)通過控制線(62)與多通道電磁閥(41)連接，多通道電磁閥(41)的通道間切換時間由單片機(jī)(44)通過控制線(62)控制。
3.如權(quán)利要求1-2所述觀測系統(tǒng)，其特征在干 接通電源(7)后，多通道電磁閥(41)、氣泵(42)、S13C分析儀(43)、單片機(jī)(44)開始工作，單片機(jī)(44)通過控制線(62)控制多通道電磁閥(41)切換，多通道電磁閥(41)通過控制線(64)控制開關(guān)(84)連接的觸點(diǎn)；當(dāng)多通道電磁閥(41)切換到采樣管(16)、(17)通道時，開關(guān)(84)連接觸點(diǎn)(91)，箱蓋(12)關(guān)閉，三通電磁閥(15)開啟采樣管(16)通道，形成排放箱(11)-氣泵(14)-三通電磁閥(15)-采樣管(16)-多通道電磁閥(41)-采樣管(52)-S13C分析儀(43)-采樣管(51)-多通道電磁閥(41)-采樣管(17)-采樣管(13)-排放箱(11)的氣體回路，開始觀測； 經(jīng)過一段時間Tl后，由單片機(jī)(44)通過控制線(63)控制開關(guān)(81)、(82)、(83)連通，箱蓋(22)關(guān)閉，氣泵(24)開啟；又經(jīng)過一段時間Τ2后，單片機(jī)(44)通過控制線(62)控制多通道電磁閥(41)切換到采樣管(26)、(27)通道，同時單片機(jī)(44)通過控制線(63)控制開關(guān)(81)、(82)、(83)斷開，多通道電磁閥(41)通過控制線(64)控制開關(guān)(84)連接觸點(diǎn)92，箱蓋(12)打開，三通電磁閥(15)切換到采樣管(13)通道，氣泵(24)關(guān)閉，三通電磁閥(25)開啟采樣管(26)通道，形成排放箱(21)-氣泵(24)-三通電磁閥(25)-采樣管(26)-多通道電磁閥(41)-采樣管(52)-S13C分析儀(43)-采樣管(51)-多通道電磁閥(41)-采樣管(27)-采樣管(23)-排放箱(21)的氣體回路，開始觀測；經(jīng)過一段時間Tl后，由單片機(jī)(44)通過控制線(63)控制開關(guān)(81)、(82)、(83)連通，箱蓋(32)關(guān)閉，氣泵(34)開啟；又經(jīng)過一段時間T2后，單片機(jī)(44)通過控制線￠2)控制多通道電磁閥(41)切換到采樣管(36)、(37)通道，同時單片機(jī)(44)通過控制線(63)控制開關(guān)(81)、(82)、(83)斷開，多通道電磁閥(41)通過控制線(64)控制開關(guān)(84)連接觸點(diǎn)(93)，箱蓋(22)打開，三通電磁閥(25)切換到采樣管(23)通道，氣泵(34)關(guān)閉，三通電磁閥(35)開啟采樣管(36)通道，形成排放箱(31)-氣泵(34)-三通電磁閥(35)-采樣管(36)-多通道電磁閥(41)-采樣管52-S13C分析儀(43)-采樣管(51)-多通道電磁閥(41)-采樣管(37)-采樣管(33)-排放箱(31)的氣體回路，開始觀測； 經(jīng)過一段時間Tl后，由單片機(jī)(44)通過控制線(63)控制開關(guān)(81)、(82)、(83)連通，箱蓋(12)關(guān)閉，氣泵(14)開啟；又經(jīng)過一段時間T2后，單片機(jī)(44)通過控制線￠2)控制多通道電磁閥(41)切換到采樣管(16)、(17)通道，同時單片機(jī)(44)通過控制線(63)控制開關(guān)(81)、(82)、(83)斷開，多通道電磁閥(41)通過控制線(64)控制開關(guān)(84)連接觸點(diǎn)(91)，箱蓋(32)打開，三通電磁閥(35)切換到采樣管(33)通道，氣泵(14)關(guān)閉，三通電磁閥(15)開啟采樣管(16)通道，完成多通道之間的自動切換與循環(huán)觀測。
4.如權(quán)利要求3所述觀測系統(tǒng)，其特征在于 時間Tl、T2，T1+T2為通道間切換的時間，即對每個排放箱進(jìn)行觀測的時間，T2為每個通道氣體的預(yù)混時間，采樣管(13)、(23)、(33)越長，T2越長，氣泵(14)、(24)、(34)功率越小，T2越長。
5.如權(quán)利要求1-3任一所述觀測系統(tǒng)，其特征在于 采樣管(13)、(23)、(33)的口徑大于采樣管(16)、(26)、(36)、(17)、(27)、(37)、(51)、(52)的口徑。
6.如權(quán)利要求1-3任一所述觀測系統(tǒng)，其特征在于 氣泵(14)、(24)、(34)的功率大于氣泵(42)的功率。
全文摘要
本發(fā)明涉及生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域，提供一種多通道雙循環(huán)土壤碳排放δ13C觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由氣體分析系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)組成。氣體分析系統(tǒng)包括排放箱、箱蓋、采樣管、氣泵、三通電磁閥、多通道電磁閥、δ13C分析儀、單片機(jī)組成。電路控制系統(tǒng)由包括電源、控制線、開關(guān)、觸點(diǎn)按照既定電路連接而成。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多通道之間的自動切換與循環(huán)觀測，消除了“死氣”對觀測結(jié)果的干擾，節(jié)省了每個通道的觀測時間，提高了土壤碳排放δ13C觀測的效率和準(zhǔn)確性。
文檔編號G01N33/00GK102662034SQ201210168079
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者于貴瑞, 孫曉敏, 張心昱, 溫學(xué)發(fā), 王建林 申請人:中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所