CN111256775B - 一种快速确定有效体积的同化箱系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种快速确定有效体积的同化箱系统及使用方法，同化箱系统包括同化箱、CO₂分析器，同化箱和CO₂分析器之间通过CO₂进气管路和CO₂出气管路连通，同化箱内固设有传感器模块，传感器模块的传感器包括气压、温湿度、光照度传感器；传感器模块通过同化箱侧面密封的小孔连接数据采集/显示模块，同化箱上还设有压力平衡装置和CO₂气体注入装置；CO₂注入装置包括穿板接头和输气装置，穿板接头内部固设密封垫；压力平衡装置包括气压平衡细管，气压平衡细管一端固设在同化箱侧壁、与同化箱内部连通，另外一端连接气球或缓冲瓶。本发明可以保持被测对象正常生理、生态过程的前提下，快速、精确的确定体系中有效作用体积，消除被测对象形状不规则的干扰。

Description

一种快速确定有效体积的同化箱系统及使用方法

技术领域

本发明涉及一种气体通量的测量系统，具体为一种快速确定有效体积的同化箱系统及使用方法。

背景技术

在动物学、植物学和生态学的相关研究中，二氧化碳、甲烷、水蒸气等气体通量是基本的测量指标，这些指标的测量对研究生物(动植物、微生物等)能量代谢及物质循环等方面具有重要意义。当前测量气体通量最常用的方法为闭路式的同化箱法，通过相应的气体分析器测定同化箱内的气体浓度，以一定时间内气体浓度的变化值来计算被测对象的气体通量。同化箱广泛用于室内的控制实验及野外的原位测量实验：如昆虫、鸟类及哺乳动物的呼吸速率测量、盆栽植物的光合/呼吸/蒸腾测量、土壤微生物的气体通量测量以及野外群落温室气体通量的原位测量等。

科研工作者应用同化箱法的过程中，根据科研的特殊需求可对同化箱进行改进或扩展，如实现自动化控制或多路控制，提高仪器的使用效率同时节约人力成本，或适应具体科研或教学工作中的特殊目的需求等。虽然同化箱法已为科研工作者广泛使用，并获得了大量的成果，然而，当前针对该方法的应用仍然普遍存在以下问题：1.同化箱使用过程中，科研工作者往往忽略被测对象(动物、植物、土壤样品及其容器等)自身的体积，置入被测对象后同化箱系统的实际作用体积被高估，最终导致气体通量测量值与实际值相比偏高，而高估量取决于被测对象与同化箱系统的体积比。2.同化箱系统的实际体积由多个组分构成，对同化箱体积的精确计算造成困难，或将耗费大量的时间或精力，降低科研工作的效率和测量结果的可靠性。

同化箱系统的实际作用体积，传统方法一般以下式精确计算：V＝V_a+V_c+V_b-V_m，式中V：同化箱系统的实际体积；V_a：分析器模块体积；V_c：管路体积；V_b：同化箱箱体体积；V_m：被测对象占用的体积。虽然V_b和V_c可以在测量前测量的计算，但V_a和V_m的精确计算难度颇大。例如，分析器模块需要气泵驱动，气泵前后管路和分析器内部空气存在正压或负压，与同化箱的气压不一致，使V_a难以精确确定；被测对象的形状往往不规则，测量和计算其体积(V_m)费时费力，且易对被测对象的气体通量造成影响。

综上所述，生物学及生态学等相关领域亟需开发或改进一种快速、精确地确定实际体积的同化箱系统及方法，以提高科研的工作效率及测量结果的可靠性。

发明内容

为解决以上现有问题，本发明基于“摩尔定律”(同温同物质的量)的原理，以CO₂通量的测定为例，提供了一种快速、精确确定同化箱体系体积的系统及其使用方法。本发明通过以下技术方案实现。

一种快速确定有效体积的同化箱系统，包括同化箱、CO₂分析器，所述同化箱和CO₂分析器之间通过CO₂进气管路和CO₂出气管路连通，所述同化箱内固设有传感器模块，所述传感器模块的传感器包括气压、温湿度、光照度传感器；所述传感器模块通过同化箱侧面密封的小孔连接数据采集/显示模块，所述同化箱上还设有压力平衡装置和CO₂气体注入装置；所述CO₂气体注入装置包括穿板接头和输气装置，所述穿板接头内部固设密封垫；所述压力平衡装置包括气压平衡细管，所述气压平衡细管一端固设在所述同化箱侧壁、与同化箱内部连通，另外一端连接有气球或缓冲瓶。

优选的，所述同化箱为密封的圆桶形或方形箱体，同化箱上设顶开、侧开或下开的密封盖，密封盖和箱体间通过密封条、密封胶或水槽密封。

优选的，所述同化箱顶板设有两个快插接头，分别与所述CO₂进气管路和CO₂出气管路相连。

优选的，所述输气装置为注射针筒，注射针通过细针头穿过穿板接头中的密封垫，完成定量体积的CO₂注入。

优选的，所述穿板接头在同化箱内部短开口连接有延长管，所述延长管延长至同化箱底部。

优选的，所述穿板接头相邻位置的同化箱内壁安装混匀风扇，保证同化箱内的气体快速混匀。

优选的，所述CO₂分析器为非色散红外吸收法检测CO₂浓度，内置循环泵或外部串联循环泵，采样记录的频率不低于1Hz。

一种包括上述快速确定有效体积的同化箱系统的使用方法，包括以下步骤：

a)所有装置通电并预热完成后，将被测对象放入同化箱，密闭同化箱；

b)待CO₂变化斜率稳定后，开始记录分析器和传感器的数据；

c)记录数据至斜率稳定，通过CO₂气体注入装置精确注入已知体积的纯CO₂；

d)继续记录数据，至CO₂变化斜率趋于稳定；

e)根据记录的数据，通过微型电脑即时计算或通过人工处理精确计算同化箱系统的实际体积，并进一步计算被测物的CO₂通量。

更优选的，注入CO₂前同化箱内CO₂浓度接近环境CO₂浓度，注入后CO₂浓度增量介于50-500ppm之间。

更优选的，注入CO₂前CO₂浓度对时间进行拟合：y＝ax+b₁；注入CO₂且斜率稳定后的数据，以注入前的斜率进行拟合：y＝ax+b₂；CO₂浓度增量即为(b₂-b₁)。

本发明的有益效果：

本发明一种快速确定有效体积的同化箱系统及使用方法本发明可以在保持被测对象正常生理、生态过程的前提下，快速、精确的确定体系中的有效作用体积，且消除由于被测对象形状不规则带来的干扰，保证进一步的气体通量计算结果更加科学、可靠。该发明以在测量CO₂通量过程(如植物净光合、动植物及土壤的净呼吸等)中操作，也可以独立使用，即仅用于确定同化箱或同化箱内受测对象的实际作用体积。

本发明一种快速确定有效体积的同化箱系统及使用方法适用于通量特征为净呼吸、净光合或者零通量的同化系统。

附图说明

图1为本发明具体实施例1一种快速确定有效体积的同化箱系统整体结构示意图；

图2为本发明具体实施例1同化箱系统内被测对象为零通量时的数据图实例；

图3为本发明具体实施例1同化箱系统内被测对象为净光合时的数据图实例；

图4为本发明具体实施例1同化箱系统同化箱内被测对象为净呼吸时的数据图实例。

其中：1、CO₂分析器；101、空气过滤器；102、CO₂进气管路；103、CO₂出气管路；2、同化箱；201、同化箱顶板；202、混匀风扇；301、传感器模块；302、数据采集/显示模块；401、气压平衡细管；402、气球；5、穿板接头；6、被测对象。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作更为详细、完整的说明。

具体实施例1

一种快速确定有效体积的同化箱系统，圆桶形包括同化箱2、CO₂分析器1，同化箱顶板201上设有两个快插接头，分别连接有CO₂进气管路102和CO₂出气管路103，进气管路102和CO₂出气管路103的端部分别于CO₂分析器1固接。进气管路102上还设置有空气过滤器101，可对从同化箱2到CO₂分析器1的气体进行过滤。

同化箱顶板201上设置CO₂气体注入装置，CO₂气体注入装置包括设置在顶板201上的穿板接头5和输气装置，本实施例中穿板接头5内部固设密封垫，输气装置为注射针筒，注射针通过细针头穿过穿板接头中的密封垫，完成定量体积的CO₂注入。

同化箱2侧壁内部固设有传感器模块301，传感器模块301的传感器包括气压、温湿度、光照度传感器，传感器线缆通过小孔穿出，连接有固设在同化箱2外侧壁的数据采集/显示模块302，记录或显示数值。

同化箱2上还设有压力平衡装置，压力平衡装置包括气压平衡细管401，气压平衡细管401一端固设在同化箱2侧壁、与同化箱内部连通，另外一端连接有气球402。

本实施例中同化箱的顶板201为同化箱的顶盖，顶盖和同化箱之间通过密封条、密封胶或水槽密封。

同化箱顶板201上与穿板接头5相邻位置的内壁安装混匀风扇202，保证同化箱内的气体快速混匀。

本实施例中的CO₂分析器为非色散红外吸收法检测CO₂浓度。

同化箱为外径20cmm、外高30cm(含顶盖)的圆柱形透明亚克力箱，顶盖与箱体间以泡沫棉密封；采用的CO₂分析器含内置泵，流速为0.75L/min，设置记录频率2Hz；传感器模块包括温湿度传感器、气压传感器和光照度传感器；注入的CO₂(纯度99.9％，即0.999*10⁶ppm)体积为3.00ml；混匀风扇为5*5*1cm的透明风扇，风扇用长螺丝固定，与顶盖距离约2cm。

本实施例同化箱系统具体操作步骤如下：

a)连接管路，对CO₂分析器、传感器模块及混匀风扇进行上电预热10分钟；

b)打开同化箱顶盖，放入被测对象(分别为实心不规则箱体、含植物的花盆(同时用植物生长灯补光)、不含植物的花盆)并盖上顶盖；

c)观察CO₂变化曲线，平衡约30秒后，开始记录数据；

d)记录60s数据后，用注射器通过穿板接头的注入孔注入CO₂；

e)继续记录至约130s数据，可见注入CO₂后约10s内即恢复平衡；

f)对前60s的数据进行回归，并将斜率用于平衡后数据的回归；

g)计算同化箱实际体积和CO₂通量。

本实施例具体计算步骤如下：

注入CO₂前CO₂浓度对时间的拟合方程：y＝ax+b₁；

注入CO₂且斜率稳定后的拟合方程：y＝ax+b₂；

CO₂浓度增量：△C＝(b₂-b₁)；

同化箱系统实际体积：V＝V′*C′/△C，其中，注入CO₂的体积V′＝3.00ml；注入CO₂的体积浓度C′＝0.999*10⁶ppm；

CO₂通量：Flux＝n*△C/△t＝P*V/(R*T)*a，其中，n为同化箱系统中所有气体的物质的量；V为同化箱系统实际体积；a为拟合斜率(单位ppm s^-1)；理想气体常数R＝8.314Pam³ mol^-1K^-1；根据测量结果，气压P＝84139Pa，绝对温度T＝300.15K；

根据本实施例中所用的同化箱系统配置及测量参数，图2显示了同化箱内被测对象(实心不规则箱体)为零通量时的数据图实例；

图中：V＝3.00*0.999*10⁶/(847.69-502.54)＝8683ml。

根据本实施例中所用的同化箱系统配置及测量参数，图3显示了同化箱内被测对象(含植物的花盆，同时用植物生长灯补光)为净光合时的数据图实例；

图中：V＝3.00*0.999*10⁶/(1043.09-634.78)＝7340ml＝0.00734m²；

Flux＝84139*0.00734/(8.314*300.15)*(-0.21)＝-0.052μmol CO₂ s^-1。

根据本实施例中所用的同化箱系统配置及测量参数，图4显示了同化箱内被测对象(不含植物的花盆)为净呼吸时的数据图实例；

图中：V＝3.00*0.999*10⁶/(1070.07-656.95)＝7255ml＝0.007255m²；

Flux＝84139*0.007255/(8.314*300.15)*0.14＝0.034μmol CO₂ s^-1。

显然，所描述的实施例仅是本发明的个别实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种快速确定有效体积的同化箱系统，包括同化箱、CO₂分析器，所述同化箱和CO₂分析器之间通过CO₂进气管路和CO₂出气管路连通，所述同化箱内固设有传感器模块，所述传感器模块通过同化箱侧面密封的小孔连接数据采集/显示模块，其特征在于：

所述同化箱上还设有压力平衡装置和CO₂气体注入装置；

所述CO₂气体注入装置包括穿板接头和输气装置，所述穿板接头内部固设密封垫；

所述压力平衡装置包括气压平衡细管，所述气压平衡细管一端固设在所述同化箱侧壁、与同化箱内部连通，另外一端连接有气球或缓冲瓶

所述传感器模块的传感器包括气压、温湿度、光照度传感器。

2.根据权利要求1所述的一种快速确定有效体积的同化箱系统，其特征在于：所述同化箱为密封的圆桶形或方形箱体，同化箱上设顶开、侧开或下开的密封盖，密封盖和箱体间通过密封条、密封胶或水槽密封。

3.根据权利要求1所述的一种快速确定有效体积的同化箱系统，其特征在于：所述同化箱顶板设有两个快插接头，分别与所述CO₂进气管路和CO₂出气管路相连。

4.根据权利要求1所述的一种快速确定有效体积的同化箱系统，其特征在于：所述输气装置为注射针筒，注射针通过细针头穿过穿板接头中的密封垫，完成定量体积的CO₂注入。

5.根据权利要求1所述的一种快速确定有效体积的同化箱系统，其特征在于：所述穿板接头在同化箱内部短开口连接有延长管，所述延长管延长至同化箱底部。

6.根据权利要求1所述的一种快速确定有效体积的同化箱系统，其特征在于：所述穿板接头相邻位置的同化箱内壁安装混匀风扇，保证同化箱内的气体快速混匀。

7.根据权利要求1所述的一种快速确定有效体积的同化箱系统，其特征在于：所述CO₂分析器为非色散红外吸收法检测CO₂浓度，内置循环泵或外部串联循环泵，采样记录的频率不低于1Hz。

8.一种权利要求1所述快速确定有效体积的同化箱系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)所有装置通电并预热完成后，将被测对象放入同化箱，密闭同化箱；

b)待CO₂变化斜率稳定后，开始记录分析器和传感器的数据；

c)记录数据至斜率稳定，通过CO₂气体注入装置精确注入已知体积的纯CO₂；

d)继续记录数据，至CO₂变化斜率趋于稳定；

e)根据记录的数据，通过微型电脑即时计算或通过人工处理精确计算同化箱系统的实际体积，并进一步计算被测物的CO₂通量。

9.权利要求8所述的一种快速确定有效体积的同化箱系统的使用方法，其特征在于：注入CO₂前同化箱内CO₂浓度接近环境CO₂浓度，注入后CO₂浓度增量介于50-500ppm之间。

10.权利要求8所述的一种快速确定有效体积的同化箱系统的使用方法，其特征在于：注入CO₂前CO₂浓度对时间进行拟合：y＝ax+b₁；注入CO₂且斜率稳定后的数据，以注入前的斜率进行拟合：y＝ax+b₂；CO₂浓度增量即为(b₂-b₁)。

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