专利摘要

本实用新型公开了一种土壤碳通量及其同位素通量验证系统，包括能控制气体流出速率的标准气瓶和与标准气瓶连接的三通阀，标准气瓶与三通阀的第一接口连接，三通阀的第二接口连接能控制注射速率的注射装置，三通阀的第三接口连接有底部设有土壤环的呼吸室。通过三通阀连接能控制气体流出速率的标准气瓶、控制注射速率的注射装置和可密闭的呼吸室，通过控制气体流速和浓度等，即可准确计算验证系统的排放通量。将箱式通量观测系统实际观测得到的实测通量与通过本实用新型计算生成的模拟通量进行对比分析，即可判断箱式通量观测系统的精度和准度，进而验证箱式通量观测系统的设计是否满足理论要求和假设。

权利要求

1.一种土壤碳通量及其同位素通量验证系统，其特征在于，包括能控制气体流出速率的标准气瓶和与标准气瓶连接的三通阀，标准气瓶与三通阀的第一接口连接，三通阀的第二接口连接能控制注射速率的注射装置，三通阀的第三接口连接有底部设有土壤环的呼吸室，标准气瓶可向注射装置供气，注射装置可向呼吸室供气。

2.根据权利要求1所述的一种土壤碳通量及其同位素通量验证系统，其特征在于，所述标准气瓶的出口设有减压阀。

3.根据权利要求1所述的一种土壤碳通量及其同位素通量验证系统，其特征在于，所述注射装置包括底座、与底座滑动连接的推动块和注射器，所述注射器包括筒体和推杆，所述筒体固定连接在底座上，推杆通过推动块向前推动。

4.根据权利要求3所述的一种土壤碳通量及其同位素通量验证系统，其特征在于，所述推动块固定连接有连杆，所述连杆上固定连接有螺母，所述螺母内设有与螺母配合使用的螺杆，所述螺杆轴向连接有驱动电机。

5.根据权利要求4所述的一种土壤碳通量及其同位素通量验证系统，其特征在于，所述驱动电机电性连接有调节转速的控制器。

6.根据权利要求1所述的一种土壤碳通量及其同位素通量验证系统，其特征在于，所述土壤环底部密封连接有PVC板，所述PVC板开设有开口，所述开口与三通阀的出口连接。

7.根据权利要求1所述的一种土壤碳通量及其同位素通量验证系统，其特征在于，所述标准气瓶为CO2标准气瓶。

8.根据权利要求1所述的一种土壤碳通量及其同位素通量验证系统，其特征在于，所述三通阀为两位三通电磁阀。

说明书

技术领域

本实用新型涉及温室气体通量观测研究技术领域，特别涉及一种土壤碳通量及其同位素通量验证系统。

背景技术

土壤生物化学过程温室气体(CO2和δ13C等)产生与输送是生态系统评价的关键过程参数。需要解决土壤生物化学过程CO2和δ13C产生与输送的野外原位观测的客观仪器需求，其监测数据可服务于脆弱生态系统土壤功能特征的评估。

箱式通量观测技术和方法由于原理简单且操作方便而在土壤、植物乃至生态系统尺度温室气体通量观测研究中得到广泛应用。随着稳定同位素红外光谱技术的进步，箱式通量观测技术和方法逐渐从早期的静态箱-碱液吸收滴定和静态箱-气象色谱测定等人工离线测定模式，发展到目前通常采用的自动箱-红外光谱测定等自动在线测定模式。

目前已有的土壤CO2和δ13C箱式通量观测系统主要包括非稳态系统和稳态系统两种，且多为研究者自制，通常缺乏对观测系统设计的理论要求和假设等问题的综合考虑和评价，首先如何保证系统测定数据的精度和准确度，即保证系统气密性及气体混合、箱体内外气体浓度和压力保持一致等；其次如何保证系统测定数据的代表性，即待测气体的产生和运输不受影响等。

如何保证观测数据质量是箱式通量观测系统应用的前提和限制因素，同时，“生态观测技术与方法”是国家自然科学基金委员会生命学部生态学(代码C0309生态学理论与方法)的重要资助研究方向。本研究紧密围绕生态观测技术与方法这一核心，开展土壤碳通量及其同位素通量连续观测技术和方法研究，研制“土壤碳通量及其同位素通量连续观测技术和方法的验证系统”，是服务于生态系统碳循环研究的基础性和前瞻性研究。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种土壤碳通量及其同位素通量验证系统，以解决上述的现有技术中存在的问题。本实用新型采用如下技术方案：

一种土壤碳通量及其同位素通量验证系统，包括能控制气体流出速率的标准气瓶和与标准气瓶连接的三通阀，标准气瓶与三通阀的第一接口连接，三通阀的第二接口连接能控制注射速率的注射装置，三通阀的第三接口连接有底部设有土壤环的呼吸室，标准气瓶可向注射装置供气，注射装置可向呼吸室供气。

进一步的，所述标准气瓶的出口设有减压阀。

进一步的，所述注射装置包括底座、与底座滑动连接的推动块和注射器，所述注射器包括筒体和推杆，所述筒体固定连接在底座上，推杆通过推动块向前推动。

进一步的，所述推动块固定连接有连杆，所述连杆上固定连接有螺母，所述螺母内设有与螺母配合使用的螺杆，所述螺杆轴向连接有驱动电机。

进一步的，所述驱动电机电性连接有调节转速的控制器。

进一步的，所述土壤环底部密封连接有PVC板，所述PVC板开设有开口，所述开口与三通阀的出口连接。

进一步的，所述标准气瓶为CO2标准气瓶。

进一步的，所述三通阀为两位三通电磁阀

本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型通过三通阀连接能控制气体流出速率的标准气瓶、控制注射速率的注射装置和可密闭的呼吸室，通过控制气体流速和浓度等，即可准确计算验证系统的排放通量。将箱式通量观测系统实际观测得到的实测通量与通过本实用新型计算生成的模拟通量进行对比分析，即可判断箱式通量观测系统的精度和准度，进而验证箱式通量观测系统的设计是否满足理论要求和假设。

2、本实用新型的注射装置通过控制器改变驱动电机转速控制螺杆转速，螺杆转动时带动螺母移动，进而通过连杆推动推动块和推杆来控制注射速率，此结构制作方便，控制精度高，操作便捷。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的气体流向示意图。

图中所示：1-CO2标准气瓶，2-两位三通电磁阀，3-呼吸室，4-固定架，5-注射器，6-推动块，7-控制器，8-土壤环，9-螺母，10-螺杆，11-底座，12-驱动电机，13-连杆。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，但是本领域技术人员应当理解，下文所述的实施例仅用于说明本发实用新型，而不应视为限制本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，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他实例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种土壤碳通量及其同位素通量验证系统，包括能控制气体流出速率的CO2标准气瓶1和与CO2标准气瓶1连接的三通阀，本实施例中三通阀采用两位三通电磁阀2，CO2标准气瓶1与两位三通电磁阀2的第一接口连接，CO2标准气瓶1的出口设有减压阀，两位三通电磁阀2的第二接口连接能控制注射速率的注射装置。

土壤环8为圆筒型，高度为8.0cm，直径17.9cm，底部密封连接有PVC板，PVC板开设有开口，开口与两位三通电磁阀2的第三接口连接。

注射装置包括底座11、与底座滑动连接的推动块6和注射器5，注射器5规格为60mm，其内径为29.1mm，有效行程89.96mm。注射器5包括筒体和推杆，筒体通过固定架4固定连接在底座11上，推杆通过推动块6向前推动。推动块6固定连接有连杆13，连杆13上固定连接有螺母9，螺母9内设有与螺母9配合使用的螺杆10，螺杆10轴向连接有驱动电机12。驱动电机12驱动螺杆10转动，螺杆10转动带动螺母9移动，同时带动推动块6与推杆一同移动。驱动电机12电性连接有控制器7，通过控制器7能调节驱动电机12的转速进而调节推杆的移动速度。

如图2所示，先断开土壤环8底部的开口，将CO2标准气瓶1与注射器5连通，CO2标准气瓶1中的气体流入注射器5内，注射器5内装完气体后断开CO2标准气瓶1，连通土壤环8底部的开口，将注射器5与呼吸室3连通，通过推动推杆将注射器5内的气体注入呼吸室3内。

使用本实施例中的验证系统验证操作过程如下：

验证系统的功能主要包括零通量和模拟通量测试两种。通过设置不同的标准气体抽取体积和分配次数等，可生成不同排放速率的CO2，进而进行实测通量测试。

1、零通量测试

将箱法观测系统安装连接，开启箱法观测系统，设定每个呼吸室测试时长为300s，待系统正常运行后，开始记录数据(验证系统暂不运行)；12个呼吸室用于零通量测试，重复3-4次，记录相关数据。

2、模拟通量测试

使用实施例中的验证系统，呼吸室连接外置的分析系统，采用相对浓度为0.03％的CO2标气，抽取气体体积分别为50ml、50ml、50ml和60ml，分配时间分别为16、8、4、3.3min，相应产生的模拟通量分别为2.5、5、10、15μmol m-2s-1，采用箱法观测系统进行实际测定，计算实测CO2通量及其同位素通量。

3、碳通量及其碳同位素计算方法

(1)验证系统碳通量计算方法

通过将已知CO2浓度的钢瓶气注入注射器的注射器(60ml)内，根据所需气体流速，设置注射器内气体排空所需时间，连续3次注入-排空操作，第4次注射完成后，验证系统即开展正常工作。呼吸室底部密封，但底部留有一个进开口，将注射器出气口与开口相连，分别进行零通量和模拟通量测试。验证系统碳通量计算公式如下：

其中，F为排放通量，单位μmol m-2s-1；v为注射器设定速率，单位：L s-1；C为气体浓度百分比(％)；P0为标准大气压101.3，单位：kPa；V0为理想气体体积22.414，单位：L；P1为实测大气压，单位kPa；T0为理想气体温度273.15，单位：K；T1为空气温度，单位：K；S为呼吸室面积，单位：m2；106为将mol转换为μmol。

(2)箱法观测系统碳通量计算方法

箱法观测系统碳通量计算公式如下：

其中，Fc为土壤被测气体通量，单位为μmol m-2s-1；V为系统内部总体积，单位为cm3；P0为呼吸室初始气压(前10s数据线性方程截距)，单位为kPa；W0为呼吸室初始水汽浓度(前10s数据线性方程截距)，单位为mmol mol-1；R为普朗克常数，单位为8.314Pa m3(kmol)-1；S为土壤测量面积，单位为cm2；T0为呼吸室初始气温(前10s数据线性方程截距)，单位为℃； 为水校正后干被测量气体的排放速率，单位为1(μmol·s)-1。

(3)δ13C通量计算方法说明

δ13C通量计算方法主要包括Keeling plot(KP)模型和Flux ratio(FR)模型两种方法。

a.Keeling plot(KP)模型

KP模型(Keeling,1958)假设：(1)观测期内本底大气CO2浓度和δ13C值不发生变化；(2)观测期内呼吸室内混合大气CO2浓度和δ13C值的两种来源的贡献比例不发生变化，若有第三种来源则需要满足其相对于前两种来源的贡献比例不变。可表达为：

CR＝Ca+Cs 公式(3)

其中，CR、Ca、Cs分别为呼吸室内混合空气CO2浓度、本底大气CO2浓度、源增加的CO2浓度。根据同位素质量守恒定律，可得：

δRCR＝δaCa+δsCs 公式(4)

其中，δR、δa、δs分别为呼吸室内混合空气、本底大气和源增加的CO2的δ13C。由公式(3)和公式(4)式可得：

δR＝Ca(δa-δs)(1/CR)+δs 公式(5)

其中，1/CR为自变量，δR为因变量，方程的截距为土壤系统呼吸δ13CR值。

b.Flux ratio(FR)模型

FR模型是根据通量-梯度(flux-gradient)理论获得13CO2和12CO2通量的比值，根据通量观测计算不同同位素的通量比值：

其中，F13CO2和F12CO2分别为12CO2和13CO2的同位素通量，RVPDB＝0.0111797。由方程(6)可计算土壤呼吸δ13CR值。

(4)验证系统实测结果说明

通过验证系统产生不同的碳排放通量，主要包括零通量和模拟通量测试，同时采用非稳态箱法系统进行实际观测，结果表明，实测碳通量与验证系统的模拟通量结果相当。

1.零通量测试：分别对12个呼吸室分别进行零通量测试，重复4次，共测试48组数据，结果显示，测定获得的零通量数据绝对值介于0.0001-0.061μmol m-2s-1之间(表1)。

2.表1零通量测试结果

2.模拟通量测试：CO2通量4次重复标准偏差基本介于0.09-0.30umol m-2s-1之间(表2)。

表2模拟通量理论值、实测值、精度和准度

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内,可以利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

一种土壤碳通量及其同位素通量验证系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。