本發(fā)明涉及陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種高頻率連續(xù)監(jiān)測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間氣態(tài)物質(zhì)交換通量的箱式法物質(zhì)通量自動(dòng)觀測(cè)的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

氣候變化與人類活動(dòng)劇烈影響陸地生態(tài)系統(tǒng)(森林、草地、荒漠、濕地和農(nóng)田)，作為人類生存環(huán)境主體的陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)這種雙重影響產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?，陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間物質(zhì)交換過程正是這種疊加影響與反饋?zhàn)饔玫耐緩?，深入研究陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間氣態(tài)物質(zhì)(溫室氣體、氣態(tài)活性碳氮成分、水汽、氣態(tài)污染物等)交換是正確認(rèn)知?dú)夂蜃兓绊憽⒔鉀Q環(huán)境污染問題和提出科學(xué)性適應(yīng)策略的前提基礎(chǔ)。陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間氣態(tài)物質(zhì)交換通量以下簡(jiǎn)稱地氣交換通量，即單位時(shí)間內(nèi)通過陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣界面單位面積的氣態(tài)物質(zhì)質(zhì)量。密閉箱法是測(cè)量地氣交換通量最主要的方法其原理是采用密閉箱體覆蓋于土壤―植被體系之上，通過測(cè)定密閉箱體內(nèi)氣態(tài)物質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化速率來(lái)計(jì)算陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣界面物質(zhì)的交換速率(即地氣交換通量)。當(dāng)前密閉箱法地氣交換通量觀測(cè)研究基本采用間歇式低頻人工觀測(cè)方法(如每周觀測(cè)1～2次)，人工觀測(cè)的缺點(diǎn)是顯而易見的，需要投入大量的人力和時(shí)間進(jìn)行采樣分析工作，采樣隨機(jī)誤差導(dǎo)致地氣交換總量估算具有較大偏差，更為重要的是地氣交換通量具有極高的日、季節(jié)和年際變異特征，氣候變化和人類活動(dòng)影響往往是隨機(jī)發(fā)生又即刻顯現(xiàn)的，間歇式低頻人工觀測(cè)無(wú)法在野外進(jìn)行高頻率連續(xù)監(jiān)測(cè)，因而無(wú)法準(zhǔn)確刻畫和度量地氣交換通量的時(shí)間變異規(guī)律、周年累積交換量、以及氣候變化和人類活動(dòng)影響。

陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間氣態(tài)物質(zhì)交換過程顯著影響大氣中溫室氣體、碳氮活性成分、水汽和污染物的濃度，但當(dāng)前全球陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間物質(zhì)交換過程及其對(duì)大氣溫室效應(yīng)和大氣污染的影響和調(diào)節(jié)功能研究仍然薄弱，主要原因在于陸地生態(tài)系統(tǒng)的多樣性以及陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間物質(zhì)交換過程的復(fù)雜性與強(qiáng)烈的時(shí)空變異性，以往以間歇式人工觀測(cè)為主的觀測(cè)方法受人力資源和環(huán)境條件所限，無(wú)法長(zhǎng)周期高頻率準(zhǔn)確度量陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間物質(zhì)交換的時(shí)間變異規(guī)律和周年累計(jì)交換總量，導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)源匯強(qiáng)度估算存在巨大的不確定性。

發(fā)展基于密閉箱法原理的自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)，可以很好的表征地氣交換通量的時(shí)間變異規(guī)律，解決間歇式低頻人工觀測(cè)結(jié)果隨機(jī)誤差大、時(shí)間代表性差的問題。國(guó)內(nèi)外在基于密閉箱法原理的地氣交換通量自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)研發(fā)方面做了一些嘗試，較常用的間歇式低頻人工觀測(cè)已取得一定的進(jìn)步，然而，在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)具有如下缺陷：(1)觀測(cè)物質(zhì)種類單一，缺乏多種物質(zhì)組分的集成觀測(cè)技術(shù)，無(wú)法識(shí)別不同物質(zhì)排放過程之間的協(xié)同或消長(zhǎng)關(guān)系。(2)缺乏對(duì)環(huán)境影響要素的綜合觀測(cè)，無(wú)法對(duì)環(huán)境因子影響進(jìn)行定量評(píng)估和校正計(jì)算，更無(wú)法從機(jī)制機(jī)理上闡明氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)地氣交換過程的影響。(3)未能解決密閉箱長(zhǎng)期關(guān)箱、采樣測(cè)量對(duì)溫濕度、植物生長(zhǎng)、微生物活性、土壤結(jié)構(gòu)和大氣壓力等環(huán)境條件的影響，地氣交換通量測(cè)量結(jié)果誤差大、代表性差。(4)關(guān)箱期間低頻次(2～3次)測(cè)量氣態(tài)物質(zhì)濃度變化，無(wú)法捕捉密閉箱體內(nèi)氣體物質(zhì)濃度累積的非線性特征，因此，不得不采用線性擬合計(jì)算累積交換速率，顯著低估實(shí)際地氣交換通量水平。(5)未考慮高緯度高海拔地區(qū)和多種生態(tài)系統(tǒng)的適用性，無(wú)法進(jìn)行全時(shí)域和地區(qū)觀測(cè)，系統(tǒng)通用性和穩(wěn)定性差，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)。(6)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、耗電量大、集成度低，配套軟件(如通量數(shù)據(jù)處理程序、操作維護(hù)說(shuō)明書、野外監(jiān)測(cè)規(guī)范等)不健全，難于普及推廣和在野外惡劣環(huán)境下運(yùn)行。因此，當(dāng)前亟待研發(fā)新型“箱式法物質(zhì)通量自動(dòng)觀測(cè)的系統(tǒng)及方法”，以降低觀測(cè)過程對(duì)環(huán)境條件的影響，實(shí)現(xiàn)全時(shí)域和地域?qū)Χ喾N物質(zhì)的地氣交換通量和環(huán)境因子進(jìn)行高頻連續(xù)集成觀測(cè)，降低系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境要求，使其高度簡(jiǎn)化和集成，便于野外運(yùn)行維護(hù)，進(jìn)而為生物地球化學(xué)循環(huán)、溫室氣體減排和污染物調(diào)控研究提供先進(jìn)技術(shù)方法和長(zhǎng)周期高頻率高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)集。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種箱式法物質(zhì)通量自動(dòng)觀測(cè)的系統(tǒng)及方法，能夠高頻連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間氣態(tài)物質(zhì)交換通量，實(shí)現(xiàn)全時(shí)域和地域?qū)Χ喾N物質(zhì)組分的交換通量及環(huán)境因子高頻、連續(xù)、集成測(cè)量，解決現(xiàn)有手動(dòng)和自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)劇烈影響環(huán)境條件、通用性差、以及測(cè)量數(shù)據(jù)不連續(xù)、代表性差和誤差大的問題，因此將顯著提高陸地生態(tài)系統(tǒng)氣態(tài)物質(zhì)地氣交換通量測(cè)量水平與測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種箱式法物質(zhì)通量自動(dòng)觀測(cè)的系統(tǒng)，其特征在于，包括：主管路、N個(gè)測(cè)量通路、主控單元、分析單元以及信息單元，在N個(gè)測(cè)量通路中，對(duì)于每一測(cè)量通路，包括：觀測(cè)箱，放置在待測(cè)區(qū)域，其中，N≥1，通過管路連接至測(cè)量主管路中；主控單元包括：N個(gè)第一兩位兩通電磁閥，分別設(shè)置于所述N個(gè)測(cè)量通路中；分析單元與所述主控單元相連接，用于對(duì)氣體樣品組分含量進(jìn)行測(cè)定；以及信息單元控制主控單元執(zhí)行以下操作：控制選定測(cè)量通路的觀測(cè)箱關(guān)閉、控制所述選定測(cè)量通路中的第一兩位兩通電磁閥打開、以及控制所述選定測(cè)量通路的氣體樣品輸送至分析單元，分析單元測(cè)定氣態(tài)組分含量。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種箱式法物質(zhì)通量自動(dòng)觀測(cè)方法，包括：令第二兩位兩通電磁閥打開、第三兩位三通電磁閥的第二和第三端聯(lián)通，標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)氣路進(jìn)入第二分析模塊；令第一兩位三通電磁閥的第二和第三端聯(lián)通、第二兩位三通電磁閥的第一和第三端聯(lián)通、第三兩位兩通電磁閥打開，采集環(huán)境空氣為電子除水器排水；令中間繼電器正向供電，箱蓋蓋合于箱體上；令第一兩位兩通電磁閥打開，第一兩位三通電磁閥的第一和第三端聯(lián)通，對(duì)密閉式箱體內(nèi)氣體樣品進(jìn)行依次自動(dòng)采樣，游標(biāo)刻度針閥調(diào)節(jié)氣體樣品采集流速滿足儀器進(jìn)樣量要求，第二兩位三通電磁閥的第一和第二端聯(lián)通，采集的氣體樣品經(jīng)氣路進(jìn)入第一分析模塊，第二兩位三通電磁閥的第一和第三端聯(lián)通、第三兩位三通電磁閥的第一和第二端聯(lián)通，采集的氣體樣品經(jīng)氣路進(jìn)入第二分析模塊；令分析單元對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體和氣體樣品的組分含量進(jìn)行依次測(cè)定，將測(cè)定結(jié)果傳輸并存儲(chǔ)至信息單元；令環(huán)境因子測(cè)量單元對(duì)密閉式箱體內(nèi)外環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，信息單元控制環(huán)境因子測(cè)量單元各種傳感器的供電時(shí)間，按設(shè)定頻率采集和記錄環(huán)境參數(shù)并用于通量的校正計(jì)算；令信息單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和質(zhì)量控制，得到氣態(tài)物質(zhì)地氣交換通量。

本發(fā)明“箱式法物質(zhì)通量自動(dòng)觀測(cè)的系統(tǒng)及方法”可以實(shí)現(xiàn)高頻(逐時(shí))、連續(xù)(多年際)刻畫地氣交換通量的時(shí)間變異規(guī)律，捕捉各種人為和環(huán)境要素隨機(jī)和快速的影響，降低對(duì)環(huán)境條件的影響及測(cè)量誤差，能夠準(zhǔn)確定量周年累計(jì)交換總量，徹底解決現(xiàn)有基于密閉箱原理的間歇式低頻人工或中、高頻自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)對(duì)環(huán)境影響大、通用性差，以及測(cè)定結(jié)果不連續(xù)、代表性差和誤差大的問題，可以顯著降低陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)源匯強(qiáng)度測(cè)量與估算的不確定性，為國(guó)家溫室氣體清單編制以及氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響與反饋研究提供關(guān)鍵技術(shù)，為生物地球化學(xué)循環(huán)模型的發(fā)展提供高質(zhì)量參數(shù)率定和模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)，該技術(shù)發(fā)明將顯著促進(jìn)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)與全球變化研究領(lǐng)域相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展。

本發(fā)明還具有以下技術(shù)特點(diǎn)和有益效果：

(1)能夠全時(shí)域和地域高頻連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間氣態(tài)物質(zhì)交換通量和環(huán)境變量，該自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)適用于各類陸地生態(tài)系統(tǒng)類型；

(2)采用電動(dòng)推桿和中間繼電器完成開關(guān)箱動(dòng)作，在保證市電供應(yīng)正常前提下，可全時(shí)域、全地域連續(xù)觀測(cè)地氣交換通量(包括高海拔、高緯度地區(qū)冬季低溫條件下的觀測(cè))，確保了觀測(cè)系統(tǒng)的通用性和穩(wěn)定性，以及觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

(3)通過全箱體使用高透過率材料、交替輪換關(guān)箱觀測(cè)、密閉式箱體定期更換基座位置、安裝采樣平衡裝置并維持合理采樣流速、多輪次測(cè)定、使用環(huán)境空氣而非樣品氣體為管路排水、降雨期自動(dòng)停止觀測(cè)箱蓋全部開啟等一系列技術(shù)手段最大程度減少關(guān)箱測(cè)量對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和自然環(huán)境條件的影響，通過環(huán)境因子測(cè)量與校正方案計(jì)算，顯著增加測(cè)定結(jié)果的代表性和準(zhǔn)確性。

(4)對(duì)多種物質(zhì)的交換通量(甲烷，氧化亞氮，二氧化碳和水汽等)和環(huán)境因子(降雨、氣溫、光合有效輻射、土壤溫度和濕度等)進(jìn)行集成觀測(cè)，依據(jù)觀測(cè)目的需要，還可以在非破壞性檢測(cè)儀器下氣路增加氣態(tài)物質(zhì)濃度檢測(cè)儀器以補(bǔ)充氣態(tài)物質(zhì)的測(cè)定種類。多要素集成觀測(cè)有利于綜合分析環(huán)境和氣候效應(yīng)，識(shí)別不同物質(zhì)排放之間的協(xié)同或消長(zhǎng)關(guān)系，從機(jī)制機(jī)理上闡明氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響與反饋?zhàn)饔谩?/p>

(5)對(duì)密閉式箱體內(nèi)氣態(tài)物質(zhì)濃度變化進(jìn)行高頻次觀測(cè)，能夠度量關(guān)箱后氣態(tài)物質(zhì)濃度累積的非線性特征，準(zhǔn)確定量濃度累積初始速率和自然環(huán)境條件下實(shí)際的地氣交換通量水平。

(6)通過安裝電子除水器解決了低速采樣，氣體樣品中過飽和水汽凝結(jié)堵塞管路和污染儀器檢測(cè)器的問題，顯著提高了觀測(cè)系統(tǒng)的可靠性與測(cè)量數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

(7)主控和分析單元分別集成于鋁制通用運(yùn)輸箱內(nèi)，便于長(zhǎng)途運(yùn)輸與野外快速安裝運(yùn)行；全部自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集軟件集成一體，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間統(tǒng)一匹配，便于數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制，可實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果，及時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行和試驗(yàn)進(jìn)展情況；全部系統(tǒng)集成度高、可視化程度高，便于使用維護(hù)和普及推廣。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)施例箱式法物質(zhì)通量自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)組成圖；

圖2為本實(shí)施例箱式法物質(zhì)通量自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例，基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1、2，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種箱式法物質(zhì)通量自動(dòng)觀測(cè)的系統(tǒng)，包括：N個(gè)密閉式觀測(cè)箱、主控單元、分析單元以及信息單元。N個(gè)密閉式觀測(cè)箱放置在待測(cè)區(qū)域，其中，N≥1；主控單元與每個(gè)觀測(cè)箱通過電路和氣路連接，用于控制觀測(cè)箱的定時(shí)開啟和關(guān)閉，以及標(biāo)準(zhǔn)氣體和樣品氣體的自動(dòng)采集，然后輸送到分析單元；分析單元與主控單元相連接，用于測(cè)定樣品氣體的物質(zhì)濃度；信息單元與所述主控單元、分析單元相連接，完成控制信號(hào)傳輸以及分析單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄。

具體的，所述系統(tǒng)包括：主管路、N個(gè)測(cè)量通路、主控單元、分析單元和信息單元。N個(gè)測(cè)量通路中，對(duì)于每一測(cè)量通路，包括：觀測(cè)箱，放置在待測(cè)區(qū)域，其中，N≥1，通過管路連接至測(cè)量主管路中。

主控單元包括：N個(gè)第一兩位兩通電磁閥，分別設(shè)置于所述N個(gè)測(cè)量通路中。

分析單元與所述主控單元相連接，用于對(duì)樣品氣體組分含量進(jìn)行測(cè)定。

信息單元控制主控單元執(zhí)行以下操作：

首先，控制選定測(cè)量通路的觀測(cè)箱關(guān)閉；

而后，控制所述選定測(cè)量通路中的第一兩位兩通電磁閥打開；

再后，控制所述選定測(cè)量通路的氣體樣品輸送至分析單元，分析單元測(cè)定氣體樣品的氣態(tài)組分含量。

在本實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括環(huán)境因子測(cè)量單元，與所述信息單元相連接，信息單元控制環(huán)境因子測(cè)量單元中的各種傳感器的定時(shí)供電，以設(shè)定頻率存儲(chǔ)所述各種傳感器測(cè)量的周圍環(huán)境參數(shù)。

供電單元，為觀測(cè)箱、分析單元、主控單元、信息單元和環(huán)境因子測(cè)量單元提供電力并保護(hù)電器設(shè)備。

觀測(cè)箱包括：箱體(N個(gè))、箱蓋(N個(gè))、電動(dòng)推桿(N個(gè))和基座(3N個(gè))?；裨O(shè)于土壤中，箱體的上、下部開口，底部安裝在基座上，測(cè)定期，箱蓋關(guān)閉，所述底部與基座之間密封；箱蓋與箱體密封；通過測(cè)定密閉式箱體內(nèi)氣態(tài)物質(zhì)濃度的累積或減少速率來(lái)計(jì)算陸地生態(tài)系統(tǒng)排放或吸收待測(cè)物質(zhì)的速率，即地氣交換通量；非測(cè)定期，箱蓋開啟，以減少長(zhǎng)期關(guān)箱對(duì)環(huán)境條件的影響。

電動(dòng)推桿，與所述密閉式箱體和箱蓋固定連接，正、反向直流供電實(shí)現(xiàn)電動(dòng)推桿的縮和伸動(dòng)作，進(jìn)而完成箱蓋的關(guān)閉和開啟。

進(jìn)一步的，密閉式箱體的上、下邊框和箱蓋的外緣由有機(jī)玻璃構(gòu)成(透過率材料替代傳統(tǒng)的金屬框架)，箱體和箱蓋的主體為高透過率材料，所述高透過率材料為透過率大于90％的材料。在可見與近紅外波段，密閉式箱體透過率大于90％，最大程度減少了關(guān)箱對(duì)植物光合作用的影響，通過箱內(nèi)外光合有效輻射和氣溫的數(shù)值方程校正，可實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈交換通量(光合和呼吸速率的凈差值)的準(zhǔn)確度量。

進(jìn)一步的，高透過率材料為超薄(厚度<0.5mm)聚碳酸酯或聚酯。

為了優(yōu)化上述技術(shù)方案，箱蓋上設(shè)置壓力平衡裝置，平衡關(guān)箱和采樣過程中箱內(nèi)外大氣壓力。

進(jìn)一步的，每個(gè)箱體配套三個(gè)基座，該三個(gè)基座固定于不同位置，箱體每周在一個(gè)基座上輪換一次，定期更換箱體的基座位置，以減少長(zhǎng)期定位關(guān)箱對(duì)環(huán)境條件的影響。

在本實(shí)施例中，主控單元包括：第一兩位兩通電磁閥、低壓直流中間繼電器、隔膜泵、游標(biāo)刻度針閥、第一兩位三通電磁閥、第二兩位三通電磁閥。第一兩位兩通電磁閥(N個(gè))分別設(shè)置于所述N個(gè)測(cè)量通路中；低壓直流中間繼電器(2N個(gè))對(duì)電動(dòng)推桿正向和反向供電；隔膜泵用于自動(dòng)采集氣體樣品；游標(biāo)刻度針閥調(diào)節(jié)樣品氣體采集流速滿足儀器進(jìn)樣量要求。

所述信息單元與所述2N個(gè)直流中間繼電器電性連接，執(zhí)行以下操作：

控制所述直流中間繼電器對(duì)電動(dòng)推桿正向供電，令所述電動(dòng)推桿工作，使所述箱蓋蓋合于所述箱體上，實(shí)現(xiàn)所述箱體的密閉；或

控制所述直流中間繼電器對(duì)電動(dòng)推桿反向供電，令所述電動(dòng)推桿工作，使所述箱蓋從所述箱體上打開，實(shí)現(xiàn)所述箱體的開放；

第一兩位三通電磁閥，其第一端連接至所述主管路，其第二端連接環(huán)境空氣，其第三端連接至隔膜泵進(jìn)氣口；

第二兩位三通電磁閥，其第一端經(jīng)過游標(biāo)刻度針閥連接至所述隔膜泵出氣口；

所述分析單元包括：第一分析模塊和第二分析模塊，第一分析模塊與所述第二兩位三通電磁閥的第二端連接，第二分析模塊與所述第二兩位三通電磁閥的第三端連接。

所述信息單元，與所述第一兩位三通電磁閥、第二兩位三通電磁閥、第一分析模塊和第二分析模塊電性連接，執(zhí)行以下操作：

在執(zhí)行第一分析模塊進(jìn)行分析時(shí)：控制第一兩位三通電磁閥的第一和第三端聯(lián)通，第二兩位三通電磁閥的第一和第二端聯(lián)通；

在執(zhí)行第二分析模塊進(jìn)行分析時(shí)：控制第一兩位三通電磁閥的第一和第三端聯(lián)通，第二兩位三通電磁閥的第一和第三端聯(lián)通。

所述主控單元還包括：標(biāo)準(zhǔn)氣體鋼瓶、減壓閥、電子除水器、第三兩位三通電磁閥、第二兩位兩通電磁閥、第三兩位兩通電磁閥以及聚四氟乙烯空心管線若干。

減壓閥，一端與標(biāo)準(zhǔn)氣體鋼瓶連接，另一端與第二兩位兩通電磁閥的第一端連接；

電子除水器，一端與第二兩位三通電磁閥的第三端連接，另一端與第三兩位兩通電磁閥、第三兩位三通電磁閥的第一端分別連接，第三兩位三通電磁閥的第二端與第二分析模塊連接；

第三兩位三通電磁閥的第三端與第二兩位兩通電磁閥的第二端連接。

其中，箱體經(jīng)第一兩位兩通電磁閥、第一兩位三通電磁閥與隔膜泵連接，隔膜泵采集的氣體樣品經(jīng)游標(biāo)刻度針閥、第二兩位三通電磁閥、第一氣路進(jìn)入所述第一分析模塊；所述氣體樣品經(jīng)第二兩位三通電磁閥、電子除水器、第三兩位三通電磁閥、第二氣路進(jìn)入所述第二分析模塊；標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)減壓閥、第二兩位兩通電磁閥、第三氣路、第三兩位三通電磁閥、第二氣路進(jìn)入所述第二分析模塊；隔膜泵經(jīng)過第一兩位三通電磁閥采集環(huán)境空氣后，再經(jīng)游標(biāo)刻度針閥、第二兩位三通電磁閥、電子除水器、第三兩位兩通電磁閥、第四氣路放空并排除電子除水器內(nèi)的水分。

具體的，一對(duì)低壓直流中間繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)觀測(cè)箱的電動(dòng)推桿的正、反向直流供電，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿的縮、伸動(dòng)作進(jìn)而實(shí)現(xiàn)箱蓋的關(guān)閉和開啟。通過兩位兩通和兩位三通電磁閥開關(guān)狀態(tài)切換，實(shí)現(xiàn)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品和N個(gè)密閉式箱體內(nèi)各5個(gè)氣體樣品的自動(dòng)采集，后經(jīng)第一和二氣路進(jìn)入第一和第二分析模塊(具體樣品采集和分析時(shí)間見表1)。電子除水器去除流經(jīng)第二氣路氣體樣品中過飽和的水汽，避免室內(nèi)外溫差、壓力變化等因素導(dǎo)致氣體樣品中水汽凝結(jié)堵塞管路并對(duì)分析儀器造成污染。

分析單元包括：

第一分析模塊：二氧化碳/水汽分析儀(LI-COR 840A，1臺(tái))和濾膜。濾膜與所述二氧化碳/水汽分析儀連接，過濾樣品中大顆粒雜質(zhì)、避免光路污染。依據(jù)測(cè)定物質(zhì)需要還可增加氣態(tài)物質(zhì)濃度測(cè)量?jī)x器(如氮氧化物分析儀等)，但應(yīng)注意破壞性檢測(cè)儀器(改變樣品成分或濃度的檢測(cè)器)應(yīng)置于下氣路，避免對(duì)其它儀器檢測(cè)結(jié)果的影響。二氧化碳/水汽分析儀以1赫茲的頻率測(cè)定氣體樣品中二氧化碳(CO₂)和水汽(H₂O)含量。

第二分析模塊：氣相色譜儀(Agilent 7890A，1臺(tái))。氣相色譜儀以3分鐘每個(gè)樣品的頻率測(cè)定氣體樣品中氧化亞氮(N₂O)和甲烷(CH₄)的濃度；

分析單元對(duì)密閉式箱體內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間的變化進(jìn)行至少五輪次以上的測(cè)定(包含本底大氣的濃度測(cè)定)，以表征和計(jì)算密閉箱體內(nèi)氣態(tài)污染濃度的非線性累積特征。

在本實(shí)施例中，環(huán)境因子測(cè)量單元包括：

空氣溫度傳感器(5個(gè)，部分設(shè)置于箱體內(nèi)，另一部分設(shè)置于周圍環(huán)境)、土壤溫度傳感器(9個(gè)，設(shè)置于周圍的田間)、防輻射罩(5個(gè)，安裝在空氣溫度傳感器上)、土壤濕度傳感器(9個(gè)，設(shè)置于周圍的田間)和光合有效輻射傳感器(5個(gè)，部分設(shè)置于箱體內(nèi)，另一部分設(shè)置于周圍環(huán)境)，設(shè)置于周圍環(huán)境和箱體內(nèi)，對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，用于地氣交換通量校正計(jì)算和影響機(jī)制闡明。

翻斗式雨量計(jì)，用于檢測(cè)降雨信息，降雨期所述系統(tǒng)自動(dòng)停止觀測(cè)，箱蓋開啟，箱體內(nèi)接受自然降水，降雨結(jié)束后，所述系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)觀測(cè)；

防水防塵接線箱，作為室外控制終端機(jī)箱。

以上傳感器、防輻射罩和雨量計(jì)可高頻連續(xù)測(cè)量本底環(huán)境的降雨量、空氣溫度和光合有效輻射，密閉式箱體內(nèi)空氣溫度和光合有效輻射，以及三個(gè)田間處理的土壤溫度和土壤濕度(每個(gè)處理3個(gè)重復(fù))。

進(jìn)一步的，防水防塵接線箱作為室外控制終端機(jī)箱，內(nèi)安裝有供電單元的空氣開關(guān)和開關(guān)電源，以及信息單元的模擬量輸入和繼電器輸出模塊，以上設(shè)備控制傳感器定時(shí)供電以及傳感器電壓和電流信號(hào)采集與傳輸。

供電單元包括：空氣開關(guān)、開關(guān)電源和電源線若干(0.5～2平方電線)。1個(gè)空氣開關(guān)作為主控單元的電源開關(guān)，其余為環(huán)境因子測(cè)量單元中防水防塵接線箱(即控制終端采集器機(jī)箱T1-1、T1-2、T1-3、T1-4、T2和T3，如圖1所示)的電源開關(guān)，當(dāng)工作電流超過額定電流、短路和失壓等情況下，空氣開關(guān)自動(dòng)切斷電路，以保護(hù)全部電器設(shè)備。開關(guān)電源將220伏特交流電轉(zhuǎn)為低壓直流電(12和24伏特)為溫濕度傳感器(12伏特)，電動(dòng)推桿、電磁閥、二氧化碳/水汽分析儀、翻斗式雨量計(jì)加熱帶以及模擬量輸入和繼電器輸出模塊(24伏特)供電，其余設(shè)備如：電子除水器、隔膜泵、氣相色譜儀和計(jì)算機(jī)采用交流供電(220伏特)。

信息單元包括：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、隔離RS-232到RS-422/485轉(zhuǎn)換器、模擬量輸入模塊、繼電器輸出模塊、雨量計(jì)數(shù)器、RS-485和RS-232串行總線若干、色譜運(yùn)行與圖譜處理軟件(Agilent 2070A，商業(yè)軟件)、系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集程序(CAS-Flux，MCGS組態(tài)軟件，自主軟件)和地氣交換通量及環(huán)境因子數(shù)據(jù)處理程序(IAP-Flux，VisualFortran編譯，自主軟件)。隔離RS-232到RS-422/485轉(zhuǎn)換器能夠?qū)S-232信號(hào)透明轉(zhuǎn)換為RS-485信號(hào)；模擬量輸入模塊用于采集溫度、濕度和光合有效輻射傳感器以及二氧化碳/水汽分析儀電壓和電流信號(hào)；繼電器輸出模塊用于控制氣相色譜運(yùn)行與停止、中間繼電器通斷電、兩位兩通和兩位三通電磁閥開關(guān)狀態(tài)切換。Agilent 2070A、CAS-Flux和IAP-Flux程序安裝于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過以太局域網(wǎng)與氣相色譜儀連接，Agilent 2070A屬于購(gòu)買的商業(yè)軟件，用于控制氣相色譜儀的自動(dòng)進(jìn)樣和圖譜信號(hào)采集，CAS-Flux和IAP-Flux屬于自主開發(fā)軟件分別用于系統(tǒng)控制與傳感器和分析信號(hào)采集，以及地氣交換通量與環(huán)境因子的離線自動(dòng)計(jì)算與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

其中，雨量計(jì)數(shù)器高頻實(shí)時(shí)采集翻斗式雨量計(jì)的開關(guān)量信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到降雨信息后，CAS-Flux程序自動(dòng)停止系統(tǒng)運(yùn)行，箱蓋全部開啟，保證箱體內(nèi)接受自然降水，使箱內(nèi)外降雨和水分環(huán)境條件一致，降雨結(jié)束后的下一個(gè)整時(shí)刻觀測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)觀測(cè)。

本發(fā)明還提供了一種箱式法物質(zhì)通量自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)方法，所述觀測(cè)方法執(zhí)行以下步驟：

令第二兩位兩通電磁閥打開、第三兩位三通電磁閥的第二和第三端聯(lián)通，標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)氣路進(jìn)入第二分析模塊；

令第一兩位三通電磁閥的第二和第三端聯(lián)通、第二兩位三通電磁閥的第一和第三端聯(lián)通、第三兩位兩通電磁閥打開，采集環(huán)境空氣為電子除水器排水；

令中間繼電器正向供電，箱蓋蓋合于箱體上；

令第一兩位兩通電磁閥打開，第一兩位三通電磁閥的第一和第三端聯(lián)通，對(duì)密閉式箱體內(nèi)氣體樣品進(jìn)行依次自動(dòng)采樣，游標(biāo)刻度針閥調(diào)節(jié)氣體樣品采集流速滿足儀器進(jìn)樣量要求，第二兩位三通電磁閥的第一和第二端聯(lián)通，采集的氣體樣品經(jīng)氣路進(jìn)入第一分析模塊，第二兩位三通電磁閥的第一和第三端聯(lián)通、第三兩位三通電磁閥的第一和第二端聯(lián)通，采集的氣體樣品經(jīng)氣路進(jìn)入第二分析模塊；

令分析單元對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體和氣體樣品的組分含量進(jìn)行依次測(cè)定，將測(cè)定結(jié)果傳輸并存儲(chǔ)至信息單元；

令信息單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和質(zhì)量控制，得到氣態(tài)物質(zhì)地氣交換通量。

所述觀測(cè)方法還執(zhí)行：令環(huán)境因子測(cè)量單元對(duì)密閉式箱體內(nèi)外環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，信息單元控制環(huán)境因子測(cè)量單元各種傳感器的供電時(shí)間，按設(shè)定頻率采集和記錄環(huán)境參數(shù)并用于通量的校正計(jì)算。

基于箱式法物質(zhì)通量自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的詳細(xì)過程為：安裝在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上的CAS-Flux程序通過信息單元控制中間繼電器、兩位兩通和兩位三通電磁閥的開/關(guān)狀態(tài)切換，完成一個(gè)測(cè)量周期即狀態(tài)1至狀態(tài)5的過程。狀態(tài)1：標(biāo)準(zhǔn)氣體鋼瓶?jī)?nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)第三和第二氣路對(duì)氣相色譜進(jìn)樣，同時(shí)環(huán)境空氣去除電子除水器管路內(nèi)的積水；狀態(tài)2：隔膜泵對(duì)觀測(cè)箱內(nèi)氣體樣品進(jìn)行第一輪次采樣(大氣本底樣品)，游標(biāo)刻度針閥調(diào)節(jié)氣體樣品采集流速滿足儀器進(jìn)樣量要求，經(jīng)第二氣路對(duì)氣相色譜進(jìn)樣；狀態(tài)3：繼電器輸出模塊與中間繼電器對(duì)安裝在箱體上電動(dòng)推桿正相供電，電動(dòng)推桿收縮、箱蓋關(guān)閉，隔膜泵采集密閉式箱體內(nèi)氣體樣品經(jīng)第一氣路對(duì)二氧化碳/水汽分析儀進(jìn)樣；狀態(tài)4：隔膜泵對(duì)密閉式箱體內(nèi)氣體樣品進(jìn)行第二至第五輪次采樣，經(jīng)第二氣路對(duì)氣相色譜進(jìn)樣，電子除水器去除過飽和水汽，避免水汽凝結(jié)堵塞管路和污染色譜柱；狀態(tài)5：繼電器輸出模塊與中間繼電器對(duì)安裝在箱體上電動(dòng)推桿反相供電，電動(dòng)推桿伸展、箱蓋開啟，完成一個(gè)測(cè)定周期，非觀測(cè)期，箱蓋開啟，以減少長(zhǎng)期關(guān)箱對(duì)箱內(nèi)環(huán)境條件的影響。

氣相色譜儀分析氣體樣品中甲烷和氧化亞氮的濃度，二氧化碳/水汽分析儀測(cè)量氣體樣品中二氧化碳和水汽的含量。環(huán)境因子測(cè)量單元的雨量計(jì)和各種傳感器高頻連續(xù)測(cè)定大氣本底降雨量、空氣溫度和光合有效輻射，密閉式箱體內(nèi)空氣溫度和光合有效輻射，以及三個(gè)田間處理樣地的土壤溫度和土壤濕度。信息單元CAS-Flux程序采集、傳輸和記錄分析儀器、雨量計(jì)和各種傳感器的電壓、電流和開關(guān)量信號(hào)，IAP-Flux程序?qū)τ^測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線計(jì)算與質(zhì)量控制。通過測(cè)定密閉式箱體內(nèi)氣態(tài)物質(zhì)濃度的累積或減少速率、采用非線性擬合方法計(jì)算陸地生態(tài)系統(tǒng)排放或吸收待測(cè)物質(zhì)的速率，即地氣交換通量，環(huán)境因子測(cè)量用于數(shù)據(jù)校正和地氣交換規(guī)律與影響機(jī)制闡明。

主控和分析單元分別集成于鋁制通用運(yùn)輸箱內(nèi)(外部尺寸：800×600×610mm)，便于長(zhǎng)途運(yùn)輸與野外快速安裝運(yùn)行；全部自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集軟件集成一體，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間統(tǒng)一匹配，便于數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制，可實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果，及時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行和試驗(yàn)進(jìn)展情況。

需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書正文中，未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。此外，上述對(duì)各元件的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地更改或替換。

還需要說(shuō)明的是，本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但這些參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)值。實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。此外，除非特別描述或必須依序發(fā)生的步驟，上述步驟的順序并無(wú)限制于以上所列，且可根據(jù)所需設(shè)計(jì)而變化或重新安排。并且上述實(shí)施例可基于設(shè)計(jì)及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實(shí)施例混合搭配使用，即不同實(shí)施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實(shí)施例。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

表1：樣品采集與分析時(shí)間表(時(shí)間格式mm:ss)