助力国家重点研发计划丨多通道双循环土壤呼吸δ13C观测系统在中科院寒旱所黑河遥感站顺利运行

       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。
       稳定同位素光谱和质谱技术与方法的进步使CO2 δ13C的观测成为可能,与箱式通量观测技术和方法结合可以实现土壤温室气体及其同位素通量观测研究。
       目前已有的土壤CO2 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。

技术壁垒:
       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主要包括两个方面: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。

       基于此,北京普瑞亿科科技有限公司与中科院地理科学与资源研究所突破技术壁垒,合作研发了由气室箱体、采样气路、气体分析仪、控制系统和标定系统等部分构成的多通道双循环土壤呼吸δ13C观测系统,并在中科院寒旱所黑河遥感站成功安装、顺利运行,为国家重点研发计划“典型脆弱生态修复与保护研究”生态系统关键参量监测设备研制与生态物联网示范助力。

多通道双循环土壤呼吸δ13C观测系统

系统配置:
       采样气室为自主研发的闭路气室,气体分析仪为Picarro G2131-i,控制系统为自主研发的16通道复路系统,标定系统则采用三点标定方法。

技术难点与解决方案:

方案一


采样模块——土壤呼吸室打开状态

 

  • 呼吸室:透明/非透明(贴锡纸)

  • 气室尺寸:50cm(L)*50cm(W)*40cm(H);

  • 气室重量:约15kg;

  • 气室工作方式:可控自动旋转开合(上窗90°,侧窗45°);

  • 驱动方式:电动推杆;

  • 控制方式:PLC、触摸屏控制

  • 供电:12V/50W;

  • 测量体积:90.5L;

  • 测量面积:0.25m2

  • 温度监测:-40℃—85℃;

  • 测量精度:±2% ;

  • 密封方式:密封条密封;

  • 材质:铝合金、进口透明PC板;


方案二

采样模块——土壤呼吸室打开状态

 

  • 气室类型:透明(铝合金)/非透明(亚克力);

  • 整体外形尺寸:440mm(L)×260mm(W)×260mm(H)

  • 整体重量:5.0Kg;

  • 携带方式:便携式手提;

  • 工作方式:可控自动旋转开合;

  • 测量方式:动压平衡流通式测量;

  • 驱动方式:步进电机驱动;

  • 控制方式:单片机控制;

  • 腔室尺寸:200mm(D)*130mmm(H)(可根据需要调整腔室高度)

  • 测量体积:4000cm3

  • 测量面积:315cm2


性能优势:

通过箱式通量观测系统性能测试,确认分析系统密封性能良好。

  • 漏率低于0.10μmol mol-1 min-1@1500μmol mol-1 (相当于0.015μmol m-2 s-1的排放通量);

  • 在自然风速介于0-4m s-1条件下,气室内外压差稳定在±2Pa范围内;

  • 零通量精度绝对值介于0.00011-0.072 μmol m-2 s-1 之间

  • 模拟通量测试设置2.5、5、10、15umol m-2 s-1 的排放通量,结果表明, CO2通量4次重复标准偏差介于0.09-0.23umol m-2 s-1,在10umol m-2 s-1 (CO2)条件下,FR和KP方法计算得到的δ13C通量4次重复标准偏差分别为0.34‰和0.40‰,模拟通量与实测通量结果基本位于1:1线上。


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