靜態(tài)箱研究進(jìn)展及設(shè)施菜地氣體采集靜態(tài)箱研制構(gòu)想

石飛飛，王維漢

(浙江水利水電學(xué)院，浙江杭州 310018)

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靜態(tài)箱研究進(jìn)展及設(shè)施菜地氣體采集靜態(tài)箱研制構(gòu)想

石飛飛，王維漢

(浙江水利水電學(xué)院，浙江杭州 310018)

在研究溫室氣體排放規(guī)律的過程中，氣體采集是個(gè)關(guān)鍵步驟，而靜態(tài)箱是其中一個(gè)重要的工具。靜態(tài)箱目前沒有成品可以購(gòu)買，并且在已知溫室氣體排放源中，農(nóng)業(yè)活動(dòng)是其中最為重要的釋放源。因此，研制適合設(shè)施菜地溫室氣體采集的靜態(tài)箱對(duì)溫室氣體研究意義重大?？偨Y(jié)了靜態(tài)箱的基本原理和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，綜述了各種因素對(duì)靜態(tài)箱氣體采集時(shí)產(chǎn)生的影響，提出了設(shè)施菜地溫室氣體靜態(tài)箱的研制構(gòu)想，以期為今后靜態(tài)箱的研制和溫室氣體采集的研究提供科學(xué)依據(jù)。

設(shè)施菜地；靜態(tài)箱；溫室氣體采集；研制

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著人類活動(dòng)的加劇和溫室氣體排放的增多，全球氣候變暖已經(jīng)成為全球廣泛關(guān)注和研究的環(huán)境問題。在聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約(UNFCCC)的發(fā)展背景之下，各個(gè)國(guó)家在降低排放、發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)的道路上已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)。近年來(lái)，我國(guó)面對(duì)溫室氣體排放第一大國(guó)的現(xiàn)狀，在國(guó)際社會(huì)中倍感輿論壓力，如何應(yīng)對(duì)氣候問題變得至關(guān)重要。

在已知溫室氣體排放源中，農(nóng)業(yè)活動(dòng)是其中最為重要的釋放源。研究表明，農(nóng)業(yè)占大氣人為排放源的58%左右。由于受觀測(cè)點(diǎn)重復(fù)性、研究方法以及土壤的空間變異性等自然條件的限制，目前對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體的排放量也只是一個(gè)粗略估算[1]。因此，正確評(píng)估并設(shè)法減少農(nóng)田土壤溫室氣體的排放量是擺在科學(xué)家面前的一大課題。我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，研究農(nóng)田土壤溫室氣體的排放規(guī)律及影響機(jī)理，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展和全球環(huán)境改善都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在研究溫室氣體排放規(guī)律的過程中，氣體采集是個(gè)關(guān)鍵步驟，而靜態(tài)箱是其中一個(gè)重要的工具之一。靜態(tài)箱目前沒有成品可以購(gòu)買，總結(jié)靜態(tài)箱的基本原理，跟蹤國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，對(duì)溫室氣體采集的研究十分重要。筆者在綜述靜態(tài)箱的基本原理和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出了適合設(shè)施菜地溫室氣體采集的靜態(tài)箱研制構(gòu)想，以期為溫室氣體采集方法提供科學(xué)支撐。

1　靜態(tài)箱的基本原理

靜態(tài)箱技術(shù)的方法原理：在一定面積的土壤或植物上方，蓋上一個(gè)特制的密閉箱體，保持被測(cè)地上方的箱體氣體與外界氣體沒有任何交換，在一定時(shí)段內(nèi)，抽取箱體內(nèi)的氣體，用氣相色譜儀測(cè)定N2O的濃度，再可根據(jù)箱口面積、箱體體積和歷經(jīng)時(shí)間計(jì)算出N2O的排放速率。這樣可將氣體通量的測(cè)量轉(zhuǎn)換為微量氣體的測(cè)量，通過計(jì)算可以得到N2O的界面交換通量。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，得下面計(jì)算式[2]：

F=(V/A)×(dCt/dt)+(Vg/A)×(Vg/A)×(Ct-Ca)+Vd×Ct

式中，F(xiàn)是N2O的通量[g/(m2·s)]；V是箱體積(m3)；A是箱所覆蓋的面積(m2)；t是箱密閉的時(shí)間長(zhǎng)度(s)；Ct是時(shí)間t的濃度(g/m3)；Vg是氣體從箱體漏出的速率(m3/s)；Ca是外圍環(huán)境中N2O的濃度(g/m3)；Vd是N2O在箱體、植物與土壤表面的沉積率 (m/s)。

靜態(tài)箱技術(shù)要求[2]：①密閉箱設(shè)計(jì)必須要有定量的邊界。②測(cè)量過程中必須適當(dāng)?shù)財(cái)嚢柘鋬?nèi)空氣，使氣體混合。③箱體材料對(duì)所測(cè)定氣體要有惰性。④箱體的內(nèi)外壓力必須保持一致。⑤蓋箱后對(duì)內(nèi)部環(huán)境中的主要土壤與植物性狀不產(chǎn)生明顯的影響等。

2　國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

一般情況下，考慮到地面不均一性容易對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，因此選用箱口面積較大的設(shè)計(jì)方案，可減少這種影響，提高精確性。但實(shí)際為方便操作，在不影響其精確性的前提下，箱體的蓋地面積一般不大于1m2，最小的只有150cm2，體積為3L[3]；一般設(shè)計(jì)為方形結(jié)構(gòu)，但也有圓形結(jié)構(gòu)的例子，如Flessa等采用的圓筒設(shè)計(jì)[4]，直徑為30cm，占地面積為706cm2；Ineson等采用內(nèi)徑 20cm，容積1 500mL的圓形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]；Veldkamp等設(shè)計(jì)的圓筒結(jié)構(gòu)直徑為25cm[6]。

由于所測(cè)定的植被不同，箱體的高度設(shè)計(jì)也各有差異。如測(cè)定水稻土?xí)r，在箱體不能影響水稻性狀的前提之下，為了將水稻全部蓋進(jìn)內(nèi)部環(huán)境，Cai等采用1m的高度設(shè)計(jì)[7]。測(cè)定低矮植被時(shí)箱體高度也隨之降低，如Meyer等測(cè)定無(wú)林下植物的林地時(shí)，將箱體設(shè)計(jì)為30cm的高度[8]，當(dāng)需要測(cè)定作物地面時(shí)，可以直接往上套接一個(gè)與其相吻合的框體。細(xì)長(zhǎng)形箱體的設(shè)計(jì)是為了能使箱體置于作物行間，在測(cè)定時(shí)不影響到周邊作物。

為了使箱內(nèi)氣體混勻，箱體內(nèi)安置一個(gè)小風(fēng)扇，在取樣前需開啟一段時(shí)間。取樣量較大時(shí)容易造成內(nèi)部壓力明顯下降，因此國(guó)外的靜態(tài)箱通常在箱上安裝一個(gè)通風(fēng)管，用于平衡箱內(nèi)外的壓力。同時(shí)設(shè)計(jì)一根通風(fēng)管使內(nèi)外空氣直接相通。通風(fēng)管一般采用細(xì)長(zhǎng)的塑料或不銹鋼管，這種設(shè)計(jì)可以使內(nèi)部擴(kuò)散量幾乎可以忽略不計(jì)。如Cai等[7]為了平衡箱內(nèi)外壓力，在箱頂內(nèi)側(cè)接上一個(gè)壓力調(diào)節(jié)袋(僅適于約500mL以下的小取樣量)，但并未詳細(xì)描述其結(jié)構(gòu)原理。

箱體上設(shè)計(jì)一個(gè)小孔，用作取樣口，測(cè)定時(shí)封緊，取樣時(shí)打開。多數(shù)靜態(tài)箱為獲得中部的氣樣會(huì)固定一根PVC或不銹鋼小管直達(dá)箱體中部。箱體設(shè)有基腳，基腳為剛性框，框面與箱面能正好密封吻合，用于預(yù)埋入地表，使測(cè)定面有一穩(wěn)定的物理邊界。Flessa等用膠墊作接口，并用螺絲上緊[4]。

3　靜態(tài)箱氣體采集時(shí)的影響因素

3.1不同溫度條件對(duì)靜態(tài)箱氣體采集的影響不同溫度條件可歸結(jié)為不同的天氣條件和不同的采樣時(shí)段，溫度變化不同，靜態(tài)箱內(nèi)的氣溫和地表溫度的改變程度各不相同。晴朗的天氣條件下，箱內(nèi)的氣溫和地表溫度變化較大，短時(shí)間內(nèi)箱內(nèi)氣溫上升迅速；陰天或陰雨的天氣條件下，箱內(nèi)氣溫差一般較?。灰话闱闆r下，白天上午、正午和下午箱內(nèi)的溫差變化較大，清晨箱內(nèi)的溫差較晚上和夜間箱內(nèi)的溫差稍高一些。

箱內(nèi)的氣溫和地表溫度較小時(shí)，溫差相應(yīng)降低，箱體內(nèi)部環(huán)境的變化相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不明顯；箱內(nèi)的氣溫和地表溫度較大時(shí)，溫差相應(yīng)上升，箱體內(nèi)部環(huán)境的變化較明顯，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較明顯。

3.2不同質(zhì)料的箱體對(duì)靜態(tài)箱氣體采集的影響對(duì)于不同質(zhì)料的箱體，箱內(nèi)溫度變化也各不相同。明箱主要由透明有機(jī)玻璃材料制成，蓋箱后在太陽(yáng)光輻射下“溫室效應(yīng)”將會(huì)明顯加劇，導(dǎo)致箱內(nèi)溫差較大；暗箱由于反射膜的作用，溫度變化較弱，較明箱而言，減少了箱內(nèi)外溫度的差異，不需考慮光照影響，減緩了內(nèi)部小環(huán)境的擾動(dòng)。

3.3不同大小的箱體對(duì)靜態(tài)箱氣體采集的影響透光箱體的大小差異也使箱內(nèi)溫度變化各有區(qū)別。大箱體由于面積較大而接受較多的太陽(yáng)短波輻射，地表和箱內(nèi)空氣產(chǎn)生較多的長(zhǎng)波輻射無(wú)法從箱體內(nèi)散出去，“溫室效應(yīng)”加強(qiáng)，因此大箱內(nèi)的氣溫溫差最大。一般情況下，箱內(nèi)氣溫差值隨著箱體大小的減小而降低[9]。

4　設(shè)施菜地溫室氣體收集靜態(tài)箱的構(gòu)想

現(xiàn)有的靜態(tài)箱一般隔熱效果不好，容易引起測(cè)量誤差，而且大多體積較大、質(zhì)量較重，給攜帶、運(yùn)輸及安裝等過程都帶來(lái)較大的不便，更重要的是目前沒有專門用于測(cè)量設(shè)施菜地的靜態(tài)箱。因此筆者結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀，提出一種適合設(shè)施菜地溫室氣體通量采集的專用靜態(tài)箱，其隔熱效果佳，從而使測(cè)量更為精準(zhǔn)。此外，其還具有觀測(cè)方便、體小質(zhì)輕以及攜帶、運(yùn)輸、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

由于設(shè)施菜地土地多整理為條畦，結(jié)合條畦的寬度及大多數(shù)蔬菜的種植特點(diǎn)，因此靜態(tài)箱的規(guī)格長(zhǎng)寬均為60cm，高度為80cm。箱體可采用亞克力玻璃板制做，箱體的厚度為3.0mm，箱體外表面附一層隔熱層，隔熱層采用鋁箔紙。鋁箔紙作為隔熱層，是為了保證在取氣體時(shí)箱體內(nèi)氣體不受太陽(yáng)照射的影響，不至于因太陽(yáng)的輻射造成箱體內(nèi)氣體溫度的變化而影響氣體密度等參數(shù)。靜態(tài)箱的總體重量不超過6kg。

箱體的正上方固定安裝一個(gè)提手，以方便移動(dòng)，提手穿過鋁箔紙。箱體的側(cè)壁開有取氣孔，抽氣管插于取氣孔處的，抽氣管和氣孔為取氣之用。抽氣管穿過鋁箔紙而伸向外部，其內(nèi)端處于箱體之內(nèi)。箱子內(nèi)部的正上方固定安裝有微型風(fēng)扇，風(fēng)扇的作用是取氣體時(shí)將氣體攪拌均勻。箱體頂部裝有一個(gè)數(shù)顯溫度計(jì)，溫度計(jì)的顯示部固定于鋁箔紙之上，以供外界觀測(cè)；數(shù)顯溫度計(jì)的探測(cè)部伸入箱體之內(nèi)。溫度計(jì)的作用是在取氣體時(shí)觀測(cè)溫度。底座采用亞克力玻璃板制成，底座呈不帶頂面的方柱狀，其四側(cè)壁各形成一道開口朝上的插槽，4條插槽首尾相連且與箱體的底邊相適配，插槽內(nèi)插入箱體的底邊并且密封配合。底座高度15cm，底座壁厚為5mm。取氣時(shí)，底座內(nèi)注入水，其預(yù)埋入地下，頂部與地面齊平。

5　結(jié)語(yǔ)

靜態(tài)箱是研究溫室氣體采集的重要工具之一，該研究綜述了靜態(tài)箱的基本原理和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，分析了各種因素對(duì)靜態(tài)箱氣體采集時(shí)產(chǎn)生的影響，并提出了設(shè)施菜地溫室氣體采集靜態(tài)箱的研制構(gòu)想，以期為溫室氣體采集和靜態(tài)箱的研制提供科學(xué)參考。

[1] 王維漢，毛前， 嚴(yán)愛蘭.滴灌下青椒地N2O排放規(guī)律研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2014(7)：31-34.

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Research Review of Static Box and Development Conception of Greenhouse Vegetable Gas Collection Static Box

SHI Fei-fei, WANG Wei-han

(Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou, Zhejiang 310018)

Gas collection is a key step in the process of studying the law of greenhouse gas emission, and the static box is one of the important tools. There are no ready-made products can be purchased, and agricultural activity is the most important release source in the greenhouse gas emission source. Therefore, how to develop suitable static box for greenhouse vegetable gas collection is related to success or failure of greenhouse gas research. The basic principle of static box and research advances at home and abroad were summarized, effects of factors on gas collection of static box were elaborated, the development conception of greenhouse vegetable static box was proposed, so as to provide scientific basis for development of static box and collection of greenhouse gas in the future.

Greenhouse vegetable; Static box; Greenhouse gas collection; Development

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Y15E090011)。

石飛飛(1995- )，女，浙江諸暨人，本科生，專業(yè)：農(nóng)業(yè)水利工程。

2016-07-04

S 152.7

A

0517-6611(2016)24-226-02