傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳輸方法在實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)水層氣體釋放方面的應(yīng)用

劉新紅， 余立功， 高 巖， 胡茂俊， 易 能， 邸攀攀， 羅 佳， 嚴(yán)少華

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇南京 210014； 2.南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210094)

隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題日益突出，大氣中溫室氣體濃度日益增加所造成的全球變暖已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。水體生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體釋放的重要源和匯。對(duì)溫室氣體排放的研究催生了大量研究方法的創(chuàng)新[1-2]。針對(duì)氣體從水生環(huán)境中釋放的研究方法，現(xiàn)有的方法主要有靜態(tài)箱法、梯度法、倒置漏斗法、集氣罩法、渦度相關(guān)法等[3-4]。

靜態(tài)箱法又稱為漂浮通量箱法，通過(guò)將倒扣的箱體漂浮在水體表面，每隔一定時(shí)間間隔測(cè)量箱體中待測(cè)氣體濃度，根據(jù)濃度隨時(shí)間的變化速率來(lái)計(jì)算被覆蓋水域釋放氣體的通量。該方法結(jié)合氣相色譜分析，能夠同時(shí)分析氣體的多種成分[5-6]。然而該方法的缺點(diǎn)是(1)采樣過(guò)程需要科研人員等待在采樣點(diǎn)，耗時(shí)費(fèi)力。(2)不能連續(xù)監(jiān)測(cè)水體釋放氣體的情況，而水體在每日不同時(shí)間段釋放氣體量及成分具有明顯差異。(3)研究水體排出的氣體相對(duì)于箱體頂空氣體量少，適于分析甲烷、氧化亞氮等空氣中極微量的氣體，而對(duì)空氣中本底濃度很高的氮、氧產(chǎn)出測(cè)定精確度不高。(4)氣體產(chǎn)生日變化規(guī)律難以進(jìn)行分析。

梯度法又稱為擴(kuò)散模型法，通過(guò)同時(shí)測(cè)量某種氣體在表層水體中和大氣中的濃度，計(jì)算濃度差，再根據(jù)氣體交換系數(shù)，計(jì)算通量[5，7]。該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的連續(xù)監(jiān)測(cè)。然而該方法的缺點(diǎn)在于由于基于氣體水氣界面擴(kuò)散的過(guò)程半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头椒?，并不能夠?qū)U(kuò)散過(guò)程的原理和驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行體現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果存在較大不確定性；同時(shí)對(duì)于事先并不能夠明確產(chǎn)出氣體的成分的情況，該方法就顯得無(wú)能為力。

渦度相關(guān)法通過(guò)測(cè)定大氣中湍流運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的風(fēng)速脈動(dòng)與物理量脈動(dòng)，直接計(jì)算物質(zhì)的通量[7-8]。渦度相關(guān)法要求常通量層必須在熱力中性大氣條件下，被測(cè)下墊面大尺度宏觀均勻，且測(cè)點(diǎn)上風(fēng)方向相當(dāng)大的區(qū)域內(nèi)氣體通量排放均勻。該方法的缺點(diǎn)在于成本高、技術(shù)復(fù)雜、對(duì)環(huán)境要求較高，主要應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳通量研究。

近年來(lái)，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院發(fā)明了一種水體釋放氣體收集裝置，將采氣罩置于水面以下，通過(guò)水的浸沒過(guò)程將采氣罩中原有空氣全部排出后，原位連續(xù)收集水層產(chǎn)出的氣體，用排水集氣法原理將收集到的氣體引入集氣瓶，瓶中收集到的氣體即為集氣罩覆蓋水域面積下水體產(chǎn)生的氣體。該裝置可以收集整個(gè)水柱釋放的氣體，也可調(diào)節(jié)后收集不同水層斷面產(chǎn)生的氣體，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)出氣體體積計(jì)量、成分測(cè)定和通量計(jì)算[9-12]。該裝置是一種漂浮式、可移動(dòng)、使用方便的裝置，但也存在不少不足，如水層氣體產(chǎn)生量等參數(shù)是通過(guò)人工取下集氣瓶稱質(zhì)量計(jì)算的。如果進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)，一般要間隔數(shù)小時(shí)取下集氣瓶稱量1次氣體產(chǎn)生量，并替換新的集氣瓶。這不但工作量大，且不能獲得連續(xù)數(shù)據(jù)，也不能用于精確分析水面釋放氣體的晝夜變化規(guī)律。針對(duì)以上問(wèn)題，本研究提出1種使用重力傳感器和數(shù)據(jù)傳輸信息技術(shù)連續(xù)、實(shí)時(shí)計(jì)量水體釋放氣體量方法，以期能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水體釋放氣體特征進(jìn)行實(shí)時(shí)定量監(jiān)測(cè)。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位介紹

水體釋放氣體原位實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)富營(yíng)養(yǎng)化河道進(jìn)行。河道常年接納上游排入的生活污水。河道入水口處污水的總氮(TN)濃度為14.0 mg/L，總磷(TP)濃度為4.0 mg/L；河道表層水體中TN濃度從上游至下游有逐漸降低的趨勢(shì)，每年變幅大概為1.5～10.3 mg/L，TP濃度變幅大概為0.1～2.2 mg/L。夏秋季節(jié)，河道水體表層可觀察到嚴(yán)重的藻華，且觀察到氣泡冒出水面。河道分上下2個(gè)部分，分隔于馬路兩側(cè)，兩河道水體相通，在豐水季節(jié)由修建的閘門控制水量；在枯水季節(jié)，閘門關(guān)閉，上部分河道水深超過(guò)一定深度則由小型的排水口流入下游河道。在水稻生長(zhǎng)季節(jié)，河道內(nèi)的污水用于稻田灌溉。在雨季或稻田灌溉季節(jié)，河道水力停留時(shí)間短，水量交換較大。其余季節(jié)，河道內(nèi)污水的水力停留時(shí)間較長(zhǎng)，外界擾動(dòng)小。由于下游河道水力情況比上游河道穩(wěn)定，本試驗(yàn)關(guān)于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水層釋放氣體的試驗(yàn)在下游河道2號(hào)塘開展。

1.2 氣體收集和氣體釋放量自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

整個(gè)監(jiān)測(cè)裝置包括集氣罩、漂浮框架、集氣瓶、重力傳感器和數(shù)據(jù)傳輸。裝置使用和結(jié)構(gòu)示意見圖1。

采用浮球架做成的漂浮框架將整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支撐浮于水面。將重力傳感器、集氣瓶和傳輸裝置固定在垂直伸出水面的不銹鋼支架上，確保傳感設(shè)備完好，不浸入水中。匯聚節(jié)點(diǎn)連通重力傳感器、空氣溫度傳感器、水體溫度傳感器之后放在漂浮框架最頂端，作為數(shù)據(jù)傳輸裝置。集氣罩浸沒于水面之下，通過(guò)其頂端的真空水管與懸掛于不銹鋼支架中心點(diǎn)的集氣瓶連通。集氣罩覆蓋一定面積的水體，下方水柱產(chǎn)生的氣體在集氣罩中匯集，匯集的氣體通過(guò)真空水管在重力差的作用下向上進(jìn)入集氣瓶，同時(shí)集氣瓶中的水靠重力排出進(jìn)入水體中，從而實(shí)現(xiàn)將收集的氣體自動(dòng)連續(xù)地吸入集氣瓶。集氣瓶懸掛于重力傳感器的感應(yīng)器上，置于漂浮框架最頂端的中心點(diǎn)上，集氣瓶的質(zhì)量變化通過(guò)重力傳感器測(cè)定。同時(shí)，可以通過(guò)人工稱量集氣瓶質(zhì)量的變化，計(jì)算獲得集氣瓶中所收集的氣體的體積，與自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。集氣罩浸沒在水體中的深度可以通過(guò)集氣罩和漂浮框架間的連接軟繩進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便測(cè)定不同深度水層斷面產(chǎn)生氣體的情況。其中，集氣罩下方設(shè)有1個(gè)透明擋板(圖2)，可阻止下方水柱釋放的氣體進(jìn)入集氣罩，同時(shí)保證水樣流動(dòng)性，自然劃分出不同深度水層斷面。因此在監(jiān)測(cè)不同深度水層斷面產(chǎn)生氣體特征時(shí)，只要將連接有擋板的集氣罩置于設(shè)定的深度即可。傳感器和匯聚節(jié)點(diǎn)工作原理見圖3。

1.3 氣體收集裝置工作原理與水體釋放氣體量的計(jì)量方法

將采氣罩置于水面以下，通過(guò)水的浸沒過(guò)程將采氣罩中原有空氣全部排出。利用倒掛于一定高度裝滿水的集氣瓶收集采氣罩內(nèi)聚集到的氣體。集氣瓶的進(jìn)氣管與采氣罩的出氣口相連，集氣瓶上的排水管直接垂入水中與水體相通。在采氣罩有氣體聚集的情況下，集氣瓶中等體積的水靠重力排出進(jìn)入水體，從而實(shí)現(xiàn)將收集的氣體自動(dòng)連續(xù)地吸入集氣瓶。計(jì)量集氣瓶質(zhì)量變化，可由如下等式計(jì)算出氣體產(chǎn)出的體積：

V水=V氣；

∵m水=mt1-mt2；

式中：V代表收集裝置中水或者氣體的體積；m水代表收集裝置中水的質(zhì)量；ρ代表水的密度；mt1和mt2分別代表起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間氣體收集瓶的質(zhì)量。

根據(jù)以上公式可知，氣體收集裝置收集到的氣體的實(shí)際體積與實(shí)時(shí)測(cè)定集氣瓶的質(zhì)量差呈線性正相關(guān)關(guān)系。由于水的密度約為1 kg/L，因此可以通過(guò)測(cè)定集氣瓶的質(zhì)量差，得到排出氣體的體積。

Gao等通過(guò)定期取回集氣瓶，稱其質(zhì)量變化，計(jì)算氣體產(chǎn)出的體積。而本研究應(yīng)用重力傳感器和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)計(jì)量傳輸氣體產(chǎn)生數(shù)據(jù)[9]。當(dāng)氣體通過(guò)軟管a進(jìn)入集氣瓶，同時(shí)瓶中的水通過(guò)軟管b排出，重力傳感器示數(shù)就會(huì)發(fā)生變化。設(shè)置重力傳感器示數(shù)為質(zhì)量(kg)，根據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)段的重力示數(shù)差，可得到排出水的質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量和體積的關(guān)系即可計(jì)算該時(shí)段氣體產(chǎn)出量。重力傳感器和網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，可以獲得大量、連續(xù)的氣體產(chǎn)生數(shù)據(jù)。

2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸體系

傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在作用區(qū)域內(nèi)的微小傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器(sensor)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域(sensor field)內(nèi)部或附近[13]。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[14]。圖4為整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

匯聚節(jié)點(diǎn)包括傳感器接口模塊、微處理器模塊、無(wú)線通信模塊、電源模塊和增強(qiáng)功能模塊5個(gè)組成部分。如圖5所示，傳感接口模塊用于提供各種傳感器的接口，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用接收相應(yīng)傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)；微處理器系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用于將各個(gè)傳感器送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、打包、存儲(chǔ)或根據(jù)設(shè)定頻率進(jìn)行計(jì)算或處理；無(wú)線通信模塊用于對(duì)管理節(jié)點(diǎn)通信發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，接收控制命令；電源模塊用于提供電源；增強(qiáng)模塊用于針對(duì)某些特殊數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，為可選配置。對(duì)于水樣氣體產(chǎn)生監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用，匯聚節(jié)點(diǎn)上連接的傳感器包括空氣溫度傳感器、水樣溫度傳感器、氣體重力傳感器等。因此傳感接口模塊就應(yīng)當(dāng)包括這些傳感器的相應(yīng)接口[15]。

管理節(jié)點(diǎn)包括無(wú)線通信模塊、服務(wù)監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)發(fā)布模塊。如圖6所示，無(wú)線通信模塊同匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，發(fā)送控制命令，接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；服務(wù)監(jiān)測(cè)模塊根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包分發(fā)，并接受監(jiān)測(cè)指令發(fā)送給各匯聚節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)發(fā)布模塊將數(shù)據(jù)接收的數(shù)據(jù)發(fā)布到監(jiān)測(cè)界面[16]。

3 結(jié)果與分析

3.1 重力傳感器及精準(zhǔn)度驗(yàn)證

使用的重力傳感器型號(hào)為L(zhǎng)CS-S3，配備標(biāo)準(zhǔn)MODBUS數(shù)字稱質(zhì)量/測(cè)力變送器RW-ST01D，其測(cè)量精度為 0.001 kg。采用5 V電源供電，其通信采用串口通信。能夠在-30～85 ℃范圍內(nèi)工作。同時(shí)配備DS18B20溫度傳感器。采用5 V電源供電，其溫度測(cè)量范圍是-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃。

匯聚節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊采用嵌入式DTU ME99E(含吸附式天線)通過(guò)串口與設(shè)備連接，匯聚節(jié)點(diǎn)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與終端電子計(jì)算機(jī)(PC)建立透明的信號(hào)傳輸通道，使采集點(diǎn)與后端PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。3G(第3代移動(dòng)通信技術(shù))模塊采用MU509。

在重力傳感器應(yīng)用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集前，須要驗(yàn)證比較其與稱量方式的精確性。試驗(yàn)前，將充滿水的集氣瓶用電子天平稱量，記錄質(zhì)量，對(duì)應(yīng)的為集氣瓶掛到重力傳感器上并連接集氣罩時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸回的質(zhì)量數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)中，將換取集氣瓶時(shí)重力傳感器發(fā)回的質(zhì)量數(shù)據(jù)與用電子天平測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)。比較使用電子天平稱量和重力傳感器數(shù)據(jù)的差異，驗(yàn)證其精度，結(jié)果見表1。

由表1可知，重力傳感器的測(cè)量值與電子天平稱量數(shù)值誤差范圍為-0.1%～0.1%，誤差計(jì)算公式：(重力傳感器數(shù)據(jù)-電子天平數(shù)據(jù))/電子天平數(shù)據(jù)×100%。

3.2 表層水體晝夜釋放氣體特征的自動(dòng)監(jiān)測(cè)

自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置可以任意設(shè)置傳感器的傳輸頻率，因此對(duì)江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院2號(hào)塘水體釋放氣體規(guī)律進(jìn)行24 h的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)示數(shù)記錄頻率為1 min1次。并且可以將收集到的各個(gè)時(shí)間的示數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)間進(jìn)行曲線擬合，得到氣體產(chǎn)生的方程，并得到晝夜變化規(guī)律。

監(jiān)測(cè)時(shí)間的溫度范圍是28～39 ℃，光照良好，此時(shí)對(duì)表層水體釋放氣體規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)采用3個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，圖7-a顯示了1 d中不同時(shí)刻氣體釋放量的變化情況，將1 h內(nèi)氣體產(chǎn)生量(y)和時(shí)間點(diǎn)(x)擬合成多項(xiàng)式曲線：

y=-2×10-5x4+0.001 4x3-0.028 6x2+0.213 1x-0.205 5(r2=0.806 1)。

可以看出，R值較高，擬合程度較高。此外可以明顯看出1 d中產(chǎn)氣量的峰值在13：30—15：30這一時(shí)間段，而這一時(shí)段正好是氣溫最高、太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的時(shí)刻。水體釋放氣體量呈現(xiàn)出隨著每日光合作用的增強(qiáng)、減弱呈現(xiàn)升高、降低的規(guī)律性變化。在氣溫變化范圍為24～34 ℃，光照充分的環(huán)境下，對(duì)水體表層釋放氣體進(jìn)行24 h監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)1 d。試驗(yàn)采用1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，圖7-b顯示了1 d的監(jiān)測(cè)情況，將1 h氣體產(chǎn)生通量和時(shí)間擬合成多項(xiàng)式曲線：

y=-1×10-7x6+5×10-6x4-2×10-5x3-0.001 6x2+0.016 4x(r2=0.365 3)。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，使用柱狀圖進(jìn)行呈現(xiàn)。采用曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，可以反映時(shí)間和表層產(chǎn)氣量的變化規(guī)律。與氣溫28～39 ℃的結(jié)果相比，由于溫度降低，其氣體產(chǎn)生通量要小得多，約為較高溫度下氣體通量的1/4。而當(dāng)天產(chǎn)氣量的峰值仍然在13：30—15：30這一時(shí)間段，也正好是氣溫最高，太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的時(shí)刻，符合隨著每日光合作用的增強(qiáng)、減弱產(chǎn)氣量呈現(xiàn)升高、降低的規(guī)律性變化[17-18]。

3.3 中層水體晝夜釋放氣體特征的自動(dòng)監(jiān)測(cè)

在監(jiān)測(cè)表層釋放氣體規(guī)律的同時(shí)，在10月17日至18日氣溫范圍為23～25 ℃的晴好天氣對(duì)中層水體釋放氣體規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖8為不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)水體釋放氣體的情況?？梢钥闯銎淝€擬合程度較低，并沒有呈現(xiàn)隨著光合作用晝夜變化而相應(yīng)規(guī)律性的變化。將每小時(shí)氣體產(chǎn)生通量和時(shí)間擬合成多項(xiàng)式曲線：

y=-9×10-9x5+6×10-7x4-2×10-5x3+0.000 2x2-0.001x+0.002 1(r2=0.187 6)。

中層水體斷面的氣體釋放量明顯低于表層水體，約為表層水體產(chǎn)氣量的1/10。這主要是因?yàn)樵摂嗝鎸哟蔚墓夂仙a(chǎn)能力降低，由于光合作用釋放的O2量大幅度降低，從而使氣體釋放量銳減。

3.4 底層水體晝夜釋放氣體特征的自動(dòng)監(jiān)測(cè)

在氣溫變化范圍為24～34 ℃，光照充分的環(huán)境下，對(duì)底層水體釋放氣體規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)采用3個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，分別位于不同位置。圖9顯示了其中2個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的平均情況。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，使用柱狀圖進(jìn)行呈現(xiàn)。采用曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，y=-2×10-6x4+0.000 1x3-0.002 2x2+0.012 5x+0.008 6(r2=0.648)。

與表層水體相比，底層水體的氣體產(chǎn)生明顯少于表層水體，約為表層水體產(chǎn)氣量的1/4。由于底層水體受到陽(yáng)光輻射少，溫度下降且變化沒有表層明顯，因此沒有明顯的峰值，即底層水體釋放氣體量并未隨著光合作用的增強(qiáng)、減弱呈現(xiàn)升高、降低的規(guī)律性變化。這也說(shuō)明底層水體(泥水界面)產(chǎn)生氣體的機(jī)制與表層水體不同。底層水體收集到的氣體主要來(lái)自底泥。在夏季高溫季節(jié)，底泥處于厭氧條件，微生物驅(qū)動(dòng)的厭氧發(fā)酵過(guò)程強(qiáng)烈[19-20]，產(chǎn)生的氣體以CH4為主，而表層水體釋放氣體以O(shè)2為主。但在白天和夜晚，底層水體氣體產(chǎn)出變化仍存在明顯差別。這可能主要受到底層水體晝夜溫度、溶解氧含量(反映厭氧程度)、養(yǎng)分等環(huán)境條件差異的影響[10]。

3.5 不同層次水體氣體釋放的人工監(jiān)測(cè)

利用人工監(jiān)測(cè)方法對(duì)表層水體24 h內(nèi)釋放氣體的規(guī)律進(jìn)行分析，與重力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。由于人工監(jiān)測(cè)方法收集氣體樣品的間隔時(shí)間較長(zhǎng)，因此對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在相同時(shí)間間隔段內(nèi)進(jìn)行累加(表2)。從不同時(shí)間間隔的釋放比例來(lái)看，8月份人工監(jiān)測(cè)方法獲得的氣體釋放規(guī)律也呈現(xiàn)出隨著每日光合作用的增強(qiáng)、減弱呈現(xiàn)升高、降低的規(guī)律性變化，與重力傳感器獲得的數(shù)據(jù)而擬合的曲線總體上非常相近，12：00—16：00和16：00—20：00都是氣體釋放量最高的2個(gè)時(shí)間段[10]，說(shuō)明重力傳感器能很好地反映氣體釋放的變化情況。此外，與人工稱量方法相比，重力傳感器明顯可以獲得更詳細(xì)的氣體釋放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確反映氣體釋放的最低點(diǎn)和峰值情況。說(shuō)明基于重力傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳輸方法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體釋放氣體規(guī)律能更好、更詳盡地反映水體釋放氣體規(guī)律的實(shí)際情況。

表2 手動(dòng)稱量方法監(jiān)測(cè)水體不同層次氣體釋放體積

4 結(jié)論和展望

基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的水體釋放氣體監(jiān)測(cè)方法能夠?qū)崟r(shí)、定量、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)水體氣體產(chǎn)生規(guī)律。由于該方法節(jié)省了大量人力，克服了以往試驗(yàn)方法難以實(shí)時(shí)、連續(xù)、在不同位置同時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，獲得的數(shù)據(jù)更加充分[21-22]，并且可以根據(jù)需求采集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反映水體產(chǎn)生氣體的規(guī)律。

本技術(shù)目前僅解決了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體產(chǎn)生氣體量的難題，但并未同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境因子(溫度、溶解氧含量、pH值、光照度等)及釋放氣體成分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。下一步，可將環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)探頭安裝在自動(dòng)升降裝置上，并將相應(yīng)的傳感器加入本研究所開發(fā)裝置的傳感器接口模塊中，實(shí)現(xiàn)不同深度水層環(huán)境因子的實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)。另外，還可以引入在線測(cè)定溫室氣體成分CH4、CO2、N2O的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)氣體成分的在線監(jiān)測(cè)。

由于開發(fā)的試驗(yàn)設(shè)備有限，還沒有展開大量布點(diǎn)試驗(yàn)。在進(jìn)一步的研究中，將進(jìn)一步改進(jìn)試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)多層布控，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。隨著監(jiān)測(cè)的不斷進(jìn)行，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也將變得龐大，這些數(shù)據(jù)將成為系統(tǒng)性研究水體氣體產(chǎn)生規(guī)律的寶藏。隨著數(shù)據(jù)的增多，將進(jìn)一步研究和利用各種大數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種影響試驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)因素進(jìn)行辨別和濾除，更好地輔助開展關(guān)于水體溫室氣體和氮相關(guān)氣體釋放規(guī)律的研究。