本實用新型涉及一種土壤環(huán)境研究監(jiān)測輔助設(shè)備，具體涉及一種適用于寒區(qū)土壤溫室氣體排放采樣裝置。
背景技術(shù)：
近年來，寒區(qū)土壤溫室氣體（CO2、CH4、N2O等）排放已成為極地生態(tài)環(huán)境研究的熱點。對于極地廣泛存在的多年凍土，全球氣候變暖和凍融格局變化將導(dǎo)致土體的溫室氣體排放過程發(fā)生根本改變，向大氣釋放大量的CO2、CH4和N2O等溫室氣體，增強氣候變暖的趨勢，形成對氣候變化的正反饋效應(yīng)。因此，在凍土區(qū)土體凍融過程中，準(zhǔn)確地采集土壤氣體樣品是研究全球氣候變暖和凍融格局改變對土壤溫室氣體排放的影響及其作用機理的前提。然而，鑒于寒區(qū)惡劣的氣候環(huán)境和表層土體特有的凍融過程，使得以往常規(guī)土壤氣體收集方法（預(yù)埋采樣瓶法、直插取氣管法等）難以發(fā)揮有效作用。以往常規(guī)土壤氣體收集裝置易受到土體凍融作用而破壞，在土體融化季節(jié)因毛細管堵塞、水分聚集而難以收集到土壤氣體，從而導(dǎo)致這類土壤氣體取樣裝置失效。
目前，適用于常規(guī)地區(qū)的土壤氣體取樣裝置類型繁多，并有相關(guān)專利申請，例如：
中國專利（申請?zhí)枮?01410607680.3）公開了一種“防污染土壤氣體取樣裝置”，其實質(zhì)主要是通過將頂端帶有毛細孔的中空鉆桿打入土壤預(yù)定深度，然后再利用軟管對土壤氣體進行采樣。該裝置的毛細管在鉆桿打入土體過程中很容易堵塞，且在水位較高或土體水分含量較高情況下水分容易進入鉆桿內(nèi)部，導(dǎo)致難以收集到土壤氣體；再則，在寒區(qū)土體凍融過程中，該裝置容易受到凍拔作用的影響，導(dǎo)致土壤氣體取樣位置與預(yù)定深度產(chǎn)生偏差。因此，該裝置只適用于地下水位較低、砂質(zhì)土壤、且不存在凍融作用的常規(guī)地區(qū)的土壤氣體采集，對于寒區(qū)土壤氣體取樣，該裝置難以發(fā)揮有效作用。
還有，申請?zhí)枮?01410676771.2的專利公開了一種“土壤氣體取樣系統(tǒng)”，其實質(zhì)是將多根帶有微孔的氣體采集管分別水平埋入土壤不同深度，然后再通過導(dǎo)氣管對每根采集管中的氣體進行采集。該裝置在預(yù)埋采集管的過程中需要開挖土壤剖面，然后再將采集管水平插入不同深度土壤中。在土壤剖面開挖過程中，土體受到強烈擾動；且氣體采集管水平插入土中時，采集管上的微孔容易堵塞。再者，在土體水位較高或土壤水分下滲過程中，采集管中容易積水而導(dǎo)致難以收集到土壤氣體。因此，該裝置用于土壤氣體的采集，安裝布設(shè)麻煩、對土壤擾動大，導(dǎo)致氣樣采集結(jié)果失真；而且，受地下水位和土壤水分下滲的影響，采集管中容易積水，導(dǎo)致難以收集到土壤氣體。因此，該裝置比較適用于非飽和砂質(zhì)土壤地區(qū)，因此，該裝置難以實現(xiàn)寒區(qū)土壤氣體樣品的采集。
再如，申請?zhí)枮?01110159118.5的專利公開了“一種緩沖式土壤氣體取樣裝置”，其實質(zhì)是將用于測定CO2、CH4和N2O等溫室氣體通量的靜態(tài)箱增設(shè)氣囊后改進而成，該裝置雖然較好地解決了現(xiàn)有土壤氣體取樣裝置因缺乏緩沖氣壓結(jié)構(gòu)而易造成箱體正向或反向漏氣及土壤氣體釋放易受箱體內(nèi)存氣壓抑制的缺陷，但該裝置只能用于測定地表土壤氣體的總排放通量，無法采集土壤內(nèi)部不同層次的土壤氣體。因此，對于實現(xiàn)寒區(qū)不同深度土壤氣體的采集分析，該裝置無法滿足要求。
因此，在寒區(qū)土壤溫室氣體排放研究中，設(shè)計出一種能夠克服土體凍融作用影響、具有水-氣分離功能的土壤氣體收集裝置，對于深刻理解寒區(qū)土壤碳排放過程和作用機制、提高研究水平具有十分重要的意義。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
鑒于上述，本實用新型的目的在于提供一種適用于寒區(qū)土壤內(nèi)氣體取樣裝置，克服土體凍融作用導(dǎo)致氣體取樣裝置積水、進氣孔易堵塞以及由于箱體正向或反向漏氣及土壤氣體釋放易受箱體內(nèi)存氣壓抑制等弊端，確保被測土體位置所取氣樣的測量結(jié)果更接近真實值。
本實用新型的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
一種適用于寒區(qū)土壤內(nèi)氣體取樣裝置，該裝置由中空氣體收集腔體、半透膜、抽氣管、氣囊、四通閥門、直通閥門、硅膠塞和注射器組成。其中，中空氣體收集腔體由有機玻璃、PVC或不銹鋼等材料做成的雙層圓柱形筒體，筒體內(nèi)外壁均勻開設(shè)有通氣孔，筒體底部和頂部密封；半透膜位于雙層圓柱形筒體中間，中空氣體收集腔體與抽氣管緊密連接，抽氣管下端穿過中空氣體收集腔體頂部深入腔體內(nèi)部中間部位，抽氣管上端與四通閥門連接；四通閥門的左右兩端各連接一只氣囊，四通閥門（5）另一個端口連接直通閥門，直通閥門的端口設(shè)有硅膠塞，注射器插入硅膠塞中。
本實用新型的原理是：
將土壤氣體收集箱體做成雙層圓柱狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層圓柱體側(cè)面均勻開設(shè)較大孔徑的氣孔通道，兩圓柱體中間夾層設(shè)置半透膜（在氣體濃度差驅(qū)動下只允許氣體分子透過，而隔絕水分子進入），從而解決在土體凍融過程和裝置埋設(shè)過程中避免氣體收集腔體積水和氣孔通道堵塞等問題；氣體收集箱體的兩圓柱體上下兩端均密封，只在頂端開設(shè)一個導(dǎo)氣孔通過軟管引致地表，以便于氣樣的抽取。為避免土壤氣體取樣腔體因缺乏緩沖氣壓結(jié)構(gòu)而造成土壤氣體釋放受腔體內(nèi)存氣壓抑制的缺陷，通過在地面以上導(dǎo)氣管上增設(shè)氣囊調(diào)節(jié)土壤內(nèi)部氣體取樣腔體內(nèi)的氣體氣壓：當(dāng)土壤內(nèi)部氣體釋放致使腔體內(nèi)氣壓升高時，氣囊向外膨脹以使腔體內(nèi)、外氣壓保持平衡；當(dāng)抽取氣樣使腔體內(nèi)氣壓逐步減小時，氣囊隨之收縮，以使腔體內(nèi)、外氣壓仍然保持平衡。同時，通過觀察氣囊的膨脹狀態(tài)，判斷腔體內(nèi)部氣壓的大小和收集土壤氣體的多少。
本實用新型的優(yōu)點是：
本實用新型提供了一種適用于寒區(qū)土壤內(nèi)氣體取樣裝置，該裝置中空氣體收集腔體的雙層圓柱形筒體中間采用了半透膜結(jié)構(gòu)，只允許土壤氣體透過而阻止水汽通過，避免了土壤在凍融過程和降水下滲過程中氣體收集腔體容易積水的弊端；雙層圓柱形腔體上開設(shè)的導(dǎo)氣通道孔徑較大，可有效避免進氣孔堵塞而導(dǎo)致取氣失?。煌瑫r，抽氣管上安裝的氣囊可有效平衡腔體內(nèi)外土壤的氣壓，克服了土壤氣體釋放過程受到抑制的難題，保證了裝置在整個土壤氣體收集、取樣過程中氣體樣品的質(zhì)量，確保腔體內(nèi)被測氣體濃度與所測土壤深度的氣體濃度相符，提高土壤氣體排放監(jiān)測結(jié)果的可靠性；該裝置可以通過土鉆埋置于不同土壤深度，對樣地和土層擾動小、氣體取樣一致性好，確保所測數(shù)據(jù)的真實性和準(zhǔn)確性，可以實現(xiàn)土壤氣體監(jiān)測定點、長期連續(xù)觀測。
附圖說明
圖1為本實用新型示意圖。
圖1中，1—中空氣體收集腔體；2—透氣孔；3—抽氣管；4—氣囊；5—四通閥門；6—直通閥門；7—硅膠塞；8—注射器；9—半透膜。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型的技術(shù)方案作進一步說明：
一種適用于寒區(qū)土壤內(nèi)氣體取樣裝置，該裝置由中空氣體收集腔體1、半透膜9、抽氣管3、氣囊4、四通閥門5、直通閥門6、硅膠塞7和注射器8組成。其中，中空氣體收集腔體1是由有機玻璃、PVC或不銹鋼等材料做成的雙層圓柱形筒體，筒體內(nèi)外壁均勻開設(shè)有通氣孔2，筒體底部和頂部密封；半透膜9位于雙層圓柱形筒體中間，具有只允許氣體分子透過而阻止水汽通過的性能、土壤中的氣體在濃度梯度或壓力差作用下透過半透膜9進入腔體內(nèi)部；中空氣體收集腔體1與抽氣管3緊密連接，抽氣管3下端穿過中空氣體收集腔體1頂部深入腔體內(nèi)部中間部位，抽氣管3上端與四通閥門5連接；四通閥門5的左右兩端各連接一只氣囊4，氣囊是由不透氣、質(zhì)地輕薄柔然且伸縮性良好的橡膠、聚氨酯或乳膠制備而成膜囊。四通閥門5剩余一個端口連接直通閥門6；直通閥門6用于使用注射器8抽取氣體時抽氣管3的啟閉，抽氣管3的材料可為不銹鋼、橡膠或聚四氟乙烯；硅膠塞7置于直通閥門6的端口，起進一步密閉抽氣管3的作用；注射器8插入硅膠塞7中，抽取腔體內(nèi)的氣體。
對于寒區(qū)土壤溫室氣體的排放研究，通常需要采集2米甚至更深范圍內(nèi)的土壤氣體，且由于凍融過程中融化鋒面處土壤常常過飽和且水分聚集。在抽取土壤氣體之前，用土鉆挖取鉆孔將中空氣體收集腔體1置于預(yù)定深度，將抽氣管3引至地面，然后分層將取出的土壤回填壓實；隨著土壤中的氣體逐漸進入中空氣體收集腔體1，腔體內(nèi)的氣體濃度增加、氣壓升高，從而使附于抽氣管3左右兩側(cè)的氣囊4膨脹。氣囊4的最大膨脹體積大于等于現(xiàn)場監(jiān)測試驗連續(xù)4次每次50毫升的氣樣體積。根據(jù)試驗計劃設(shè)定的時間間隔用注射器8抽取中空氣體收集腔體1氣樣。中空氣體收集腔體1內(nèi)的氣壓降低，氣囊4也隨之收縮以保持中空氣體收集腔體1內(nèi)的氣壓平衡。用氣相色譜儀對抽取的氣樣的溫室氣體（CO2、CH4、N2O）濃度進行分析，計算相應(yīng)土壤溫室氣體的排放通量。