土壤和大气碳氮水循环过程中气体的产生与输送检测方案(其它环境监测)

SciencetoSolutions PRI-ECO普瑞亿科SciencetoSolutions CO2 CH4 NH3 N2O H2O气体地上地下立体观测方案 一、研究目的和意义 准确量化生物圈与大气圈之间的温室气体交换对于生态系统过程、物质循环机制和气候变化响应等方面的研究具有重要意义。对于许多痕量气体而言，其在土壤和大气间的交换对于评价其区域或全球的收支非常重要。 微气象学方法是观测温室气体通量的重要方法，其主要的优势是可以进行原位无干扰的连续观测，而且在单点上观测的通量信号是通量贡献区内不同位置地面通量的加权平均(Baldocchi et al.， 1988)，可以代表一定区域的通量交换信息。目前，常用的微气象学方法主要包括涡度相关法(EC)和通量梯度法( FG)。涡度相关法被认为是观测生态系统与大气之间能量和物质交换的直接方法，其计算原理不基于任何假设且无需经验参数，并且已有较完善的理论和实践验证，已经被广泛应用于不同生态系统的物质及能量观测( Baldocchi et al.， 2001； Baldocchi， 2014)。根据涡度相关法的基本原理，需要对观测的目标气体进行高频采样(≥10Hz)。 全天候、立体化实时监测土壤-大气碳氮水循环过程中 CO2， CH4， NH3， N2O和H2O等气体产生与输送，可以定量研究生态系统关键过程参数，土壤-大气界面气体交换过程、土壤和大气层内气体垂直运移过程，阐述土壤-大气循环生物化学过程物质和能量交换。为碳氮水物质和能量循环提供高频大数据支持。 二、研究方法 气体在土壤中和土壤和大气间的传输是通过垂直浓度梯度驱动的。我们开发了一套地上廓线+界面排放+地下廓线的立体式痕量气体监测系统，同时可以监控土壤水分、温度和盐度参数。主要的包含的技术如下： 1)地上廓线采样技术 利用风杆/通量塔布设不同高度的采样点，高度依据研究目标和目的来确定。一般可分3-5层不同高度来采样，采样管线为1/4"特氟龙管，因为要测试 NH3，管线需铺设加热带，保持气体不冷凝，尽量防止NH3和水汽作用。 针对该技术普瑞亿科从2009年开始为不同需求的客户定制开发对应产品，已具有10余年的经验。为国内多所科研院所、高校提供不下30套产品，涵盖森林、农田、草原、城市等不同生态系统。 2)地下廓线采样技术 该采样技术(专利号：202021501088.2)是基于气体扩散传输，能够适于任何痕量气体。采用半渗透膜技术，只允许目标气体通过渗透膜进入采样管路。实验前将管路埋入土壤剖面，等待一周的时间让土壤沉降恢复，后期取样对土壤无扰动，无破坏。因为土壤排放气体量非常少，我们需要引入稀释模块对采集的气体进行自动稀释。稀释的目的有2个：一是获得足够测量的气体量；二是土壤中的 CO2气体浓度比大气高出10倍以上(大气中CO2浓度约为400ppm， 土壤中浓度可达4000到几万 ppm)， 超出了分析仪的测量范围，需要稀释以满足其测量。半透膜管的气体扩散有效性已经在实验室内利用 N2O、CO2和CH4确定。 针对该技术普瑞亿科从2016年开始作为国家重大仪器项目研制组课题参与成员，负责地下廓线系统的开发和研制。目前设备已经安装至项目研究地点，运行1年多，获得地理所实施监测的老师的认可。 3)界面通量采样技术 界面通量一般提供明暗两种呼吸室。暗室主要用来测试土壤呼吸，因为无光进入，在黑暗环境中，测量的是植物、土壤、土壤动物和土壤微生物等的呼吸释放。采用了独特的动压平衡设计(专利号：ZL201420354126.4)，有效减少了风对气体浓度的扰动。透明呼吸室(专利号：ZL202010450149.5)主要用来进行同化作用测定，透明呼吸室采用高透光性的材料，透光率≥90%，内部往往倒扣有植物，因为有光的参与，同一时间既有植物的光合作用，也有植物、土壤、土壤动物和土壤微生物等的呼吸释放，是一种综合作用的结果。 由明暗叶室和分析仪之间构成闭路循环，测定气路中的 CO2， CH4， NH3， N2O和H2O气体浓度。该技术研发从2011年开始，至今已经有10余年的历史。在设备使用过程中，我们遇到不同的要求和挑战，设备也在不断的迭代。目前设备安装地点有：长白山森林，青藏高原，山东农大试验田，新疆石河子大学试验站，千烟洲，贡嘎山，厦门大学湿地试验站，青海湿地保护区等。基本属于无人值守长期监测应用。 4)多通道复路技术 分析仪本身只有一个进气口，因此，多通道复路系统的作用就是将地上、地下廓线和明暗叶室采集的气体按设定顺序和工作间隔送入主机进行测试。 多通道复路技术(专利号：ZL201810968150.X)主要配合地上地下和界面采样系统，因此也有10余年的历史。该产品也经历过2次技术更新，适应各种严酷条件，可长期野外无故障运行。 5)气体浓度测量技术和涡度相关测量技术 气体浓度测量设备为法国 AP2E ProCeas CO2 CH4 N2O NH3 H2O气体分析仪，能同步测量这五种组分的气体浓度。主要采用专利的红外激光反馈技术 OFCEAS (专利号： WO03031949)和低压采样技术LPS(专利号： WO2010058107)进行测量. 涡度相关测量设备为瑞士 MIRO公公 MGA5-Flux系列测量系统，该测量系统可高频(10Hz)采集监测 CO2 CH4 N2O NH3 H2O 五组分气体浓度，同时集成三维超声风速。所有数据整合通过主机自主完成。分析仪可通过有线或网络进行数据传输，并具有主机远程自主报错提醒功能，能实现远程控制操作，最大限度满足科研需要。 6)云平台技术 PRI-ECO 独立开发的 Prieco-loT 云平台，实时采集各站点设备运行状态和监测数据，可通过手机、PC 等多终端设备进行数据的查看与收取、实时画面监控以及自动生成报表等。全局把控，随时访问，统一管理。 三、实施方案 整套监测系统由地上地下廓线系统、涡度相关系统和界面通量监测系统三部分组成。这三部分可整体布局，也可分开各自布局，根据研究方向而定。 ●涡度相关系统 包含 MIRO MGA-flux 涡度相关测量系统和Gill WindMaster( Pro)三维超声风速风向仪。 ● 地上地下廓线系统 包含 AP2E ProCeas CO2 CH4 N2O NH3 H2O分析仪，PRI-8400 地下闭路连续测量系统，PRI-8500 大气廓线分析系统和 Warden土壤水分、温度、盐分测量系统。 ● 界面通量监测系统 包含 AP2E ProCeas CO2 CH4 N2O NH3 H2O分析仪， PRI-8600多通道土壤呼吸(群落光合)测量系统. 四、更多方案分享 今天与大家分享了关于 CO2 CH4 N2O NH3 H2O气体地上地下立体观测方案，更多关于生态观测的新技术与新应用的方案分享，欢迎大家移步至中国生态大讲堂2021春季研讨会专题报告- 生态观测新技术、新应用和新场景初探 报告详尽地展示了如何利用新技术更加精准高效地进行生态观测研究以及全新观测系统的应用方案分享。 如果您对我们的产品感兴趣 或者对本期的内容有任何问题 欢迎致电垂询 联系电话：010-88128191 邮箱：support@pri-eco.com 生态有限公司 北京普瑞科科技有限公司 www.pri-eco.com        全天候、立体化实时监测土壤-大气碳氮水循环过程中CO2，CH4，NH3，N2O和H2O等气体的产生与输送，可以为碳氮水物质和能量循环提供有力的数据支撑，对生态系统过程、气候变化响应等研究具有重要意义。本期与大家分享的就是——CO2 CH4 NH3 N2O H2O 气体地上地下立体观测方案       准确量化生物圈与大气圈之间的温室气体交换对于生态系统过程、物质循环机制和气候变化响应等方面的研究具有重要意义。对于许多痕量气体而言，其在土壤和大气间的交换对于评价其区域或全球的收支非常重要。<图源丨网络>       微气象学方法是观测温室气体通量的重要方法，其主要的优势是可以进行原位无干扰的连续观测，而且在单点上观测的通量信号是通量贡献区内不同位置地面通量的加权平均（Baldocchi et al., 1988）, 可以代表一定区域的通量交换信息。       目前，常用的微气象学方法主要包括涡度相关法（EC）和通量梯度法（FG）。涡度相关法被认为是观测生态系统与大气之间能量和物质交换的直接方法，其计算原理不基于任何假设且无需经验参数，并且已有较完善的理论和实践验证，已经被广泛应用于不同生态系统的物质及能量观测（Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2014）。根据涡度相关法的基本原理，需要对观测的目标气体进行高频采样（≥10 Hz）。       全天候、立体化实时监测土壤-大气碳氮水循环过程中CO2，CH4，NH3，N2O和H2O等气体的产生与输送，可以定量研究生态系统关键过程参数，土壤-大气界面气体交换过程、土壤和大气层内气体垂直运移过程，阐述土壤-大气循环生物化学过程物质和能量交换，为碳氮水物质和能量循环提供高频大数据支持。       气体在土壤中和土壤和大气间的传输是通过垂直浓度梯度驱动的。我们开发了一套地上廓线+界面排放+地下廓线的立体式痕量气体监测系统，同时可以监控土壤水分、温度和盐度参数。主要的包含的技术如下：       利用风杆/通量塔布设不同高度的采样点，高度依据研究目标和目的来确定。一般可分3-5层不同高度来采样，采样管线为1/4″特氟龙管，因为要测试NH3，管线需铺设加热带，保持气体不冷凝，尽量防止NH3和水汽作用。       针对该技术普瑞亿科从2009年开始为不同需求的客户定制开发对应产品，已具有10余年的经验。为国内多所科研院所、高校提供不下30套产品，涵盖森林、农田、草原、城市等不同生态系统。       该采样技术（专利号：202021501088.2）是基于气体扩散传输，能够适于任何痕量气体。采用半渗透膜技术，只允许目标气体通过渗透膜进入采样管路。实验前将管路埋入土壤剖面，等待一周的时间让土壤沉降恢复，后期取样对土壤无扰动，无破坏。因为土壤排放气体量非常少，我们需要引入稀释模块对采集的气体进行自动稀释。稀释的目的有2个：一是获得足够测量的气体量；二是土壤中的CO2气体浓度比大气高出10倍以上（大气中CO2浓度约为400ppm，土壤中浓度可达4000到几万ppm），超出了分析仪的测量范围，需要稀释以满足其测量。半透膜管的气体扩散有效性已经在实验室内利用N2O、CO2和CH4确定。       针对该技术普瑞亿科从2016年开始作为国家重大仪器项目研制组课题参与成员，负责地下廓线系统的开发和研制。目前设备已经安装至项目研究地点，运行1年多，获得地理所实施监测的老师的认可。       界面通量一般提供明暗两种呼吸室。暗室主要用来测试土壤呼吸，因为无光进入，在黑暗环境中，测量的是植物、土壤、土壤动物和土壤微生物等的呼吸释放。采用了独特的动压平衡设计（专利号：ZL201420354126.4），有效减少了风对气体浓度的扰动。透明呼吸室（专利号：ZL202010450149.5）主要用来进行同化作用测定，透明呼吸室采用高透光性的材料，透光率≥90%，内部往往倒扣有植物，因为有光的参与，同一时间既有植物的光合作用，也有植物、土壤、土壤动物和土壤微生物等的呼吸释放，是一种综合作用的结果。       由明暗叶室和分析仪之间构成闭路循环，测定气路中的CO2、CH4、NH3、N2O和H2O气体浓度。该技术研发从2011年开始，至今已经有10余年的历史。在设备使用过程中，我们遇到不同的要求和挑战，设备也在不断的迭代。目前设备安装地点有：长白山森林，青藏高原，山东农大试验田，新疆石河子大学试验站，千烟洲，贡嘎山，厦门大学湿地试验站，青海湿地保护区等。基本属于无人值守长期监测应用。       分析仪本身只有一个进气口，因此，多通道复路系统的作用就是将地上、地下廓线和明暗叶室采集的气体按设定顺序和工作间隔送入主机进行测试。       多通道复路技术（专利号：ZL201810968150.X）主要配合地上地下和界面采样系统，因此也有10余年的历史。该产品也经历过2次技术更新，适应各种严酷条件，可长期野外无故障运行。       气体浓度测量设备为法国AP2E ProCeas CO2 CH4 N2O NH3 H2O气体分析仪，能同步测量这五种组分的气体浓度。主要采用专利的红外激光反馈技术OFCEAS（专利号：WO03031949）和低压采样技术LPS（专利号：WO2010058107）进行测量。       涡度相关测量设备为瑞士MIRO公司 MGA5-Flux系列测量系统，该测量系统可高频（10 Hz）采集监测CO2 CH4 N2O NH3 H2O五组分气体浓度，同时集成三维超声风速。所有数据整合通过主机自主完成。分析仪可通过有线或网络进行数据传输，并具有主机远程自主报错提醒功能，能实现远程控制操作，更大程度满足科研需要。       PRI-ECO独立开发的Prieco-loT云平台，可实时采集各站点设备的运行状态和监测数据，可通过手机、PC等多终端设备进行数据的查看与收取、实时画面监控以及自动生成报表等。全局把控，随时访问，统一管理。       整套监测系统由地上地下廓线系统、涡度相关系统和界面通量监测系统三部分组成。这三部分可整体布局，也可分开各自布局，根据研究方向而定。涡度相关系统包含MIRO MGA-flux涡度相关测量系统和Gill WindMaster( Pro）三维超声风速风向仪。地上地下廓线系统包含AP2E ProCeas CO2 CH4 N2O NH3 H2O分析仪，PRI-8400地下闭路连续测量系统，PRI-8500大气廓线分析系统和Warden土壤水分、温度、盐分测量系统。界面通量监测系统包含AP2E ProCeas CO2 CH4 N2O NH3 H2O分析仪，PRI-8600多通道土壤呼吸（群落光合）测量系统