靜態箱研究進展及設施菜地氣體采集靜態箱研制構想

石飛飛，王維漢

(浙江水利水電學院，浙江杭州 310018)

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靜態箱研究進展及設施菜地氣體采集靜態箱研制構想

石飛飛，王維漢

(浙江水利水電學院，浙江杭州 310018)

在研究溫室氣體排放規律的過程中，氣體采集是個關鍵步驟，而靜態箱是其中一個重要的工具。靜態箱目前沒有成品可以購買，并且在已知溫室氣體排放源中，農業活動是其中最為重要的釋放源。因此，研制適合設施菜地溫室氣體采集的靜態箱對溫室氣體研究意義重大。總結了靜態箱的基本原理和國內外研究進展，綜述了各種因素對靜態箱氣體采集時產生的影響，提出了設施菜地溫室氣體靜態箱的研制構想，以期為今后靜態箱的研制和溫室氣體采集的研究提供科學依據。

設施菜地；靜態箱；溫室氣體采集；研制

自20世紀90年代以來，隨著人類活動的加劇和溫室氣體排放的增多，全球氣候變暖已經成為全球廣泛關注和研究的環境問題。在聯合國氣候變化框架公約(UNFCCC)的發展背景之下，各個國家在降低排放、發展綠色經濟的道路上已經達成了共識。近年來，我國面對溫室氣體排放第一大國的現狀，在國際社會中倍感輿論壓力，如何應對氣候問題變得至關重要。

在已知溫室氣體排放源中，農業活動是其中最為重要的釋放源。研究表明，農業占大氣人為排放源的58%左右。由于受觀測點重復性、研究方法以及土壤的空間變異性等自然條件的限制，目前對農田土壤溫室氣體的排放量也只是一個粗略估算[1]。因此，正確評估并設法減少農田土壤溫室氣體的排放量是擺在科學家面前的一大課題。我國作為一個農業大國，研究農田土壤溫室氣體的排放規律及影響機理，對我國農業生產的可持續發展和全球環境改善都有著重要的現實意義。

在研究溫室氣體排放規律的過程中，氣體采集是個關鍵步驟，而靜態箱是其中一個重要的工具之一。靜態箱目前沒有成品可以購買，總結靜態箱的基本原理，跟蹤國內外的研究進展，對溫室氣體采集的研究十分重要。筆者在綜述靜態箱的基本原理和國內外研究進展的基礎上，提出了適合設施菜地溫室氣體采集的靜態箱研制構想，以期為溫室氣體采集方法提供科學支撐。

1　靜態箱的基本原理

靜態箱技術的方法原理：在一定面積的土壤或植物上方，蓋上一個特制的密閉箱體，保持被測地上方的箱體氣體與外界氣體沒有任何交換，在一定時段內，抽取箱體內的氣體，用氣相色譜儀測定N2O的濃度，再可根據箱口面積、箱體體積和歷經時間計算出N2O的排放速率。這樣可將氣體通量的測量轉換為微量氣體的測量，通過計算可以得到N2O的界面交換通量。

根據質量守恒原理，得下面計算式[2]：

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

式中，F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是箱密閉的時間長度(s)；Ct是時間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)。

靜態箱技術要求[2]：①密閉箱設計必須要有定量的邊界。②測量過程中必須適當地攪拌箱內空氣，使氣體混合。③箱體材料對所測定氣體要有惰性。④箱體的內外壓力必須保持一致。⑤蓋箱后對內部環境中的主要土壤與植物性狀不產生明顯的影響等。

2　國內外研究進展

一般情況下，考慮到地面不均一性容易對測量結果產生影響，因此選用箱口面積較大的設計方案，可減少這種影響，提高精確性。但實際為方便操作，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]；一般設計為方形結構，但也有圓形結構的例子，如Flessa等采用的圓筒設計[4]，直徑為30cm，占地面積為706cm2；Ineson等采用內徑 20cm，容積1 500mL的圓形結構設計[5]；Veldkamp等設計的圓筒結構直徑為25cm[6]。

由于所測定的植被不同，箱體的高度設計也各有差異。如測定水稻土時，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內部環境，Cai等采用1m的高度設計[7]。測定低矮植被時箱體高度也隨之降低，如Meyer等測定無林下植物的林地時，將箱體設計為30cm的高度[8]，當需要測定作物地面時，可以直接往上套接一個與其相吻合的框體。細長形箱體的設計是為了能使箱體置于作物行間，在測定時不影響到周邊作物。

為了使箱內氣體混勻，箱體內安置一個小風扇，在取樣前需開啟一段時間。取樣量較大時容易造成內部壓力明顯下降，因此國外的靜態箱通常在箱上安裝一個通風管，用于平衡箱內外的壓力。同時設計一根通風管使內外空氣直接相通。通風管一般采用細長的塑料或不銹鋼管，這種設計可以使內部擴散量幾乎可以忽略不計。如Cai等[7]為了平衡箱內外壓力，在箱頂內側接上一個壓力調節袋(僅適于約500mL以下的小取樣量)，但并未詳細描述其結構原理。

箱體上設計一個小孔，用作取樣口，測定時封緊，取樣時打開。多數靜態箱為獲得中部的氣樣會固定一根PVC或不銹鋼小管直達箱體中部。箱體設有基腳，基腳為剛性框，框面與箱面能正好密封吻合，用于預埋入地表，使測定面有一穩定的物理邊界。Flessa等用膠墊作接口，并用螺絲上緊[4]。

3　靜態箱氣體采集時的影響因素

3.1不同溫度條件對靜態箱氣體采集的影響不同溫度條件可歸結為不同的天氣條件和不同的采樣時段，溫度變化不同，靜態箱內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，箱內的氣溫和地表溫度變化較大，短時間內箱內氣溫上升迅速；陰天或陰雨的天氣條件下，箱內氣溫差一般較小；一般情況下，白天上午、正午和下午箱內的溫差變化較大，清晨箱內的溫差較晚上和夜間箱內的溫差稍高一些。

箱內的氣溫和地表溫度較小時，溫差相應降低，箱體內部環境的變化相對穩定，對測量結果影響不明顯；箱內的氣溫和地表溫度較大時，溫差相應上升，箱體內部環境的變化較明顯，對測量結果影響較明顯。

3.2不同質料的箱體對靜態箱氣體采集的影響對于不同質料的箱體，箱內溫度變化也各不相同。明箱主要由透明有機玻璃材料制成，蓋箱后在太陽光輻射下“溫室效應”將會明顯加劇，導致箱內溫差較大；暗箱由于反射膜的作用，溫度變化較弱，較明箱而言，減少了箱內外溫度的差異，不需考慮光照影響，減緩了內部小環境的擾動。

3.3不同大小的箱體對靜態箱氣體采集的影響透光箱體的大小差異也使箱內溫度變化各有區別。大箱體由于面積較大而接受較多的太陽短波輻射，地表和箱內空氣產生較多的長波輻射無法從箱體內散出去，“溫室效應”加強，因此大箱內的氣溫溫差最大。一般情況下，箱內氣溫差值隨著箱體大小的減小而降低[9]。

4　設施菜地溫室氣體收集靜態箱的構想

現有的靜態箱一般隔熱效果不好，容易引起測量誤差，而且大多體積較大、質量較重，給攜帶、運輸及安裝等過程都帶來較大的不便，更重要的是目前沒有專門用于測量設施菜地的靜態箱。因此筆者結合國內外研究的現狀，提出一種適合設施菜地溫室氣體通量采集的專用靜態箱，其隔熱效果佳，從而使測量更為精準。此外，其還具有觀測方便、體小質輕以及攜帶、運輸、拆裝方便等優點。

由于設施菜地土地多整理為條畦，結合條畦的寬度及大多數蔬菜的種植特點，因此靜態箱的規格長寬均為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箱體內氣體不受太陽照射的影響，不至于因太陽的輻射造成箱體內氣體溫度的變化而影響氣體密度等參數。靜態箱的總體重量不超過6kg。

箱體的正上方固定安裝一個提手，以方便移動，提手穿過鋁箔紙。箱體的側壁開有取氣孔，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，其內端處于箱體之內。箱子內部的正上方固定安裝有微型風扇，風扇的作用是取氣體時將氣體攪拌均勻。箱體頂部裝有一個數顯溫度計，溫度計的顯示部固定于鋁箔紙之上，以供外界觀測；數顯溫度計的探測部伸入箱體之內。溫度計的作用是在取氣體時觀測溫度。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，底座內注入水，其預埋入地下，頂部與地面齊平。

5　結語

靜態箱是研究溫室氣體采集的重要工具之一，該研究綜述了靜態箱的基本原理和國內外研究進展，分析了各種因素對靜態箱氣體采集時產生的影響，并提出了設施菜地溫室氣體采集靜態箱的研制構想，以期為溫室氣體采集和靜態箱的研制提供科學參考。

[1] 王維漢，毛前， 嚴愛蘭.滴灌下青椒地N2O排放規律研究[J].中國農村水利水電，2014(7)：31-34.

[2] 李志安，鄒碧，曹裕松，等.地面氧化亞氮排放靜態箱測定技術[J].土壤與環境，2002， 11(4)：413-416.

[3]SCHILLERCL，HASTIEDR.NitrousoxideandmethanefluxesfromperturbedandunperturbedborealforestsitesinnorthernOntario[J].Journalofgeophysicalresearch，1996，101(D17)：22767-22774.

[4]FLESSAH，D?RSCHP，BEESEF.SeasonalvariationofN2OandCH4fluxesindifferentlymanagedarablesoilsinsouthernGermany[J].Journalofgeophysicalresearch，1995，100(D11)：23115-23124.

[5]INESONP，COWARDPA.SoilgasfluxesofN2O，CH4andCO2beneathLoliumperenneunderelevatedCO2：TheSwissfreeaircarbondioxideenrichmentexperiment[J].Plantsoil， 1998， 198：89-95.

[6]VELDKAMPE，KELLERM.Nitrogenoxideemissionsfromabananapl-antationinthehumidtropics[J].Journalofgeophysicalresearch， 1997， 102(D13)：15889-15898.

[7]CAIZC，XINGGX，YANGXY，etal.Methaneandnitrousoxideemissionsfromricepaddyfieldsasaffectedbynitrogenfertilisersandwatermanagement[J].Plantandsoil， 1997， 196：7-14.

[8]MEYERCP，GALBALLYIE，WANGYP，etal.Twoautomaticchambertechniquesformeasuringsoil-atmosphereexchangesoftracegasesandresultsoftheiruseintheoasisfieldexperiment[C]//CSIROAtmosphericResearchTechnicalPaperNo.51.Melbourne，Australia， 2001：5-20.

[9] 杜睿，王庚辰，呂達仁，等.箱法在草地溫室氣體通量野外實驗觀測中的應用研究[J].大氣科學， 2001，25(1)：61-74.

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

浙江省自然科學基金項目(Y15E090011)。

石飛飛(1995- )，女，浙江諸暨人，本科生，專業：農業水利工程。

2016-07-04

S 152.7

A

0517-6611(2016)24-226-02