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嵌套式静态采样箱的设计及其在稻田甲烷通量监测中的应用

2011-12-24刘孝富王文杰王维蒋卫国刘海江毕军平温月雷陈强

环境工程技术学报 2011年6期
关键词:嵌套底座通量

刘孝富,王文杰 ,王维,蒋卫国,刘海江,毕军平,温月雷,陈强

1.北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室,北京 100875

2.中国环境科学研究院环境信息研究所,北京 100012

3.中国环境监测总站生态室,北京 100012

4.湖南省环境监测中心站,湖南 长沙 410014

5.东北师范大学城市与环境科学学院,吉林 长春 130024

甲烷是重要的温室气体,其较强的增温作用,是导致全球气候变化的关键因素之一[1-2]。大气甲烷的主要排放源为湿地、化石燃料开采、固体废物堆存、反刍家畜饲养以及生物质燃烧等[3-4],其中湿地(包括天然湿地、稻田)是全球大气甲烷的最大排放源,而天然湿地排放的甲烷达到全球甲烷总排放量的20%~39%[5-9]。开展湿地生态系统甲烷监测对于研究全球气候变化具有重要意义。

目前湿地生态系统甲烷的监测主要通过野外实地测量和样品实验室培养2种手段[10]。野外实地测量侧重于研究甲烷排放通量,而样品实验室培养侧重研究甲烷产生和排放机理。野外实地测量甲烷排放通量的方法主要有箱法、微气象法、红外光谱法及同位素法,其中最常用的是微气象法和箱法[11]。微气象法是通过测量近地层湍流状况和微量气体的浓度变化来推导地表气体排放通量,包括涡度相关法、松弛涡度累积法、空气动力学廓线法、能量平衡法[12-16]等。微气象法的优点是响应快、覆盖面积大,但对下垫面、大气稳定度以及仪器的灵敏度要求较高[17-18],使用条件和高昂的成本限制了微气象法的应用。箱法是将特殊材料制成的箱体罩在土壤中,通过测定箱体中待测气体浓度的变化以及通过箱体入口和出口待测气体的浓度差异来计算排放通量,主要包括密闭式静态箱、开放式动态箱、密闭式动态箱[12,19-22]。箱法的优点是操作简单,成本低廉[23],已广泛用于不同湿地类型甲烷排放通量观测中[24-31]。但由于箱体的封闭和半封闭性改变了箱体内温度、湿度等条件,干扰了被观测对象[6],使观测数据存在较大的误差。此外,采样箱多由底座、延长箱和顶箱三部分组成,每部分都占用一定的空间,当同时需对多个目标进行监测时,数量和空间的增大会导致采样箱运输的不便,这成为箱法监测湿地甲烷排放通量的瓶颈之一。

国内外很多学者开展了采样箱的设计,基本样式分为圆柱体和立方体2种,盖地面积为0.1~0.4 m2,高15 ~90 cm[32-37]。材料多由有机玻璃(又称丙烯酸薄板、压克力板)[33,36,38-39]、不锈钢[19,35,40]、铝片[41-42]、PVC(乙烯基聚合物)材料以及HDPE(高密度聚乙烯)材料[43]组成。笔者在前人设计的基础上,对采样箱进行改造和完善,提高采样箱的便携性,减少对被观测对象的影响,并通过实地观测,验证箱法的科学性、客观性和精确性,为湿地甲烷的箱法监测发展提供技术支持。

1 采样箱设计的基本准则

采样箱设计的基本目标在于实现携带的便利性和采样数据的可靠性,需遵循以下准则。

尺寸的合理性。一般来说采样箱覆盖的地表面积越大,所获数据的精确性越高[24],但多个体积过大的采样箱,给设备运输造成困难,也给野外人工携带带来不便。因此,在进行甲烷野外观测时,应根据运输车辆大小和所测定地表覆盖的类型确定合理的采样箱尺寸。地表覆盖较均匀时,采样箱的尺寸可较小,常采用0.5 m×0.5 m,甚至更小;地表覆盖较复杂时,采样箱的尺寸应适当增大,但地表覆盖面积不宜超过1 m2,整体高度不宜超过1.5 m。

结构的扩展性。当需要用同一设备测量不同类型甲烷排放情况时,在尽量不割除地表植被的情况下,采样箱需调节不同的高度,这就要求采样箱结构灵活,具有扩展性。一般的采样箱底座和顶箱数量、大小基本固定不变,要使采样箱结构具有扩展性,则要求延长箱的数量和体积是可变的。

材料的多功能性。采样箱的材料要满足多重功能:1)质地坚硬,要求能插入土壤当中;2)在长期的搬运过程中,不易破碎;3)材料无异味,不易挥发,以免影响被测气体浓度;4)材料具有一定隔热性,以免箱内温度升高过快;5)材料为透明和半透明体,以免影响地表植物光合作用。

配件布置的完整性。采样箱的配件包括电风扇、温度计、取样管等。电风扇用于混合箱内气体,其布置应不受箱体内植被的干扰;温度计测量箱体内气相参数,水银温度计应布置在肉眼容易观测的位置,数字温度计探头应设置在采样箱中部;取样管用于从箱体内抽取样品,其进口端位于箱体中心。

2 洞庭湖湿地甲烷监测采样箱设计

2.1 洞庭湖湿地甲烷的监测

洞庭湖湿地位于我国湖南省境内,面积1.3万km2,主要湿地类型包括芦苇、苔草、杨树林、稻田和泥沙滩地。洞庭湖湿地甲烷的野外监测要求:1)在一定时间内,用静态采样箱-气相色谱法监测洞庭湖不同湿地类型甲烷平均排放通量;2)通过布设多个监测点位,建立点排放通量到面排放通量遥感反演模型,并计算研究范围内湿地甲烷的年排放总量。根据采样箱设计的基本准则和野外监测要求,开展适合洞庭湖湿地甲烷监测特色的静态采样箱设计。

2.2 嵌套式静态采样箱设计

2.2.1 结构设计

嵌套式静态采样箱结构设计借鉴收音机天线形式,通过伸缩调节长度和体积。当运输时,通过嵌套压缩体积;当监测时,通过展开叠加扩大体积。表1为嵌套式静态采样箱的结构说明。静态采样箱的主体结构仍为底座、延长箱和顶箱,所不同的是在运输和不使用时顶箱嵌套在延长箱中,既可扣在底座上也可扣在延长箱上。当需要监测低矮植被时,使用底座+顶箱组合;当需要监测较高植被时,使用底座+延长箱+顶箱组合(图1)。

表1 嵌套式静态采样箱结构说明Table 1 Structure description of nested sampling chamber

图1 不同植被高度下的结构组合Fig.1 Components assembly under different plant height

2.2.2 尺寸设计

洞庭湖湿地中芦苇的高度常达到2~3 m;水稻高度为0.3~1 m;苔草和泥沙滩地植被相对较矮,一般不超过0.5 m。在实际监测过程中,芦苇过高需割除监测,而其他湿地类型尽可能覆盖植被监测,因此采样箱的尺寸设计至少需满足水稻的生长。综合考虑得出洞庭湖湿地甲烷监测静态采样箱的尺寸,底座为50 cm×50 cm×20 cm(卡条1 cm×50 cm×2 cm,交换孔直径20 mm);延长箱为50 cm×50 cm×50 cm(卡条1 cm×50 cm×2 cm);顶箱为48 cm×48 cm×48 cm(卡条1 cm×50 cm×1 cm)。

2.2.3 材料选择

由静态箱设计的基本准则可知,材料需具备多功能性。不锈钢材料不易损坏,可多次使用,无疑是较好的选择,但不锈钢密度较大,若按上述尺寸设计,整体质量达到10~15 kg,给野外人工搬运和安装造成不便。因此笔者在静态箱的设计上选用不同的材料相结合,其中底座采用不锈钢,不锈钢较薄可以方便地插入土壤中。延长箱和顶箱选用有机玻璃(亚克力)或PVC材料。由于有机玻璃透明度较高,容易引起箱体内温度升高过快,因此在实际使用时应在箱体两侧覆盖一层不透明纸或其他薄的不透明材料。

2.2.4 配套装置

设计的静态采样箱配套装置包括采样管、数字温度计、小风扇、电池、三通阀、注射器、夹子和气体采样袋(图2)。在顶箱左侧和顶部分别开2个小孔,左侧小孔用于安装采样管,采样管为铜质金属管,由顶箱上部直插箱体中部;顶部小孔用于插入小风扇电源导线、数字温度计传感器等。小风扇用于混匀箱内气体,粘贴于顶箱上部内侧。数字温度计有多种型号,但要求其精度至少达到0.1℃。三通阀分别连接采样管、注射器和采样袋。

图2 静态采样箱配件Fig.2 Accessories of static sampling chamber

3 嵌套式采样箱在洞庭湖湿地甲烷监测中的应用

3.1 操作规程

3.1.1 仪器准备

仪器设备包括整套采样箱、电瓶、注射器、数字温度计、气体采样袋、样品收集箱、卷尺、剪刀、玻璃胶及推进器、野外试验记录表、标签纸等,以及其他可选的参数测量设备,如土壤湿度计,温度计,pH计和Eh计等。气体采样袋可重复使用,应确保采样前为真空态。

3.1.2 采样箱安装

野外根据植被高度,采用底座+延长箱+顶箱安装(植被较高)和底座+顶箱安装(植被较低)方式。安装时先按采样箱尺寸选定范围,将地表植物往圈内靠拢,以免连接箱体时挤压植株,影响监测箱的密封性;将底座平稳地插入土壤,使下面的交换孔全部没入土壤中,注意尽量不要压坏植物根系。各箱体扣上后,用玻璃胶封住交接处,将水注入水槽直到水溢出,以使箱体完全封闭。

采样箱主体结构安装完毕后,插入采样管,连接三通阀、注射器和采样袋;接通小风扇电源,插入数字温度计传感器,从而完成整个采样箱的安装。

3.1.3 采样与简易参数测量

采样箱静止2 min后,开始采集箱体内气体原始样。如图2所示,首先打开夹子A,用注射器抽取一定体积样品;关闭夹子A,打开夹子B,将注射器中的气体推入气体采样袋中,该样品设为原始样品,编号为1。开启小风扇,开始混合箱内气体,每间隔10 min取样1次,连续取样7次,依次编号为2~8,每次取样须记录箱内的温度,样品放入四周填充泡沫的塑料封闭箱内储存。取样完毕后,切断风扇电源。拔出底座,测量底座插入土壤深度,进入下个样点采样。

采样期间,同时测量该点的简易参数,如大气温度,土壤温度,土壤水分,土壤pH,土壤Eh,地表水位等。

3.2 采样箱在稻田甲烷排放观测中的应用

3.2.1 监测点位

通过野外考察,在南洞庭湖区所属的沅江市茈湖口镇选定6个典型点位,开展嵌套式采样箱甲烷观测试验。监测点位和采样箱采样过程如图3和图4所示。

3.2.2 监测数据可靠性分析

采样时间为2011年4月19日09:00—15:00,依次对6个稻田点位进行样品采集。样品采集后立即送回实验室,并用气相色谱法分析甲烷浓度,通过甲烷浓度的变化率计算稻田甲烷排放通量。野外共采集48个样品,表2为各样品甲烷浓度监测数据。

各监测点甲烷浓度的变化如图5所示。由图5可见,各监测点在初始40 min甲烷浓度基本保持上升趋势,40 min以后呈现波动不稳定性,这可能是由于随着监测时间的增加,箱体内温度、湿度变化太大,极大改变了箱体内植被的生存环境,从而间接导致甲烷排放的不稳定,建议采样操作最好在40 min内完成。

表2 稻田样品甲烷浓度Table 2 Methane concentration of samples of paddy field

图5 各监测点甲烷浓度随时间变化Fig.5 Methane concentration changes with time of each monitoring point

以初始40 min的甲烷浓度数据为基础进行线性分析,各点线性方程如表3所示。由表3可以看出,6个监测点的甲烷浓度变化率为0.227~0.424 mg/(m3·min),平均浓度变化率为 0.32 mg/(m3·min)。采样箱箱体的覆盖面积为0.25 m2,采样时采用底座和顶箱结构组合,除去插入土壤部分,箱体总体积为0.135 m3,计算得到稻田甲烷的平均排放通量为10.37 mg/(m2·h)。有研究表明我国华中地区稻田甲烷的平均排放通量为4.5~22.1 mg/(m2·h)[44-45]或 7.6 ~ 11.5 mg/(m2·h)[46];也有研究表明亚热带红壤性稻田甲烷排放通量为10 mg/(m2·h)[47]。笔者所选试验区位于我国华中地区,为亚热带红壤性稻田,因此观测数据与已有同类研究所取得的结果基本相符。

表3 各监测点甲烷浓度与时间线性关系Table 3 Linear relationship between methane concentration and time of each monitoring point mg/(m3·min)

4 结论

(1)嵌套式静态采样箱的主要创新在于高度和体积的可调节性。在不使用或运输时能够将顶箱装入延长箱中,起到压缩体积的作用;在监测采样时,可以将顶箱扣在延长箱上,从而扩大体积。在实际操作中可根据不同的情况通过增加和减少延长箱数量来调节箱体高度。

(2)嵌套式静态采样箱通过延长箱和顶箱的套装设计,具有携带方便、操作简单的特性,适用于不同植被类型甲烷通量的观测。

(3)利用嵌套式静态采样箱监测湿地甲烷排放通量数据与同类研究结果相符,但采样操作最好在40 min内完成,若采样时间过长,箱体内温度、湿度的变化间接改变了植物原有的生长环境,从而导致甲烷排放的不稳定性。

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