静态箱研究进展及设施菜地气体采集静态箱研制构想

石飞飞，王维汉

(浙江水利水电学院，浙江杭州 310018)



静态箱研究进展及设施菜地气体采集静态箱研制构想

石飞飞，王维汉

(浙江水利水电学院，浙江杭州 310018)

在研究温室气体排放规律的过程中，气体采集是个关键步骤，而静态箱是其中一个重要的工具。静态箱目前没有成品可以购买，并且在已知温室气体排放源中，农业活动是其中最为重要的释放源。因此，研制适合设施菜地温室气体采集的静态箱对温室气体研究意义重大。总结了静态箱的基本原理和国内外研究进展，综述了各种因素对静态箱气体采集时产生的影响，提出了设施菜地温室气体静态箱的研制构想，以期为今后静态箱的研制和温室气体采集的研究提供科学依据。

设施菜地；静态箱；温室气体采集；研制

自20世纪90年代以来，随着人类活动的加剧和温室气体排放的增多，全球气候变暖已经成为全球广泛关注和研究的环境问题。在联合国气候变化框架公约(UNFCCC)的发展背景之下，各个国家在降低排放、发展绿色经济的道路上已经达成了共识。近年来，我国面对温室气体排放第一大国的现状，在国际社会中倍感舆论压力，如何应对气候问题变得至关重要。

在已知温室气体排放源中，农业活动是其中最为重要的释放源。研究表明，农业占大气人为排放源的58%左右。由于受观测点重复性、研究方法以及土壤的空间变异性等自然条件的限制，目前对农田土壤温室气体的排放量也只是一个粗略估算[1]。因此，正确评估并设法减少农田土壤温室气体的排放量是摆在科学家面前的一大课题。我国作为一个农业大国，研究农田土壤温室气体的排放规律及影响机理，对我国农业生产的可持续发展和全球环境改善都有着重要的现实意义。

在研究温室气体排放规律的过程中，气体采集是个关键步骤，而静态箱是其中一个重要的工具之一。静态箱目前没有成品可以购买，总结静态箱的基本原理，跟踪国内外的研究进展，对温室气体采集的研究十分重要。笔者在综述静态箱的基本原理和国内外研究进展的基础上，提出了适合设施菜地温室气体采集的静态箱研制构想，以期为温室气体采集方法提供科学支撑。

1　静态箱的基本原理

静态箱技术的方法原理：在一定面积的土壤或植物上方，盖上一个特制的密闭箱体，保持被测地上方的箱体气体与外界气体没有任何交换，在一定时段内，抽取箱体内的气体，用气相色谱仪测定N2O的浓度，再可根据箱口面积、箱体体积和历经时间计算出N2O的排放速率。这样可将气体通量的测量转换为微量气体的测量，通过计算可以得到N2O的界面交换通量。

根据质量守恒原理，得下面计算式[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是箱体积(m3)；A是箱所覆盖的面积(m2)；t是箱密闭的时间长度(s)；Ct是时间t的浓度(g/m3)；Vg是气体从箱体漏出的速率(m3/s)；Ca是外围环境中N2O的浓度(g/m3)；Vd是N2O在箱体、植物与土壤表面的沉积率 (m/s)。

静态箱技术要求[2]：①密闭箱设计必须要有定量的边界。②测量过程中必须适当地搅拌箱内空气，使气体混合。③箱体材料对所测定气体要有惰性。④箱体的内外压力必须保持一致。⑤盖箱后对内部环境中的主要土壤与植物性状不产生明显的影响等。

2　国内外研究进展

一般情况下，考虑到地面不均一性容易对测量结果产生影响，因此选用箱口面积较大的设计方案，可减少这种影响，提高精确性。但实际为方便操作，在不影响其精确性的前提下，箱体的盖地面积一般不大于1m2，最小的只有150cm2，体积为3L[3]；一般设计为方形结构，但也有圆形结构的例子，如Flessa等采用的圆筒设计[4]，直径为30cm，占地面积为706cm2；Ineson等采用内径 20cm，容积1 500mL的圆形结构设计[5]；Veldkamp等设计的圆筒结构直径为25cm[6]。

由于所测定的植被不同，箱体的高度设计也各有差异。如测定水稻土时，在箱体不能影响水稻性状的前提之下，为了将水稻全部盖进内部环境，Cai等采用1m的高度设计[7]。测定低矮植被时箱体高度也随之降低，如Meyer等测定无林下植物的林地时，将箱体设计为30cm的高度[8]，当需要测定作物地面时，可以直接往上套接一个与其相吻合的框体。细长形箱体的设计是为了能使箱体置于作物行间，在测定时不影响到周边作物。

为了使箱内气体混匀，箱体内安置一个小风扇，在取样前需开启一段时间。取样量较大时容易造成内部压力明显下降，因此国外的静态箱通常在箱上安装一个通风管，用于平衡箱内外的压力。同时设计一根通风管使内外空气直接相通。通风管一般采用细长的塑料或不锈钢管，这种设计可以使内部扩散量几乎可以忽略不计。如Cai等[7]为了平衡箱内外压力，在箱顶内侧接上一个压力调节袋(仅适于约500mL以下的小取样量)，但并未详细描述其结构原理。

箱体上设计一个小孔，用作取样口，测定时封紧，取样时打开。多数静态箱为获得中部的气样会固定一根PVC或不锈钢小管直达箱体中部。箱体设有基脚，基脚为刚性框，框面与箱面能正好密封吻合，用于预埋入地表，使测定面有一稳定的物理边界。Flessa等用胶垫作接口，并用螺丝上紧[4]。

3　静态箱气体采集时的影响因素

3.1不同温度条件对静态箱气体采集的影响不同温度条件可归结为不同的天气条件和不同的采样时段，温度变化不同，静态箱内的气温和地表温度的改变程度各不相同。晴朗的天气条件下，箱内的气温和地表温度变化较大，短时间内箱内气温上升迅速；阴天或阴雨的天气条件下，箱内气温差一般较小；一般情况下，白天上午、正午和下午箱内的温差变化较大，清晨箱内的温差较晚上和夜间箱内的温差稍高一些。

箱内的气温和地表温度较小时，温差相应降低，箱体内部环境的变化相对稳定，对测量结果影响不明显；箱内的气温和地表温度较大时，温差相应上升，箱体内部环境的变化较明显，对测量结果影响较明显。

3.2不同质料的箱体对静态箱气体采集的影响对于不同质料的箱体，箱内温度变化也各不相同。明箱主要由透明有机玻璃材料制成，盖箱后在太阳光辐射下“温室效应”将会明显加剧，导致箱内温差较大；暗箱由于反射膜的作用，温度变化较弱，较明箱而言，减少了箱内外温度的差异，不需考虑光照影响，减缓了内部小环境的扰动。

3.3不同大小的箱体对静态箱气体采集的影响透光箱体的大小差异也使箱内温度变化各有区别。大箱体由于面积较大而接受较多的太阳短波辐射，地表和箱内空气产生较多的长波辐射无法从箱体内散出去，“温室效应”加强，因此大箱内的气温温差最大。一般情况下，箱内气温差值随着箱体大小的减小而降低[9]。

4　设施菜地温室气体收集静态箱的构想

现有的静态箱一般隔热效果不好，容易引起测量误差，而且大多体积较大、质量较重，给携带、运输及安装等过程都带来较大的不便，更重要的是目前没有专门用于测量设施菜地的静态箱。因此笔者结合国内外研究的现状，提出一种适合设施菜地温室气体通量采集的专用静态箱，其隔热效果佳，从而使测量更为精准。此外，其还具有观测方便、体小质轻以及携带、运输、拆装方便等优点。

由于设施菜地土地多整理为条畦，结合条畦的宽度及大多数蔬菜的种植特点，因此静态箱的规格长宽均为60cm，高度为80cm。箱体可采用亚克力玻璃板制做，箱体的厚度为3.0mm，箱体外表面附一层隔热层，隔热层采用铝箔纸。铝箔纸作为隔热层，是为了保证在取气体时箱体内气体不受太阳照射的影响，不至于因太阳的辐射造成箱体内气体温度的变化而影响气体密度等参数。静态箱的总体重量不超过6kg。

箱体的正上方固定安装一个提手，以方便移动，提手穿过铝箔纸。箱体的侧壁开有取气孔，抽气管插于取气孔处的，抽气管和气孔为取气之用。抽气管穿过铝箔纸而伸向外部，其内端处于箱体之内。箱子内部的正上方固定安装有微型风扇，风扇的作用是取气体时将气体搅拌均匀。箱体顶部装有一个数显温度计，温度计的显示部固定于铝箔纸之上，以供外界观测；数显温度计的探测部伸入箱体之内。温度计的作用是在取气体时观测温度。底座采用亚克力玻璃板制成，底座呈不带顶面的方柱状，其四侧壁各形成一道开口朝上的插槽，4条插槽首尾相连且与箱体的底边相适配，插槽内插入箱体的底边并且密封配合。底座高度15cm，底座壁厚为5mm。取气时，底座内注入水，其预埋入地下，顶部与地面齐平。

5　结语

静态箱是研究温室气体采集的重要工具之一，该研究综述了静态箱的基本原理和国内外研究进展，分析了各种因素对静态箱气体采集时产生的影响，并提出了设施菜地温室气体采集静态箱的研制构想，以期为温室气体采集和静态箱的研制提供科学参考。

[1] 王维汉，毛前， 严爱兰.滴灌下青椒地N2O排放规律研究[J].中国农村水利水电，2014(7)：31-34.

[2] 李志安，邹碧，曹裕松，等.地面氧化亚氮排放静态箱测定技术[J].土壤与环境，2002， 11(4)：413-416.

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

[4]FLESSAH，DÖRSCHP，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，吕达仁，等.箱法在草地温室气体通量野外实验观测中的应用研究[J].大气科学， 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

浙江省自然科学基金项目(Y15E090011)。

石飞飞(1995- )，女，浙江诸暨人，本科生，专业：农业水利工程。

2016-07-04

S 152.7

A

0517-6611(2016)24-226-02