陆地-大气界面气体交换通量的标定系统及方法

摘要

一种陆地‑大气界面气体交换通量的标定系统及方法，该标定系统包括：交换过程模拟单元，将标准气体钢瓶中的标准气体与储气罐的空气混合，得到混合气体；T型平衡口平衡混合空气与环境大气的气压差；因混合气体与环境大气的浓度差异，经过渗透层发生陆地‑大气交换；渗透层特征变化模拟不同类型土壤的陆地‑大气交换过程；交换通量测量单元，与交换过程模拟单元相连，检测储气罐混合气体和环境大气的浓度；环境变量测量单元，与交换过程模拟单元相连，根据传感器模块的数据及混合气体和环境大气的浓度，确定陆地‑大气交换通量的标准值Fs。由此，实现对密闭箱法陆地‑大气交换通量测量值Fm的误差标定，即绝对误差ea＝Fm‑Fs。

权利要求

1.一种陆地-大气界面气体交换通量的标定系统，包括：

交换过程模拟单元(1)，用于将标准气体钢瓶(4)中的标准气体与储气罐(8)的空气混合，得到混合气体；T型平衡口平衡混合气体与环境大气的气压差；因所述混合气体与环境大气的浓度差异，经过渗透层(11)发生陆地-大气交换，所述储气罐(8)内混合气体与环境大气间的浓度差异，决定了分子扩散的方向和速率：当储气罐(8)内混合气体浓度高于环境大气时，混合气体分子经渗透层(11)扩散至环境大气，所述交换过程模拟单元(1)模拟陆地土壤排放过程；当储气罐(8)内混合气体浓度低于环境大气时，环境大气气体分子经渗透层(11)扩散至储气罐(8)中，所述交换过程模拟单元(1)模拟陆地土壤吸收过程；储气罐(8)内混合气体与环境大气间的浓度梯度越大，气体分子扩散速率越高，所述交换过程模拟单元(1)模拟陆地土壤不同排放源或吸收汇的强度；渗透层特征变化模拟不同类型土壤的陆地-大气交换过程；

交换通量测量单元(2)，与所述交换过程模拟单元相连，用于检测所述储气罐(8)内混合气体和环境大气的浓度；

环境变量测量单元(3)，与所述交换过程模拟单元相连，用于根据传感器模块的数据及所述混合气体和环境大气的浓度，确定陆地-大气交换通量的标准值。

2.根据权利要求1所述的标定系统，其中，所述交换过程模拟单元(1)包括：

所述渗透层(11)由灭菌后的细沙组成，改变细沙的数量、水分含量和粒径分布模拟不同类型的土壤；

所述标准气体钢瓶(4)贮存预定浓度的标准气体；

所述储气罐(8)通过第一气路与标准气体钢瓶(4)相连；

第一两位两通电磁阀(6)位于所述第一气路上，其开启和关闭用于控制标准气体是否流入储气罐(8)：当所述第一两位两通电磁阀(6)开启时，位于所述第一气路上的质量流量控制器(7)调节标准气体流入储气罐(8)的流速，使储气罐(8)内混合气体的浓度达到一设定值；当第一两位两通电磁阀(6)关闭时，所述储气罐(8)与环境大气之间气体的浓度差使所述混合气体和环境大气经渗透层(11)进行陆地-大气交换。

3.根据权利要求2所述的标定系统，其中，所述储气罐(8)还通过第二气路与所述环境大气连接，第二两位两通电磁阀(12)和T型平衡口(13)位于所述第二气路上，用于平衡储气罐(8)内混合气体与环境大气间的气压差，并防止水平侧向风对储气罐(8)内混合气体浓度和压力的干扰。

4.根据权利要求3所述的标定系统，其中，所述交换过程模拟单元(1)还包括：两个轴流风扇(9)，分别位于所述储气罐(8)的左、右内壁上，用于使储气罐(8)内气体充分混合；

渗透膜(10)，位于所述渗透层(11)的底部，用于通过混合气体和环境大气，阻隔渗透层细沙。

5.根据权利要求4所述的标定系统，其中，所述交换通量测量单元(2)内设：

第一CO2分析仪(17)用于检测储气罐(8)内混合气体中CO2的浓度；

第一CH4和N2O分析仪(18)用于检测储气罐(8)内混合气体中CH4和N2O的浓度，从而确定所述混合气体中CO2、CH4和N2O浓度Ctank(t)随时间t的变化；且所述第一CO2分析仪(17)和所述第一CH4和N2O分析仪(18)通过循环回路连接所述储气罐(8)，所述循环回路包括第四气路和第五气路；

第二CO2分析仪(22)，用于检测环境大气中CO2的浓度；

第二CH4和N2O分析仪(23)，用于检测环境大气中CH4和N2O的浓度，从而确定所述环境大气中CO2、CH4和N2O浓度Camb(t)随时间t的变化；所述第二CO2分析仪(22)和第二CH4和N2O分析仪(23)通过第六气路和第七气路连接环境大气。

6.根据权利要求5所述的标定系统，其中，所述环境变量测量单元(3)内设传感器模块，所述传感器模块包括：第一差压传感器和记录仪(25)，通过第三气路与所述储气罐(8)连接，用于测量并记录储气罐(8)内混合气体与环境大气间的气压差，且所述第三气路还包括第三两位两通电磁阀(14)，用于控制所述第一差压传感器和记录仪(25)的测量；

空气温湿度传感器(26)，放置于防辐射罩(27)内，所述空气温湿度传感器(26)用于测量环境大气的温度Tamb(t)和湿度；

大气压力传感器(28)，用于测量环境大气的气压Pamb(t)；

土壤湿度传感器(29)，埋设于所述渗透层(11)中，用于测量渗透层(11)的土壤体积含水量，并参与计算渗透层(11)的充气孔隙体积Vsand；

三维超声风速仪(30)，用于测量环境大气的湍流状况；

数据采集器(31)，用于采集传感器模块的数据，所述传感器模块的数据包括：所述空气温湿度传感器(26)、大气压力传感器(28)、土壤湿度传感器(29)和三维超声风速仪(30)的电信号；

根据所述传感器模块的数据、储气罐(8)内混合气体浓度和环境大气浓度，确定陆地-大气交换通量的标准值。

7.一种陆地-大气界面气体交换通量的标定方法，应用于如权利要求1至6中任一所述的陆地-大气界面气体交换通量的标定系统，该方法包括：将标准气体钢瓶中的标准气体与储气罐的空气混合，得到混合气体；T型平衡口平衡混合气体和环境大气的气压差；因所述混合气体与环境大气的浓度差异，经过渗透层发生陆地-大气交换；

所述交换通量测量单元检测储气罐内混合气体浓度Ctank(t)和环境大气浓度Camb(t)随时间t的变化，校正渗透层内土壤气体浓度变化对储气罐内混合气体浓度的影响，确定储气罐内混合气体浓度的校正值C'tank(t)；

根据传感器模块的气压Pamb(t)和温度数据Tamb(t)以及C'tank(t)，采用质量平衡原理确定陆地-大气交换通量的标准值Fs。

8.根据权利要求7所述的标定方法，其中，

式中，Camb(0)和Ctank(0)分别为标定开始时刻(t＝0)环境大气和储气罐(8)内混合气体的浓度；Camb(t)和Ctank(t)分别为标定过程中t时刻环境大气和储气罐(8)内混合气体的浓度；Vsand为渗透层(11)的充气孔隙体积；Vtank为储气罐(8)的体积。

9.根据权利要求8所述的标定方法，其中，

式中，Htank为储气罐(8)的高度； 为储气罐(8)内混合气体浓度校正值C'tank(t)随时间t在标定初始时刻(t→0)的变化率； 和 分别为标定过程中环境大气的气压Pamb(t)和温度Tamb(t)的平均值；Ps、Ts和ρs分别为标准状态下的气压、温度和测定气体的密度。

说明书

陆地-大气界面气体交换通量的标定系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及陆地生态系统-大气界面物质交换通量观测的技术领域，特别涉及一种陆地-大气界面气体交换通量的标定系统及方法。

背景技术

[0002] 大气中温室气体浓度增加导致全球增温已成为气候变化研究的焦点问题，陆地-大气间气体交换过程显著影响大气中温室气体的浓度，准确度量陆地-大气交换通量(即单位时间内通过陆地与大气界面单位面积的气体质量)及其时空变化特征，是科学评估陆地生态系统温室气体源、汇强度及其对气候变化贡献的前提基础。

[0003] 密闭箱法(分为静态箱法和动态箱法)是度量陆地-大气交换通量最常用的方法，其原理是采用密闭箱体覆盖于土壤植被体系之上，通过测定密闭箱体内气体浓度随时间的变化速率来计算陆地-大气交换通量。全球较普遍采用的密闭箱方法是密闭暗箱采样-气相色谱分析方法，该方法主要适用于可变组分气体(如：主要的温室气体，二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O))交换通量的度量。

[0004] 密闭箱法是一种非稳态测量方法，密闭箱罩箱和气体样品采集会对环境条件(大气压力、温湿度、湍流状况和土壤气体浓度梯度)产生扰动，进而造成密闭箱法陆地-大气交换通量的测量误差，这种扰动及其造成的误差可以通过技术改进显著降低，但由于密闭箱法非稳态的测量原理，这种扰动和误差无法彻底消除，因此，急需技术方法对非稳态测量造成的陆地-大气交换通量测量误差进行定量。

[0005] 除了扰动环境条件导致测量误差外，全球各研究机构依据测量对象和实验条件的不同，在实验布设、密闭箱体设计、气体样品采集和浓度检测、交换通量计算、数据质量控制、环境参数校正等多方面采用了差异化方案，这些测量方案的差异可能影响陆地-大气交换通量的测量精度。

[0006] 申请人发现目前尚缺少技术方法能够对密闭箱法非稳态测量和差异化测量方案造成的交换通量测量误差进行标定，进而导致国家温室气体排放清单编制和减排策略评估的不确定性，当前亟待研发陆地-大气界面气体交换通量的标定系统与方法，对密闭箱法陆地-大气交换通量的测量误差进行标定，全面提升陆地生态系统-大气界面物质交换通量的观测技术水平。

发明内容

[0007] (一)要解决的技术问题

[0008] 本发明的目的在于提供一种陆地-大气界面气体交换通量的标定系统及方法，以解决上述的至少一项技术问题。

[0009] (二)技术方案

[0010] 本发明提供了一种陆地-大气界面气体交换通量的标定系统，包括：

[0011] 交换过程模拟单元，用于将标准气体钢瓶中的标准气体与储气罐的空气混合，得到混合气体；T型平衡口平衡混合气体与环境大气的气压差；因所述混合气体与环境大气的浓度差异，经过渗透层发生陆地-大气交换；渗透层特征变化模拟不同类型土壤的陆地-大气交换过程；

[0012] 交换通量测量单元，与所述交换过程模拟单元相连，用于检测所述储气罐内混合气体和环境大气的浓度；

[0013] 环境变量测量单元，与所述交换过程模拟单元相连，用于根据传感器模块的数据及所述混合气体和环境大气的浓度，确定陆地-大气交换通量的标准值。

[0014] 在本发明的一些实施例中，所述交换过程模拟单元包括：

[0015] 所述渗透层由灭菌后的细沙组成，改变细沙的数量、水分含量和粒径分布模拟不同类型的土壤；

[0016] 所述标准气体钢瓶内贮存预定浓度的标准气体；

[0017] 所述储气罐通过第一气路与标准气体钢瓶相连；

[0018] 第一两位两通电磁阀，位于所述第一气路上，其开启和关闭用于控制标准气体是否流入储气罐：当所述第一两位两通电磁阀开启时，位于所述第一气路上的质量流量控制器调节标准气体流入储气罐的流速，使储气罐内混合气体的浓度达到一设定值；当第一两位两通电磁阀关闭时，所述储气罐与环境大气之间气体的浓度差使所述混合气体和环境大气经渗透层进行陆地-大气交换；

[0019] 所述储气罐内混合气体与环境大气间的浓度差异，决定了分子扩散的方向和速率：当储气罐内混合气体浓度高于环境大气时，混合气体分子经渗透层扩散至环境大气，所述交换过程模拟单元模拟陆地土壤排放过程；当储气罐内混合气体浓度低于环境大气时，环境大气气体分子经渗透层扩散至储气罐中，所述交换过程模拟单元模拟陆地土壤吸收过程；储气罐内混合气体与环境大气间的浓度梯度越大，气体分子扩散速率越高，所述交换过程模拟单元模拟陆地土壤不同排放源或吸收汇的强度。

[0020] 在本发明的一些实施例中，所述储气罐还通过第二气路与所述环境大气连接，第二两位两通电磁阀和T型平衡口位于所述第二气路上，用于平衡储气罐内混合气体与环境大气间的气压差，并防止水平侧向风对储气罐内混合气体浓度和压力的干扰。

[0021] 在本发明的一些实施例中，所述交换过程模拟单元还包括：

[0022] 两个轴流风扇，分别位于所述储气罐的左、右内壁上，用于使储气罐内气体充分混合；

[0023] 渗透膜，位于所述渗透层的底部，用于通过混合气体和环境大气，阻隔渗透层细沙。

[0024] 在本发明的一些实施例中，所述交换通量测量单元内设：

[0025] 第一CO2分析仪用于检测储气罐内混合气体中CO2的浓度；

[0026] 第一CH4和N2O分析仪用于检测储气罐内混合气体中CH4和N2O的浓度，从而确定所述混合气体中CO2、CH4和N2O浓度Ctank(t)随时间t的变化；且所述第一CO2分析仪和所述第一CH4和N2O分析仪通过循环回路连接所述储气罐，所述循环回路包括第四气路和第五气路；

[0027] 第二CO2分析仪，用于检测环境大气中CO2的浓度；

[0028] 第二CH4和N2O分析仪，用于检测环境大气中CH4和N2O的浓度，从而确定所述环境大气中CO2、CH4和N2O浓度Camb(t)随时间t的变化；所述第二CO2分析仪和第二CH4和N2O分析仪通过第六气路和第七气路连接环境大气。

[0029] 在本发明的一些实施例中，所述环境变量测量单元内设传感器模块，所述传感器模块包括：

[0030] 第一差压传感器和记录仪，通过第三气路与所述储气罐连接，用于测量并记录储气罐内混合气体与环境大气间的气压差，且所述第三气路还包括第三两位两通电磁阀，用于控制所述第一差压传感器和记录仪的测量；

[0031] 空气温湿度传感器，放置于防辐射罩内，所述空气温湿度传感器用于测量环境大气的温度Tamb(t)和湿度；

[0032] 大气压力传感器，用于测量环境大气的气压Pamb(t)；

[0033] 土壤湿度传感器，埋设于所述渗透层中，用于测量渗透层的土壤体积含水量，并参与计算渗透层的充气孔隙体积Vsand；

[0034] 三维超声风速仪，用于测量环境大气的湍流状况；

[0035] 数据采集器，用于采集传感器模块的数据，所述传感器模块的数据包括：所述空气温湿度传感器、大气压力传感器、土壤湿度传感器和三维超声风速仪的电信号；

[0036] 根据所述传感器模块的数据、储气罐内混合气体浓度和环境大气浓度，确定陆地-大气交换通量的标准值。

[0037] 本发明实施例还提供了一种陆地-大气界面气体交换通量的标定方法，应用于前述的陆地-大气界面气体交换通量的标定系统，该方法包括：

[0038] 将标准气体钢瓶中的标准气体与储气罐的空气混合，得到混合气体；T型平衡口平衡混合气体和环境大气的气压差；因所述混合气体与环境大气的浓度差异，经过渗透层发生陆地-大气交换；

[0039] 所述交换通量测量单元检测储气罐内混合气体浓度Ctank(t)和环境大气浓度Camb(t)随时间t的变化，校正渗透层内土壤气体浓度变化对储气罐内混合气体浓度的影响，确定储气罐内混合气体浓度的校正值C′tank(t)；

[0040] 根据传感器模块的气压Pamb(t)和温度数据Tamb(t)以及C′tank(t)，采用质量平衡原理确定陆地-大气交换通量的标准值Fs。

[0041] 在本发明的一些实施例中，

[0042]

[0043] 式中，Camb(0)和Ctank(0)分别为标定开始时刻(t＝0)环境大气和储气罐内混合气体的浓度；Camb(t)和Ctank(t)分别为标定过程中t时刻环境大气和储气罐内混合气体的浓度；Vsand为渗透层的充气孔隙体积；Vtank为储气罐的体积。

[0044] 在本发明的一些实施例中，

[0045]

[0046] 式中，Htank为储气罐的高度； 为储气罐内混合气体浓度校正值C′tank(t)随时间t在标定初始时刻(t→0)的变化率； 和 分别为标定过程中环境大气的气压Pamb(t)和温度Tamb(t)的平均值；Ps、Ts和ρs分别为标准状态下的气压、温度和测定气体的密度。

[0047] (三)有益效果

[0048] 本发明的陆地-大气界面气体交换通量的标定系统及方法，相较于现有技术至少具有以下优点：

[0049] (1)通过改变“交换过程模拟单元”标准气体钢瓶内标准气体的浓度，以及标准钢瓶向储气罐内注入标准气体的流速和时间，储气罐与环境大气间产生不同的气体浓度差异，当储气罐内气体浓度高于环境大气时，气体分子经过渗透层扩散至环境大气中，反之，环境大气中的气体分子经渗透层扩散至储气罐中，浓度差异水平决定了扩散速率即交换通量的大小，浓度差异的正负决定了气体扩散方向即交换通量的正(排放)负(吸收)，因此，“交换过程模拟单元”能够模拟陆地生态系统-大气界面复杂的气体交换过程，包括排放和吸收过程以及不同的排放和吸收强度。

[0050] (2)渗透层由灭菌后的细沙组成，细沙灭菌后不会因微生物固持和释放作用影响渗透层内气体交换过程和陆地-大气交换通量标准值的度量，此外，改变细沙的数量(即渗透层高度)、水分含量和粒径组成，可以模拟不同类型土壤的陆地-大气交换特征。

[0051] (3)“交换过程模拟单元”储气罐上设计了T型平衡口并安装了实时压差监测设备，确保储气罐内气压与环境大气压力一致，因此，渗透层内气体的扩散过程以分子扩散为主体，与自然界土壤气体交换过程一致，此外，T型平衡口可以防止水平侧向风对储气罐内大气压力和气体浓度的干扰。

[0052] (4)“交换过程模拟单元”储气罐和渗透层的横截面积是主流密闭箱横截面积的10倍以上，因此，密闭箱法罩箱和误差标定过程不会显著干扰渗透层气体交换过程及交换通量标准值的度量。

[0053] (5)“交换通量测量单元”高频同步测量储气罐内和环境大气气体浓度随时间的变化，并校正计算渗透层土壤气体浓度变化对储气罐内气体浓度的影响，依据质量平衡原理准确计算陆地-大气交换通量的标准值。

[0054] (6)“环境变量测量单元”对密闭箱内、外主要环境要素(土壤湿度以及大气温、湿、压、压差和湍流状况)进行高频同步测量，定量表征密闭箱法罩箱和观测过程对环境条件的影响，揭示造成陆地-大气交换通量测量误差的环境干扰因素。

[0055] (7)通过自动化控制和编程，减少了标定工作劳动强度和观测人员对环境条件(如湍流状况和气体浓度等)的扰动。

[0056] 陆地-大气界面气体交换通量的标定系统可以标定基于密闭箱原理的所有测定方法(包括：静态箱、动态箱、透明箱、暗箱、高频和低频观测方法)，并同步标定多种气体(如主要的温室气体CO2、CH4和N2O等)陆地-大气交换通量的测量误差，揭示造成测量误差的主因，规范陆地-大气交换通量观测方案，为未来陆地-大气界面气体交换通量观测国家标准和行业规范的建立提供关键技术支撑。

附图说明

[0057] 图1为本发明实施例的陆地-大气界面气体交换通量标定系统的结构示意图；

[0058] 图2为本发明针对一具体实施例的陆地-大气界面气体交换通量测量误差标定方法的结构示意图；

[0059] 图3为本发明实施例的陆地-大气界面气体交换通量标定方法的步骤示意图。

[0060] 【符号说明】

[0061] 1-交换过程模拟单元；2-交换通量测量单元；3-环境变量测量单元；4-标准气体钢瓶；5-减压阀；6-第一两位两通电磁阀；7-质量流量控制器；8-储气罐；9-轴流风扇；10-渗透膜；11-渗透层；12-第二两位两通电磁阀；13-T型平衡口；14-第三两位两通电磁阀；15-第一游标刻度针阀；16-第一滤膜；17-第一CO2分析仪；18-第一CH4和N2O分析仪；19-第一隔膜泵；20-第二游标刻度针阀；21-第二滤膜；22-第二CO2分析仪；23-第二CH4和N2O分析仪；24-第二隔膜泵；25-第一差压传感器和记录仪；26-空气温湿度传感器；27-防辐射罩；28-大气压力传感器；29-土壤湿度传感器；30-超声风速仪；31-数据采集器；32-支架；33-密闭箱法测量单元；34-基座；35-橡胶密封圈；36-密闭暗箱；37-空气温度传感器；38-空气温度读表；39-第二差压传感器和记录仪；40-开关截止阀；41-针筒；42-气相色谱。

具体实施方式

[0062] 基于现有技术的缺陷，本发明提供了一种陆地-大气界面气体交换通量的标定系统及方法，实现了对陆地-大气交换通量标准值的度量，以及对密闭箱法陆地-大气交换通量测量误差的标定。

[0063] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

[0064] 本发明实施例提供了一种陆地-大气界面气体交换通量的标定系统，如图1所述，该标定系统包括：

[0065] 交换过程模拟单元1，用于将标准气体钢瓶中的标准气体与储气罐的空气混合，得到混合气体；因所述混合气体与环境大气的浓度差，发生陆地-大气交换；

[0066] 交换通量测量单元2，与所述交换过程模拟单元相连，用于检测所述储气罐内混合气体和环境大气的浓度；

[0067] 环境变量测量单元3，与所述交换过程模拟单元相连，用于根据传感器模块的数据以及所述混合气体和环境大气的浓度，依据质量平衡原理确定陆地-大气交换通量的标准值Fs。

[0068] 接着，就对该标定系统的各个单元进行详细描述。

[0069] (1)所述交换过程模拟单元1内设：

[0070] 标准气体钢瓶4内贮存预定浓度的标准气体；

[0071] 减压阀5位于标准气体钢瓶的输出端，用于设置所述标准气体钢瓶4的输出压力；

[0072] 所述储气罐8通过第一气路与标准气体钢瓶4相连；

[0073] 第一两位两通电磁阀6位于所述第一气路上，其开启和关断用于控制标准气体是否流入储气罐8：当所述第一两位两通电磁阀6开启时，位于所述第一气路上的质量流量控制器7用于调节标准气体流入储气罐8的流速，使储气罐8内混合气体的浓度达到一设定值；当第一两位两通电磁阀6关断时，所述储气罐8与环境大气之间的浓度差使气体分子经所述储气罐8的渗透层11进行陆地-大气交换。

[0074] 所述交换过程模拟单元1还包括：

[0075] 两个轴流风扇9，分别位于所述储气罐8的左、右内壁上，用于使储气罐8内气体充分混合；

[0076] 渗透膜10，位于所述渗透层的底部，用于通过混合气体和环境大气，阻隔渗透层11的细沙；

[0077] 所述储气罐8还通过第二气路与所述环境大气连接，第二两位两通电磁阀12和T型平衡口13位于所述第二气路上，用于平衡储气罐8内混合气体与环境大气间的气压差，并防止水平侧向风对储气罐8内气体浓度和气压的干扰。

[0078] (2)所述交换通量测量单元2内设：

[0079] 第一CO2分析仪17用于检测储气罐8内混合气体中CO2的浓度；

[0080] 第一CH4和N2O分析仪18用于检测储气罐8内混合气体中CH4和N2O的浓度，从而确定所述混合气体中CO2、CH4和N2O的浓度Ctank(t)；且所述第一CO2分析仪17和所述第一CH4和N2O分析仪18通过循环回路连接所述储气罐8，所述循环回路包括第四气路和第五气路；

[0081] 第二CO2分析仪22，用于检测环境大气中CO2的浓度；

[0082] 第二CH4和N2O分析仪23，用于检测环境大气中CH4和N2O的浓度，从而确定所述环境大气中CO2、CH4和N2O的浓度Camb(t)，用于校正渗透层内土壤气体浓度变化对储气罐内混合气体浓度的影响，确定储气罐内混合气体浓度的校正值C′tank(t)；且所述第二CO2分析仪22和第二CH4和N2O分析仪23通过第六气路和第七气路连接环境大气；

[0083] 位于所述第五气路上的第一隔膜泵19，用于抽取储气罐8内的混合气体；

[0084] 位于所述第四气路上的第一游标刻度针阀15和第一滤膜16，用于调节循环回路的气体流速和过滤流经循环回路的混合气体中的大颗粒物；

[0085] 位于所述第七气路上的第二隔膜泵24，用于抽取环境大气；

[0086] 位于所述第六气路上的第二游标刻度针阀20和第二滤膜21，用于调节第六气路和第七气路的气体流速以及过滤流经第六气路环境大气中的大颗粒物。

[0087] (3)所述环境变量测量单元3内设传感器模块，所述传感器模块包括：

[0088] 第一差压传感器和记录仪25，通过第三气路与所述储气罐8连接，用于测量并记录储气罐8中混合气体与环境大气间的压力差，且所述第三气路还包括一第三两位两通电磁阀14，用于控制所述第一差压传感器和记录仪25的测量；

[0089] 空气温湿度传感器26，放置于防辐射罩27内，所述第一空气温湿度传感器26用于测量环境大气的温度Tamb(t)和湿度；

[0090] 大气压力传感器28，用于测量环境大气压Pamb(t)；

[0091] 土壤湿度传感器29，设置于所述渗透层11中，用于测量渗透层11的土壤体积含水量，并参与计算渗透层11的充气孔隙体积Vsand；

[0092] 三维超声风速仪30，用于测量环境大气的湍流状况；

[0093] 数据采集器31，用于采集传感器模块的数据，所述传感器模块的数据包括：所述空气温湿度传感器26、大气压力传感器28、土壤湿度传感器29和三维超声风速仪30的电信号；

[0094] 所述环境变量测量单元3还包括一支架32，用于固定所述传感器模块；

[0095] 根据所述传感器模块的数据，环境大气CO2、CH4和N2O浓度，以及混合气体CO2、CH4和N2O浓度，确定陆地-大气交换通量的标准值Fs。

[0096] 请再参照图2，本发明针对一具体实施例的陆地-大气界面气体交换通量测量误差标定方法的详细描述：

[0097] 以下描述陆地-大气交换通量标准值Fs的度量和计算方法。

[0098] 如图2所示，标准气体钢瓶4内储存预设浓度的标准气体，打开标准气体钢瓶4的总阀门，通过减压阀5设置标准气体钢瓶4的输出压力。第一两位两通电磁阀6打开，质量流量控制计7设置第一气路内标准气体的流速，标准气体经第一气路进入储气罐8。轴流风扇9打开，将第一气路注入的标准气体与储气罐8内空气充分混合。

[0099] 第二两位两通电磁阀12打开，第一气路注入的标准气体使储气罐8内气压高于环境大气压，储气罐8内气体经第二气路的两位两通电磁阀12和T型平衡口13放空，T型平衡口13防止外界水平侧向风对储气罐8内混合气体压力和浓度的干扰。

[0100] 第一隔膜泵19抽取储气罐8内混合气体经第四气路、第一游标刻度针阀15和第一滤膜16依次进入第一CO2分析仪17及第一CH4和N2O分析仪18，后经第五气路返回储气罐8，第一滤膜16过滤大颗粒物防止其污染第一CO2分析仪17(非色散红外气体分析仪)及第一CH4和N2O分析仪18(离轴积分腔输出光谱仪)的光路，第一游标刻度针阀15调节循环回路(第四和第五气路)气体流速。当第一CO2分析仪17及第一CH4和N2O分析仪18检测的储气罐8内混合气体浓度达到预设值范围时，第一两位两通电磁阀6关闭，轴流风扇9关闭，第三两位两通电磁阀14打开，第一差压传感器和记录仪25测量并显示储气罐8与环境大气的压力差。

[0101] 当储气罐8与环境大气的压力差降为零时，第二两位两通电磁阀12和第三两位两通电磁阀14关闭，陆地-大气交换通量标准值Fs度量开始(t＝0)，第一CO2分析仪17及第一CH4和N2O分析仪18高频(1赫兹)测量并记录储气罐8内混合气体浓度Ctank(t)随时间t的变化，第二CO2分析仪22及第二CH4和N2O分析仪23高频(1赫兹)测量并记录环境大气浓度Camb(t)随时间t的变化，空气温湿度传感器26测量环境空气温度Tamb(t)，大气压力传感器28测量环境大气压力Pamb(t)，三维超声风速仪30测量环境大气湍流状况(三维风速和风向)。

[0102] 储气罐8内混合气体与环境大气间CO2、CH4和N2O浓度差异，决定了分子扩散的方向和速率。当储气罐8内混合气体浓度高于环境大气时，储气罐8内CO2、CH4和N2O分子经渗透膜10和渗透层11扩散至环境大气，储气罐8内混合气体和环境大气之间浓度差异越大扩散速率越高，此时，交换过程模拟单元1模拟土壤排放过程以及不同的排放源强度；当储气罐8内气体浓度低于环境大气时，环境大气中CO2、CH4和N2O分子经渗透层11和渗透膜10扩散至储气罐8，环境大气和储气罐8内混合气体浓度差异越大扩散速率越高，此时，交换过程模拟单元1模拟土壤吸收过程以及不同的吸收汇强度。渗透膜10使气体分子可透过、渗透层11的细沙不能透过。

[0103] 渗透层11内土壤气体的浓度变化影响储气罐8内混合气体浓度的变化率，需对所述储气罐8内混合气体浓度Ctank(t)进行校正，假设渗透层11内土壤气体浓度为储气罐8内混合气体和环境大气浓度的平均值，确定t时刻储气罐8内混合气体浓度校正值C′tank(t)的计算公式如下：

[0104]

[0105] 式中，Camb(0)和Ctank(0)分别为Fs度量开始时刻(t＝0)环境大气和储气罐内混合气体的浓度；Camb(t)和Ctank(t)分别为Fs度量过程中t时刻环境大气和储气罐内混合气体的浓度；Vsand为渗透层的充气孔隙体积；Vtank为储气罐的体积。

[0106] 更进一步地，陆地-大气交换通量标准值Fs的计算公式如下：

[0107]

[0108] 式中，Htank为储气罐8的高度； 为储气罐8内混合气体浓度校正值C′tank(t)随时间t在Fs度量初始时刻(t→0)的变化率； 和 分别为Fs度量过程中环境大气压力Pamb(t)和空气温度Tamb(t)的平均值；Ps、Ts和ρs分别为标准状态下的大气压力、温度和测定气体的密度。

[0109] 以下描述陆地-大气交换通量测量值Fm的度量和计算方法。

[0110] 本发明实施例还加入了一密闭箱法测量单元33。所述密闭箱法测量单元33包括基座34、橡胶密封圈35、密闭暗箱36、空气温度传感器37、空气温度读表38、第二差压传感器和记录仪39、开关截止阀40、针筒41和气相色谱42。将基座34埋设于渗透层11内，橡胶密封圈35粘贴在基座34上，密闭暗箱36安装在基座34和橡胶密封圈35的上部。橡胶密封圈35用于密封基座34和密闭暗箱36的结合部。陆地-大气交换通量测量值Fm度量开始，以一定的时间间隔使用针筒41采集密闭暗箱36内的气体样品(如间隔10分钟共采集5个气体样品)，全部样品采集完毕后，将密闭暗箱36从基座34上移开，使用气相色谱42分析测定针筒41内气体样品的CO2、CH4和N2O浓度，确定t时刻密闭暗箱36内气体浓度Ccham(t)。

[0111] 密闭暗箱36罩箱和针筒41采集气体样品过程中，开关截止阀40打开，其余时间开关截止阀40关闭。第二差压传感器和记录仪39与密闭暗箱36相连，开关截止阀40打开时，所述第二差压传感器和记录仪39用于测定密闭暗箱36内空气与环境大气的压力差，并结合大气压力传感器28测量的环境大气压力Pamb(t)，确定密闭暗箱36内空气压力Pcham(t)。空气温度传感器37安装在密闭暗箱36内，所述空气温度传感器37和空气温度读表38，用于测定密闭暗箱36内的空气温度Tcham(t)。

[0112] 陆地-大气交换通量测量值Fm的计算公式如下：

[0113]

[0114] 式中，Hcham为密闭暗箱36的高度； 为密闭暗箱内气体浓度Ccham(t)随罩箱时间t在罩箱初始时刻(t→0)的变化率； 和 分别为密闭暗箱罩箱过程中箱内大气压力Pcham(t)和空气温度Tcham(t)的平均值；Ps、Ts和ρs分别为标准状态下的大气压力、温度和测定气体的密度。

[0115] Fs和Fm同步测量，Fm相对于Fs的绝对误差ea和相对误差er定量计算公式如下：

[0116] ea＝Fm-Fs

[0117]

[0118] 至此，陆地-大气交换通量的测量值Fm，相对陆地-大气交换通量标准值Fs的误差定量和标定过程结束。

[0119] 本发明实施例还提供了一种陆地-大气界面气体交换通量的标定方法，应用于前述的陆地-大气界面气体交换通量的标定系统，如图3所示，该方法包括以下步骤：

[0120] S1、将标准气体钢瓶中的标准气体与储气罐的空气混合，得到混合气体；T型平衡口平衡混合气体和环境大气的气压差；因所述混合气体与环境大气的浓度差异，经过渗透层发生陆地-大气交换；

[0121] S2、所述交换通量测量单元检测储气罐内混合气体浓度Ctank(t)和环境大气浓度Camb(t)随时间t的变化，校正渗透层内土壤气体浓度变化对储气罐内混合气体浓度的影响，确定储气罐内混合气体浓度的校正值；

[0122] S3、根据传感器模块的气压Pamb(t)和温度数据Tamb(t)以及C′tank(t)，采用质量平衡原理确定陆地-大气交换通量的标准值Fs。

[0123] 其中，

[0124] 式中，Camb(0)和Ctank(0)分别为标定开始时刻(t＝0)环境大气和储气罐(8)内混合气体的浓度；Camb(t)和Ctank(t)分别为标定过程中t时刻环境大气和储气罐8内混合气体的浓度；Vsand为渗透层11的充气孔隙体积；Vtank为储气罐8的体积。

[0125]

[0126] 式中，Htank为储气罐8的高度； 为储气罐8内混合气体浓度校正值C′tank(t)随时间t在标定初始时刻(t→0)的变化率； 和 分别为标定过程中环境大气的气压Pamb(t)和温度Tamb(t)的平均值；Ps、Ts和ρs分别为标准状态下的气压、温度和测定气体的密度。

[0127] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。