本发明涉及测量，尤其涉及一种风湍流环境中的土壤碳通量参考值计算方法及装置。
背景技术：
1、全球变暖是当今世界所面临的重要环境问题之一，全球变暖不仅威胁着生物多样性和生态系统的稳定性，也给人类社会，经济发展和人民生活带来了巨大的威胁。全球变暖的一个重要原因是过量的温室气体如甲烷(ch4)、二氧化碳(co2)和氧化亚氮(n2o)，它们在大气系统内堆积，地表辐射产生的过多热量无法发散，从而导致大气温度升高。其中co2是最主要的长寿命温室气体，对地球的温室效应有着显著的贡献。co2约占气候变暖效应的66％。此外，从1990年到2020年，长寿命温室气体的辐射强迫(对气候的变暖效应)增加了47％，其中co2约占这一增量的80％。这表明co2在温室效应中扮演着极其重要的角色。土壤是这些温室气体的主要来源之一，全球每年从土壤中释放的co2达到98±12pg c，约为目前每年化石燃料燃烧释放量的15倍。土壤呼吸是陆地生态系统与大气系统co2交换的重要机制，即使微小的土壤呼吸变化量也可能显著改变大气co2浓度水平，直接对全球气候产生影响。如何测量土壤呼吸是一项具有挑战性的任务，因为这涉及到多种复杂的生物、化学和物理过程，其测量值的准确性和可靠性直接影响着对土壤碳通量的估算和生态系统碳循环动态的理解。
2、为了估算陆地生态系统土壤呼吸产生的通量，了解土壤co2的排放情况，在过去的几十年里，针对如何测量土壤呼吸这一难题，研究人员已经开发了许多方法包括：气室法、同位素标记法、箱体法、气井法、涡度相关法等，每种方法都具有其优缺点和适用范围。在实际测量中气室法因其简便快捷性，使用率是最高的，占95％以上。目前常用的为密闭动态气室法和开放气室法。密闭动态气室法根据气室内co2浓度随时间变化速率，再利用模型进行拟合计算土壤co2通量。开放气室法根据气体流量和进、出气室的co2浓度差来计算土壤co2通量。但就目前使用数量而言，密闭动态气室法还是占绝大部分的使用。然而，使用气室法测量土壤呼吸值是一项具有挑战性的任务。因为在测量过程中，由于外部环境因素干扰会导致测量结果会存在偏差，尤其是在风湍流环境。因为目前通常认为土壤内气体运动主要由分子扩散控制，然而平流也可以改变土壤气体输送。此外，在高风速时期，土壤气体输运增强，这种增强是由于土壤上方气压场的动态变化对土壤孔隙中土壤气体输运的平流-弥散增强，称为风致压力泵效应。由于风湍流诱导气体输运往往具有高频率，短时性的特点，所以对于短周期测量的密闭气室而言，风湍流是最重要的影响因素。所以，在风湍流影响下，通量模型拟合计算得到的通量值我们无法认为其是有效的，并且这一现象在野外测量时是难以避免的。
3、为了解决上述问题，本发明提出一种风湍流环境中的土壤碳通量参考值计算方法及装置。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提出一种风湍流环境中的土壤碳通量参考值计算方法及装置以解决背景技术中所提出的问题：
2、如何避免风湍流影响测量值的可靠性。
3、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
4、一种用于风湍流环境中的土壤碳通量参考值计算的装置，包括：上方四棱台结构的分析装置和下方圆柱体结构的扩散气室；所述分析装置包括测量部分和展示部分，所述扩散气室包括介质层和气室层，中间由一层细铁丝网隔开。
5、优选地，所述测量部分的内部为空的圆柱体，用于与下方圆柱体结构的扩散气室连接，所述测量部分还包括依次连接的储气瓶、气泵和流量计，所述测量部分的左右侧面设置有进出气口。
6、优选地，所述展示部分由显示屏、旋钮、按钮及控制主板组成；所述显示屏设置于展示部分左上方，用于展示内部co2浓度传感器及流量计的流量示数和通量计算结果，所述旋钮设置于显示屏右侧，用于调节气泵流量，所述按钮设置于显示屏下方，用于控制显示屏开关，所述控制主板设置于展示部分内部。
7、优选地，所述介质层用于放置多孔介质，所述介质层内部在不同高度阶梯式设置3个co2浓度传感器，用于测量所述多孔介质内部的co2浓度变化情况。
8、优选地，所述气室层内部在不同高度阶梯式设置5个co2浓度传感器，以实时监测所述气室层内部的co2浓度变化情况，所述气室层内侧底部设置一个压差传感器，所述气室层的左右侧面各设置有2个进出气孔，所述进出气孔均连接到内部气管，上方气孔为进气口，通过软管连接到储气瓶；下方气孔为出气口，通过软管连接到气泵进气口，所述co2浓度传感器均连接到展示部分的控制主板上。
9、一种风湍流环境中的土壤碳通量参考值计算方法，包括如下步骤：
10、以分子扩散为土壤与大气之间气体交换机制，co2从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，根据菲克第一定律得到此时co2通量为：
11、
12、其中，f为co2通量；d为co2在土壤中的扩散系数；c为土壤中co2浓度；为梯度算子；
13、当扩散过程为非稳态时，空间中任一位置物质的浓度随时间而变化由菲克第二定律计算得到：
14、
15、其中，t为时间；div()、grad()均为运算函数；
16、当环境变量影响扩散过程时，此时控制气体交换的机制变更为分子扩散和对流扩散，此时通量由对流扩散方程计算：
17、
18、其中，u为气体速度；s为源项；
19、经过高温干燥杀菌处理的实验土壤不产生co2，故s＝0；待验证气室内的co2浓度在空间上均匀分布，扩散过程连续；且气体在待验证气室内及土壤内的横向传输不影响气室内测量的通量值；故计算垂直方向上的气体扩散，此时上式化简为下式；
20、
21、其中，x为有效距离；
22、由上式推导出土壤内及待验证气室内的气体运输方程并构建方程组得到下式：
23、
24、其中，cs为土壤内的co2浓度；ds为土壤内的co2扩散系数；h为土壤厚度；ca为待验证气室内的co2浓度；da为待验证气室内的co2扩散系数；h为待验证气室高度；对方程组两边求解积分，并联合上式得到：
25、
26、其中，vs为土壤体积；va为待验证气室体积；δ为变化量；
27、
28、其中，as为土壤有效面积；为土壤下表面co2通量；为土壤上表面co2通量；aa为待验证气室有效面积；为待验证气室下表面co2通量；为待验证气室上表面co2通量；为进入待验证气室的co2浓度；为离开待验证气室的co2浓度；其中：
29、
30、
31、as＝aa
32、得到：
33、
34、由此计算得到土壤碳通量参考值
35、与现有技术相比，本发明提供了一种风湍流环境中的土壤碳通量参考值计算方法及装置，具备以下有益效果：
36、本发明在计算原理上使用了质量守恒原理，并且在前代基础上考虑了风湍流对气室测量的影响，使得本装置在野外环境下也能正常使用，在测量结果上能够提供更为准确的值。在结构设计上，轻量化装置并将分析装置和扩散气室分离，使得装置在携带过程，使用过程，后期维护过程均方便操作。并且该装置将所有功能键集成在控制主板上，各种功能可视化，并且操作简单易上手，具有一定的商业推广价值。
1.一种用于风湍流环境中的土壤碳通量参考值计算的装置，其特征在于，包括：上方四棱台结构的分析装置(1)和下方圆柱体结构的扩散气室(2)；所述分析装置(1)包括测量部分(3)和展示部分(4)，所述扩散气室(2)包括介质层(11)和气室层(12)，中间由一层细铁丝网(13)隔开。
2.根据权利要求1所述的一种用于风湍流环境中的土壤碳通量参考值计算的装置，其特征在于，所述测量部分(3)的内部为空的圆柱体，用于与下方圆柱体结构的扩散气室(2)连接，所述测量部分(3)还包括依次连接的储气瓶(5)、气泵(6)和流量计(7)，所述测量部分(3)的左右侧面设置有进出气口。
3.根据权利要求2所述的一种用于风湍流环境中的土壤碳通量参考值计算的装置，其特征在于，所述展示部分(4)由显示屏(8)、旋钮(9)、按钮(10)及控制主板组成；所述显示屏(8)设置于展示部分(4)左上方，用于展示内部co2浓度传感器(14)及流量计(7)的流量示数和通量计算结果，所述旋钮(9)设置于显示屏(8)右侧，用于调节气泵(6)流量，所述按钮(10)设置于显示屏(8)下方，用于控制显示屏(8)开关，所述控制主板设置于展示部分(4)内部。
4.根据权利要求3所述的一种用于风湍流环境中的土壤碳通量参考值计算的装置，其特征在于，所述介质层(11)用于放置多孔介质，所述介质层(11)内部在不同高度阶梯式设置3个co2浓度传感器(14)，用于测量所述多孔介质内部的co2浓度变化情况。
5.根据权利要求4所述的一种用于风湍流环境中的土壤碳通量参考值计算的装置，其特征在于，所述气室层(12)内部在不同高度阶梯式设置5个co2浓度传感器(14)，以实时监测所述气室层(12)内部的co2浓度变化情况，所述气室层(12)内侧底部设置一个压差传感器(15)，所述气室层(12)的左右侧面各设置有2个进出气孔(16)，所述进出气孔(16)均连接到内部气管(17)，上方气孔(16)为进气口，通过软管连接到储气瓶(5)；下方气孔(16)为出气口，通过软管连接到气泵(6)进气口，所述co2浓度传感器(14)均连接到展示部分(4)的控制主板上。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述装置的风湍流环境中的土壤碳通量参考值计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
