ПОРТАТИВНЫЙ ПОЧВЕННЫЙ РЕСПИРОМЕТР ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЭМИССИИ СО В АТМОСФЕРУ Российский патент 2018 года по МПК G01N21/35 G01N21/3504 G01N33/24 

Изобретение предназначено для использования в сельском хозяйстве и в отраслях народного хозяйства, отвечающих за экологическое обустройство окружающей среды при переработке органических отходов, рекультивации, восстановлении и озеленении территорий, выведенных из хозяйственного оборота.

Интенсивность эмиссии СО₂ («дыхание» почвы) является одним из основных показателей биологической активности почвы и ее плодородия. В то же время почва вследствие воздушной миграции СО₂ в атмосферу оказывается включенной в биосферный круговорот углерода в качестве одного из основных его продуцентов.

В указанных обстоятельствах мониторинг эмиссионных потоков СО₂ из почвы в атмосферу имеет важное значение для решения практических и научных задач управления процессами метаболизма углеродсодержащих веществ в земледелии, почвоведении, экологии.

Соответственно технические средства измерения (почвенные респирометры) должны быть приспособлены к работе в системе почвенного мониторинга.

Принцип их работы основан на применении специальных камер для выборочной атмосферной изоляции отдельных представительских образцов, в качестве которых в одном варианте могут быть использованы небольшие (до 1 м²) учетные площадки, выделяемые в границах территории, занимаемой обследуемым природным почвенным объектом. В другом варианте - это почвенные навески, керны, забираемые пробоотборником из корневой зоны и междурядий на глубину 20 см, в которой почвенный горизонт имеет наиболее высокий уровень биологической активности.

Примеры показаны на с. 163 (фото 6.3) и с. 172 (рис. 6.5) в книге: Д.Л. Роуэлл «Почвоведение: методы и использование». М.: Колос, 1998. - 486 с. Первое изображение представляет собой прозрачную пластиковую полусферу диаметром около 1 м, установленную с легким углублением на поверхность почвы; второе - стандартную стеклянную колбу объемом 250 см³ с пробкой и размещенной внутри почвенной навеской 50 г. Как видно, используются камеры 2 типов: открытого в форме колпака или закрытого в форме какого-либо герметически закрываемого сосуда. Если такую камеру оснастить приспособлением для измерения количества «собранной» при дыхании углекислоты, получается почвенный респирометр.

Известно, например, что для этого внутри камеры на все время экспозиции размещают открытую чашку с налитым в нее специальным щелочным раствором, который поглощает углекислоту в темпе, одинаковом со скоростью ее выделения контролируемым образцом. В конце измерения по результатам титрования «отработанного» раствора рассчитывают общее количество выделенного почвой СО₂, попавшего в камеру и, соответственно, поглощенного щелочью.

Наиболее подробно данный способ, называемый абсорбционным, в лабораторном его исполнении описан на с. 172-175 в упомянутой выше книге Д.Л. Роуэлла. Там же показано, каким образом полученные данные пересчитываются в эквивалентное количество СО₂, отнесенное к объектам мониторинга, измеренным или в единицах площади (м², га), или массы (г, кг, т).

Известные устройства, основанные на абсорбционном методе, описаны в следующих работах:

- В.И. Штатнов. К методике определения биологической активности почвы // Доклады ВАСХНИЛ, 1952, вып. 6, с. 27-33.

- Б.Н. Макаров. Упрощенный метод определения дыхания почвы (и биологической активности) // Почвоведение, 1957, №9, с. 119-122.

- Б.Н. Макаров. К методике определения интенсивности выделения СО₂ из почвы // Почвоведение, 1970, №5, с. 139-143.

- И.Н. Шарков. Определение интенсивности продуцирования СО₂ почвой абсорбционным методом // Почвоведение, 1984, №7, с. 135-143.

Кроме метода абсорбции известен также другой подход, называемый способом обогащения, который основан на измерении скорости увеличения концентрации СО₂ в камере под влиянием почвенного дыхания. Его конструктивная реализация описана в работе: Б.Н. Макаров. Динамика газообмена между почвой и атмосферой в течение вегетационного периода под различными культурами севооборота // Почвоведение, 1952, №3, с. 271-277.

В качестве изолирующей камеры использовали стеклянный домик. Из него дважды с интервалом в 30 минут отбирали аспиратором две газовые пробы, каждая объемом по 2 л. В этих пробах с помощью поглотителя Рихтера определяли количество СО₂ и уже по разности содержаний СО₂ между пробами с учетом соотношения между величинами объемов проб и «свободным» воздушным объемом внутри камеры рассчитывали количество СО₂, накопленное в камере за получасовой промежуток времени, т.е. в конечном итоге требуемую для мониторинга интенсивность эмиссии СО₂ из почвы в атмосферу.

Представленные конструкции являются функциональным аналогом по отношению к заявленному проекту, но для него не подходят, прежде всего из-за несоразмерно больших габаритов и ряда других конструктивных особенностей, рассчитанных на единичное использование в научно-исследовательской работе. К таким особенностям относится необходимость выполнения во время мониторинга большого объема ручных работ с использованием трудоемких химико-аналитических приемов и средств, которые к тому же сложно автоматизировать и приспособить к работе в полевых условиях.

Большие перспективы появляются, если использовать для измерения автоматический ИК-газоанализатор, в связи с чем наиболее близким по технической сущности и результату является почвенный респирометр с камерой открытого типа в форме колпака, описанный на с. 256-259 в книге: А.В. Смагин «Газовая фаза почв». М.: МГУ, 2005. - 300 с.

Респирометр работает следующим образом. Камера своим открытым дном накрывает выбранную и подготовленную к измерению учетную площадку. Концентрация СО₂ в камере измеряется с помощью портативного ИК-газоанализатора марки ПГА-7 (0-2% СО₂), находящегося снаружи. Для этого в стенке камеры имеется отверстие, к которому при измерении присоединяется шприц для ручного отбора небольшой газовой пробы и ее последующей передачи в измерительный канал газоанализатора. В измерительном канале находится РЖ-сенсор СО₂, сигнал которого, преобразованный и усиленный, отражается на ЖК-дисплее в виде текущих значений концентрации СО₂. Последовательность этих измеренных значений используется для расчета эмиссионных потоков СО₂ в соответствии с описанным выше способом обогащения.

Известным респирометром с камерой открытого типа нельзя измерять «дыхание» почвенных навесок и кернов, что ограничивает его применение в почвенном мониторинге. Другим недостатком является принудительная ручная передача газовых проб в газоанализатор, находящийся в удалении от камеры, что создает дополнительные неудобства и снижает точность измерения при работе в полевых условиях.

Поставили цель разработать устройство портативного почвенного респирометра двойного назначения с принципиально иным способом газовой коммуникации между контролируемым воздухом в камере и газоанализатором.

Конструкторская реализация была осуществлена в виде компактного портативного прибора, экспериментальный образец которого 180×120×65 мм массой 350 г (вместе с внешним источником питания - 470 г) представлен на фиг. 1а. На другом чертеже 1б этот же прибор представлен разобранным на основные элементы.

Заявленный результат был достигнут благодаря дополнительному приспособлению в виде специальной крышки, которая вместе с одним из типовых удерживающих замков и упругим уплотнителем герметически закрывает открытое дно камеры, позволяя измерять «дыхание» почвенных навесок и кернов. К тому же, такая закрытая конструкция создает возможность испытывать респирометр на герметичность и точность измерения по эталонным образцам.

Новое качество прибора по простоте и удобству эксплуатации было получено также в результате использования так называемого принципа «встраивания датчика в объект», когда контролирующий прибор или отдельный его сенсор в виде зонда, благодаря их миниатюрному размеру, удается разместить непосредственно внутри контролируемого устройства.

В данной конструкции в качестве готовых образцов были использованы: пищевой вакуумный контейнер типа GL 9215 и портативный 2-парометрический газоанализатор МТ 8057 (0-3000 ppm СО₂ и 0-50°C), изготовленный по технологии NDIR. Их можно видеть на фиг. 1а. Здесь же показан внешний источник питания.

Контейнер изготовлен из прозрачного пластика и на фиг. 1б видно, что он состоит из 2 частей: собственно камеры объемом 600 см³ (поз. 1) и крышки (поз. 2) с защелками (поз. 3) и уплотнителем (поз. 4). Очевидно, что для контроля учетных площадок из полного комплекта достаточно применять только камеру. В другом же варианте дополнительно сверх стандартного набора используется специальный пластиковый лоток 135×95×40 мм (поз. 5) для почвенных образцов, укрываемых специальным воздушным фильтром в виде мягкого поролона или минеральной ваты (поз. 6).

Во время измерения прямо на этот фильтр своей тыльной перфорированной стороной укладывается непосредственно ИК-газоанализатор (поз. 7), который благодаря технологии изготовления NDIR, при имеющихся у него миниатюрных размерах корпуса 115×36×23 мм, занимает лишь сравнительно небольшую часть воздушного объема контейнера (примерно 90 см³ из 600 см³ самого небольшого контейнера из имеющихся в промышленном ассортименте). При таком непосредственном контакте газоанализатора с почвенным образцом через воздушный фильтр эмиссионный поток CO₂ свободно через перфорацию в корпусе газоанализатора диффузионным образом достигает сенсорного элемента, находящегося внутри корпуса. Имеющийся на корпусе газоанализатора ЖК-дисплей позволяет через прозрачные стенки контейнера визуально наблюдать концентрацию СО₂ и температуру.

В результате за счет простоты устройства и удобства эксплуатации конструкция нового респирометра получила более высокий качественный уровень.

Для проверки работоспособности разработанного прибора измерили «дыхание» дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы на делянках полевого опыта с посевом овса, выращенного на четырех разных агрофонах согласно схеме:

1. Контроль (без удобрений).

2. Минеральный (N90P90K90).

3. Органический (подстилочный навоз КРС 10 т/га).

4. Органоминеральный (подстилочный навоз КРС 7 т/га + N60P60K60).

Для измерения в августе 2016 г. в фазу восковой спелости зерна на каждом из четырех агрофонов взяли по одному почвенному образцу массой 150 г, представляющему собой механическую смесь из пяти разных 30-граммовых почвенных кернов, отобранных на глубину 20 см в пяти разных точках, распределенных по площади каждой делянки.

Каждый отобранный таким образом смешанный образец влажностью 15% размещали в герметически закрытой камере респирометра. И далее за время экспонирования, которое продолжалось 60 минут, регулярно с интервалом 5 минут с помощью ЖК-дисплея фиксировали текущие значения постепенно нарастающей концентрации СО₂, вызванные почвенным «дыханием». При этом респирометр во время измерения находился в тени под защитой от прямых лучей солнца, и температура воздуха внутри респирометра не превышала 20-21°C, а влажность увеличивалась постепенно от 60 до 75%.

В результате временная динамика накопления СО₂ на разных почвенных агрофонах представлена по вариантам на фиг. 2.

Расчет выполнили по формуле для изолированного воздушного объема в камере закрытого типа

где q - интенсивность эмиссии СО₂, ;

V - объем изолированного внутри камеры воздуха, см³;

t - температура воздуха, °C;

m - сухая масса контролируемого почвенного образца, г;

ΔС - прирост концентрации CO₂, ppm;

Δτ - интервал времени, ч.

Контролируемый почвенный образец при полевой массе отобранного образца 150 г имеет сухую массу 127,5 г (при влажности 15%) и объем 115 см³ (при полевой объемной плотности 1,3 г/см³).

Для определения величины V из объема «пустой» камеры 600 см³ вычитаются объемы, занимаемые контролируемым почвенным образцом 115 см³ и конструкцией лотка для этого образца 65 см³. В результате V=330 см³.

В окончательном виде для температуры 20°C получается следующая расчетная формула:

Рассчитанные по этой формуле данные фиг. 2 мониторинга почвенной эмиссии CO₂ в атмосферу сведены в таблицу 1.

Полученные результаты измерения и близкое соответствие с данными из представленных выше известных литературных источников (Д.Л. Роуэлл, с. 175; А.В. Смагин, с. 39) подтверждают техническую реализацию заявленного проекта и возможность его использования в практических и научных целях для мониторинга почвенной эмиссии CO₂ в атмосферу у различных природно-хозяйственных объектов.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля экологического обустройства окружающей среды. Изобретение представляет собой портативный респирометрический прибор с автономным питанием, рассчитанный на оперативный контроль дыхательной эмиссии СО₂ непосредственно по месту проведения почвенного мониторинга различных природно-хозяйственных объектов. Предложен портативный почвенный респирометр для мониторинга эмиссии СO₂ в атмосферу, который представляет собой устройство, состоящее из двух функционально связанных между собой элементов: герметичной камеры в форме колпака с одной открытой стороной, накрывающего выбранный для контроля участок поля, посева, и портативного автоматического ИК-газоанализатора СO₂. По дополнительному предназначению для контроля отобранных почвенных образцов, кернов открытая стороны камеры дополнительно оборудуется съемной крышкой, герметически закрывающей камеру через типовой уплотнитель с помощью типового замка, а внутри камеры размещается лоток, одна открытая сторона которого полностью укрывается в виде воздушного фильтра типовым воздухопроницаемым материалом. Технический результат - универсальность, предполагающая возможность почвенного мониторинга либо с помощью учетных площадок, либо с помощью специально отобранных почвенных проб, кернов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Портативный почвенный респирометр для мониторинга эмиссии СO₂ в атмосферу представляет собой устройство, состоящее из двух функционально связанных между собой элементов: герметичной камеры в форме колпака с одной открытой стороной, накрывающего выбранный для контроля участок поля, посева, и портативного автоматического ИК-газоанализатора СO₂, отличающийся тем, что по дополнительному предназначению для контроля отобранных почвенных образцов, кернов открытая сторона камеры дополнительно оборудуется съемной крышкой, герметически закрывающей камеру через типовой уплотнитель с помощью типового замка, а внутри камеры размещается лоток, одна открытая сторона которого полностью укрывается в виде воздушного фильтра типовым воздухопроницаемым материалом.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ИК-сенсор газоанализатора СO₂ размещается отдельно в виде зонда непосредственно внутри камеры, соединяясь с остальными элементами газоанализатора либо по проводной линии через герметический электрический разъем в стенке камеры, либо по Wi-Fi каналу.