2
ПОРТАТИВНЫЙ ПОЧВЕННЫЙ РЕСПИРОМЕТР ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЭМИССИИ СО В АТМОСФЕРУ
2
PORTABLE SOIL RESPIROMETER FOR THE CO EMISSION INTO ATMOSPHERE MONITORING

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.
2
2
Интенсивность эмиссии СО («дыхание» почвы) является одним из основных показателей биологической активности почвы и ее плодородия. В то же время почва вследствие воздушной миграции СО в атмосферу оказывается включенной в биосферный круговорот углерода в качестве одного из основных его продуцентов.
2
В указанных обстоятельствах мониторинг эмиссионных потоков СО 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.
2
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 м) 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.
3
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 см 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.
2
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 СО, попавшего в камеру и, соответственно, поглощенного щелочью.
2
2
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 СО, отнесенное к объектам мониторинга, измеренным или в единицах площади (м, 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.
2
- Б.Н. Макаров. К методике определения интенсивности выделения СО из почвы // Почвоведение, 1970, №5, с. 139-143.
2
- И.Н. Шарков. Определение интенсивности продуцирования СО почвой абсорбционным методом // Почвоведение, 1984, №7, с. 135-143.
2
Кроме метода абсорбции известен также другой подход, называемый способом обогащения, который основан на измерении скорости увеличения концентрации СО 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.
2
2
2
2
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 СО и уже по разности содержаний СО между пробами с учетом соотношения между величинами объемов проб и «свободным» воздушным объемом внутри камеры рассчитывали количество СО, накопленное в камере за получасовой промежуток времени, т.е. в конечном итоге требуемую для мониторинга интенсивность эмиссии СО 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.
2
2
2
2
2
Респирометр работает следующим образом. Камера своим открытым дном накрывает выбранную и подготовленную к измерению учетную площадку. Концентрация СО в камере измеряется с помощью портативного ИК-газоанализатора марки ПГА-7 (0-2% СО), 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 СО, сигнал которого, преобразованный и усиленный, отражается на ЖК-дисплее в виде текущих значений концентрации СО. Последовательность этих измеренных значений используется для расчета эмиссионных потоков СО 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.
2
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 СО и 0-50°C), изготовленный по технологии NDIR. Их можно видеть на фиг. 1а. Здесь же показан внешний источник питания.
3
Контейнер изготовлен из прозрачного пластика и на фиг. 1б видно, что он состоит из 2 частей: собственно камеры объемом 600 см (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).
3
3
2
2
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 см из 600 см самого небольшого контейнера из имеющихся в промышленном ассортименте). При таком непосредственном контакте газоанализатора с почвенным образцом через воздушный фильтр эмиссионный поток CO 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 СО 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.
2
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 СО, 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%.
2
В результате временная динамика накопления СО на разных почвенных агрофонах представлена по вариантам на фиг. 2.
Расчет выполнили по формуле для изолированного воздушного объема в камере закрытого типа
2
где q - интенсивность эмиссии СО, ;
3
V - объем изолированного внутри камеры воздуха, см;
t - температура воздуха, °C;
m - сухая масса контролируемого почвенного образца, г;
2
ΔС - прирост концентрации CO, ppm;
Δτ - интервал времени, ч.
3
3
Контролируемый почвенный образец при полевой массе отобранного образца 150 г имеет сухую массу 127,5 г (при влажности 15%) и объем 115 см (при полевой объемной плотности 1,3 г/см).
3
3
3
3
Для определения величины V из объема «пустой» камеры 600 смвычитаются объемы, занимаемые контролируемым почвенным образцом 115 см и конструкцией лотка для этого образца 65 см. В результате V=330 см.
В окончательном виде для температуры 20°C получается следующая расчетная формула:
2
Рассчитанные по этой формуле данные фиг. 2 мониторинга почвенной эмиссии CO в атмосферу сведены в таблицу 1.
2
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 CO в атмосферу у различных природно-хозяйственных объектов.