CN101887015B - 一种便携式测定植物群体内部co2浓度垂直廓线分布的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种便携式测定植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布的装置，由气体采集器、气路切换器、空气过滤器、气泵、红外气体分析仪、系统支架组成。通过切换气路测定不同层次空气中CO2浓度获得植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布。本发明的优点在于便于移动，造价低廉，可以根据目标植物高度和测定要求进行调整，使用起来灵活方便，适应野外环境的要求，获取的数据精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式测定植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布的装置，通过采集植物群体内部不同层次的气体，并测定其CO2浓度，确定植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布，属于农学、生物学和气象学研究仪器领域。
技术背景
CO2是光合作用的原料，光合作用速率对CO2浓度呈米氏响应，植物群体内部CO2浓度的高低直接影响植物的光合作用，CO2浓度的增大，可以提高光合速率，CO2浓度的减小，可以降低光合速率，进而影响植物产量。植物群体内部CO2浓度是植物吸收CO2和环境补充CO2平衡的结果。植物的光合作用吸收CO2，造成群体内部CO2浓度降低，但由于不同高度上植物光合能力的差异，不同高度上CO2浓度降低的幅度并不相同。植物本身也进行呼吸作用释放CO2，土壤也进行呼吸作用释放CO2，同时空气的平流和湍流交换也使得植物群体内部CO2浓度发生变化。植物群体的冠层结构又会影响群体内部微气象，群体内部的光强、温度、湿度、CO2浓度、风速等都会受群体的结构、密度、株型、叶面积指数等的影响；叶面积指数和叶片角度会影响作物群体内光分布以及植株在群体内的相互遮蔽情况，进而影响光合作用对CO2的吸收；群体内部平流和湍流交换除取决于自然风速外，主要与群体的密度、排列方式、冠层高度、叶片角度等有关，平流和湍流交换又关系着群体内CO2的供应等。因此，准确测定植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布对于研究植物群体生产力具有重要作用。
目前，未见测定植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布的装置的专利公开，有刊物报道测定CO2浓度垂直廓线分布的方法：何新星等(中国环境监测，2005，3(6)：62-66)利用325m气象塔，采样口分别设在气象塔8m、140m、320m高度，不同高度的空气样品在抽气泵的作用下，通过聚四氟乙烯管路输送到实验室内，注入气相色谱进行分析。HAN Shi-jie等(Journal of Forestry Research，2003，14(4)：275-279)也是利用气象观测塔，在0.4、3.0、8.0、16.0、22.0、26.0、28.0、32.0、40.0、50.0和62.5米不同高度安装采样口，空气样品在抽气泵的作用下输送到气体分析仪进行分析。杨文燕等(中国科学院研究生院学报，2006，23(5)：686-691)将采气管线固定到观测塔的0、0.5、1.0、2.0、3.0米高度处，采气管另一端都固定在距离观测塔大约2m处的地表面，采样时，用60mL注射器抽取气体样品30mL，样品采集后用气相色谱仪分析CO2浓度。上述报道给出了几种测定方法，但没有给出完整的测定装置。从报道中给出的部分测定装置看，其测定必须依赖于气象塔进行安装，只能测定气象塔所在位置的CO2浓度垂直廓线分布，不能移动，不能实现不同结构群体的对比测定，测定层次高度的调整也不方便，造价比较昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便携式测定植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布的装置，该装置便于移动，造价低廉，使用方便，数据准确。
为了实现这一目的，本发明提供了一种测定植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布的装置，包括气体采集器3、气路切换器5、空气过滤器6、气泵7、红外气体分析仪8、系统支架1组成。
该装置还进一步包括气体采集器3安装在系统支架1上，系统支架1置于植物群体内部，在不同层次安装气体采集器3，气体采集器3上设有进气小孔10。气体采集器3由聚四氟乙烯管4与气路切换器5连接，气路切换器5可以保证气路在不同层次之间的气路切换。气路切换器与空气过滤器6连接，对空气进行过滤，过滤后的空气由气泵7抽到红外气体分析仪8进行CO2浓度分析。通过切换气路测定不同层次空气中CO2浓度获得植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布。
系统支架1可由不锈钢管、PVC管、木棍、竹竿等材质制成，高度大于等于植物高度，可以根据实际需要进行调整，要求有一定的强度，可以支撑气体采集器的重量，下部有尖端可以插入土壤固定。
系统支架1上可附有几个固定夹2，可以水平固定气体采集器。
气体采集器3可由PCV管、有机玻璃管、塑料管等材质制成，内径5～15mm，长度200～400mm，水平方向均匀分布若干2～3mm口径的进气孔，可以保证所采集气体代表该层次特征。
气体采集器3与气路切换器5由聚四氟乙烯管连接，聚四氟乙烯管的长度保证使测定者与进气孔距离达到2米以上，每条聚四氟乙烯管上安装有阀门。
气路切换器5可由PCV管、有机玻璃管、塑料管等材质制成，内部气路连通。
技术效果
采用本发明提供的植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布测定装置，制造、使用、维护方便，便于移动，造价低廉，可以根据目标植物高度和测定要求调整气体采集器的高度和密度，使用起来灵活方便，适应野外环境的要求，获取的数据精确。
附图说明
图1是本发明测定装置整体结构示意图；
图2是气体采集器结构示意图；
图3是气路切换器剖面示意图。
图中：1为系统支架，2为固定夹，3为气体采集器，4为聚四氟乙烯管，5为气路切换器，6为空气过滤器，7为气泵，8为红外气体分析仪，9为阀门，10为进气小孔，11为与气路切换器的连接孔(由聚四氟乙烯管连接)，12为与气体采集器的的连接孔(由聚四氟乙烯管连接)，13为与空气过滤器的连接孔(由聚四氟乙烯管连接)。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案：
本发明提供的测定植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布的装置如图1所示，由气体采集器3、气路切换器5、空气过滤器6、气泵7、红外气体分析仪8、系统支架1组成。系统支架1可由不锈钢管或PVC管、木棍、竹竿等材质制成，高度大于等于植物高度，可以根据实际需要进行调整，要求有一定的强度，可以支撑气体采集器的重量，下部有尖端可以插入土壤固定。系统支架1上附有固定夹2若干，由固定夹2水平固定气体采集器3，气体采集器3可由PCV管或有机玻璃管、塑料管等材质制成，内径5～15mm，长度200～400mm，水平方向均匀分布若干2～3mm口径的进气孔10，可以保证所采集气体能代表该层次特征。气体采集器3中部设有与气路切换器5的连接孔12，并由聚四氟乙烯管4与气路切换器5上的连接孔13连接起来。聚四氟乙烯管4的长度可以根据需要调整，并使测定者与进气孔10距离达到2米以上，为了在野外测定方便，多条输气管可以捆扎在一起，每条聚四氟乙烯管4上安装有阀门9。气路切换器5可由PCV管或有机玻璃管、塑料管等材质制成，内部气路连通，由阀门9可以保证气路的切换。在气路切换器5后用聚四氟乙烯管4依次连接空气过滤器6、气泵7、红外气体分析仪8，使干净的空气泵入红外气体分析仪8进行CO2浓度分析。
测定时，首先根据需要确定气体采集器3的数量与分布，利用固定夹2将其固定在系统支架1上，然后安放到目标植物群体中，按照图1连接好装置，并保证测定过程中测定人处于系统支架1的下风口。测量前所有阀门9都处于关闭状态，测量开始后依次打开连接被测层的阀门9(同时保证其它阀门处于关闭状态)，开启气泵7和红外气体分析仪8，进行CO2浓度分析，记录数据。逐层完成各层次CO2浓度的测定，完成植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布的测定。
实例
目的：测定小麦群体内部CO2浓度垂直廓线分布
1)材料与方法：在冬小麦抽穗期选择晴天的上午10:00～10:30，进行测定，测定时温度为22～23℃，PPFD为1400～1500μmol·m-2s-1，风速＜1米/秒，冬小麦株高为73cm，从冠层顶部开始，向下每隔10cm测定一次。
2)装置参数：根据测定要求和冬小麦株高，系统支架的高度选择为1米(不包括插入土壤的尖端)，分别在距离地面3、13、23、33、43、53、63、73cm处固定8个气体采集器，气体采集器的长度为20cm、内径0.8cm，气体采集器上均匀排列20个进气孔、口径为0.2cm。按上述方法进行测定。
3)结果与分析
重复测定了3次。测定小麦群体内部CO2浓度垂直廓线分布如表1所示。
实验数据表明，该装置对小麦群体内部CO2浓度垂直廓线分布的测定具有很好的重复性，数据准确可靠，从数据可以反映出群体内部的CO2浓度分布特征。
上述方案中，测定装置规格、大小、组合方式均可以变化。上述实施方案的描述仅作为本发明测定植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布的装置技术方案的一种实施例提出，不作为对装置结构的单一限制条件。
Claims (4)
1.一种测定植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布的装置，其特征在于包括气体采集器(3)、气路切换器(5)、空气过滤器(6)、气泵(7)、红外气体分析仪(8)和系统支架(1)组成；
气体采集器(3)安装在系统支架(1)上，系统支架(1)置于植物群体内部，在不同层次安装气体采集器(3)，气体采集器(3)上设有进气小孔(10)；气体采集器(3)由聚四氟乙烯管与气路切换器(5)连接，气路切换器(5)可以保证气路在不同层次之间的气路切换；气路切换器(5)与空气过滤器(6)连接，对空气进行过滤，过滤后的空气由气泵(7)抽到红外气体分析仪(8)进行CO2浓度分析；
通过切换气路测定不同层次空气中CO2浓度获得植物群体内部CO2浓度垂直廓线分布；
系统支架(1)上附有固定夹(2)，水平固定气体采集器(3)；气体采集器(3)由塑料管制成，内径5～15mm，长度200～400mm，水平方向均匀分布2～3mm口径的进气孔，进气孔的数量不限。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：系统支架(1)由不锈钢管、PVC管、木棍或竹竿制成，高度大于等于植物高度。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：气体采集器(3)与气路切换器(5)由聚四氟乙烯管连接，聚四氟乙烯管的长度保证使测定者与进气孔距离达到2米以上，每条聚四氟乙烯管上安装有阀门。
4.如权利要求1或2任一所述的装置，其特征在于：气路切换器(5)由塑料管制成，内部气路连通。
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