CN101907566B

CN101907566B - 一种测定植物冠层光合、呼吸、蒸腾或/和土壤呼吸、蒸发的方法及其装置

Info

Publication number: CN101907566B
Application number: CN 201010223050
Authority: CN
Inventors: 王建林; 赵风华; 林荣芳; 杨新民
Original assignee: Qingdao Agricultural University
Current assignee: Qingdao Agricultural University
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2030-07-12
Also published as: CN101907566A

Abstract

本发明提供一种测定植物冠层光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发的方法及其装置。本发明的测定装置是由箱体底座、三个箱体(明箱、暗箱、裸箱)、多通道电磁阀、红外气体分析仪、数据采集器、温度传感器、气压传感器和气泵组合构成。本发明的主要优点在于：可以用于测定农田、草地、灌丛等各种植物的群体光合、呼吸、蒸腾和呼吸、蒸发，植物光合、呼吸、蒸腾和土壤的呼吸、蒸发可以同时同地观测，可以实现连续观测，并可以实现对各个组分的科学拆分。

Description

一种测定植物冠层光合、呼吸、蒸腾或/和土壤呼吸、蒸发的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种测定植物冠层光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发的方法及其装置，通过测定植物冠层在光照、黑暗以及相应裸地情况下不同箱体内CO₂、H₂O浓度的变化，测定植物冠层的光合、呼吸、蒸腾和土壤的呼吸、蒸发，实现对农田净初级生产力中植物光合、植物呼吸、土壤呼吸各项以及农田蒸散中植物蒸腾、土壤蒸发的测定与拆分，属于生物学和地学研究方法和仪器领域。

技术背景

光合作用是绿色植物利用光能将CO₂和水等无机物合成有机物并释放氧气的过程；蒸腾作用是水分从活的植物体表面(主要是叶子)以水蒸汽状态散失到大气中的过程；土壤呼吸是指土壤产生和向大气释放CO₂的过程；土壤蒸发是土壤水分从土壤表面扩散到大气的过程；植物的呼吸作用是植物维持自身生命活动消耗有机物并向大气释放CO₂的过程。植物光合作用是陆地生态系统生产力形成与演化的基础，植物生产力水平的高低，直接反映其为人类生存提供产品的能力，土壤呼吸对大气CO₂浓度变化有着重要影响。土壤呼吸发生的任何变化都将进一步影响到全球的碳循环，因此植物的光合、呼吸与土壤呼吸是决定陆地生态系统碳平衡的主要因子，直接影响全球碳循环过程。蒸散作用是水分在土壤-植物-大气系统运移的驱动力，直接影响生态系统水热平衡。植物水分利用效率的高低取决于光合作用碳同化和农田水分蒸散作用两个耦合过程。准确测定植物冠层光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发可以为净生态系统生产力、总生态系统生产力的估算以及植物蒸腾、土壤蒸发的定量区分提供依据，也作为提高植物水分利用效率、发展节水农业研究的重要生理基础。可以测定其中一项或多项的测定方法主要有：

涡度相关法：是随着微气象学理论地进步而发展起来的一种方法。该方法利用涡度相关系统测定的CO₂通量和生态系统蒸散。其中CO₂通量测定依赖对其脉动的捕捉而获得，生态系统蒸散则通过地气系统能量平衡计算出潜热通量LE，再由公式ET＝LE/L＝LE/(2500-2.4t)计算得到。该方法也是对气体交换的瞬时测定，但由于可以对生态系统气体交换进行连续自动测定，也可以捕捉生态系统气体交换特征的时空变化特征。该方法是对生态系统整体行为的测定，克服了对个体测定所带来的误差。但该方法只能定点测定通量塔所在的生态系统，不能移动，测定得到的数据是生态系统CO₂和水汽的净交换量，不能实现对植物冠层群体光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发各个组分的拆分。同时，由于涡度相关系统测定依赖于均一广阔的下垫面，测定数据也是整个生态系统行为的综合体现，因此不能用于个体植株和部分小群体光合、蒸腾等的测定。

红外气体分析法：通常是采用光合-蒸腾仪测定植物瞬时的光合速率和蒸腾速率。随着红外技术的发展，红外气体分析法在叶片气体交换测定中的应用也越来越广泛。目前比较常用的有ADC公司的LCA-III型、LCA-IV型，美国LICOR公司的LI-6200和LI-6400，CID公司的CI-301PS、CI-510和CI-310。红外气体分析法具有原理可靠、测量较准确、灵敏度高、反应速率快、响应时间短，可快速跟踪CO₂和水汽浓度的变化、不破坏植株材料、易实现自动化、智能化的优点。其缺点是得到的水分利用效率只代表某特定时间内植物部分叶片的行为。该缺点的产生在于上述光合-蒸腾仪的叶室是根据阔叶植物的单个叶片来设计的，不能满足测定不同种类、叶片形状以及群体条件下植物光合-蒸腾的要求。为了测定植物的群体光合，PP Systems科学仪器公司采用透明聚乙烯的圆柱状大口杯倒扣起来制成简易的冠层叶室，但由于密封性差、气路易受影响等原因，给测定结果带来极大误差。上海交通大学发明了一种冠层叶室，用于测定植物冠层群体光合作用，该叶室为静态叶室，不能连续测定，不能实现对植物冠层群体光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发各个组分的拆分。

此外，氧电极法可以测定叶绿体的光合能力，静态或动态气室法可以测定土壤呼吸，蒸渗仪法、波文比法可以测定生态系统蒸散。但这些方法不能或者不能同时测定植物冠层群体光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发，也不能实现对植物冠层群体光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发各个组分的拆分。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的测定植物冠层群体光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发及其各个组分拆分方法的不足，基于红外气体分析法，提供一种测定和拆分植物冠层群体光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发的方法和装置。其基本原理是通过测定植物冠层在光照下、黑暗下以及棵间裸地的CO₂、H₂O的通量，计算出植物的净光合速率、总光合速率、土壤呼吸、植物呼吸以及总蒸散、植物蒸腾和棵间蒸发。解决其他方法不能实现对植物冠层光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发直接测定和拆分的局限。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供一种测定植物冠层群体光合、呼吸、蒸腾或/和土壤呼吸、蒸发的装置，包括箱体底座1、三个箱体2、多通道电磁阀3、红外气体分析仪4、数据采集器5、温度传感器10、气压传感器11和气泵6组合构成；

箱体底座1的U型槽12内装有密封胶垫13，并以插入土壤部分14固定箱体底座1；箱体2的四壁15的底边卡在U型槽12内，密封胶垫13保证密闭；箱体2的顶盖16可以从一侧掀开，并能在关闭时保证密闭；在箱体2内后壁上安装风扇17，穿越后壁，在后壁外附风扇电池及开关18；在箱体2的两个侧壁上分别开孔，由胶管7与多通道电磁阀3连接，多通道电磁阀3与红外气体分析仪4连接，形成气体回路，其开孔高度在箱体高度1/3～2/3之间；红外气体分析仪4由数据线9与数据采集器5连接；在箱体2的侧壁上分别安装温度传感器10和气压传感器11，测定箱体内的温度和大气压，由数据线9与数据采集器5连接；在箱体2的后壁靠近底部3～5cm处开孔，由胶管7与气泵6连接。

本发明进一步提供一种利用上述装置测定植物冠层群体光合、呼吸、蒸腾或/和土壤呼吸、蒸发的方法，包括以下步骤：

1)：定点：田间选择A、B、C三点，A、B两点要求具有基本相同的植物冠层结构，C点为棵间裸地；在A、B、C三点分别安装箱体底座1和箱体2；A点箱体透光，简称明箱；B点箱体不透光，简称暗箱；C点为棵间裸地，其箱体简称裸箱；

2)：箱体安装：分别将明箱、暗箱、裸箱安装在相应底座1的卡槽12里，保证箱体2密闭；

3)换气：打开明箱、暗箱、裸箱顶盖16，开启气泵6，抽出箱体2内空气，大气从打开的顶盖进入箱体2，使箱体2内空气与大气交换；

4)：明箱测定：

打开明箱风扇6，关闭明箱顶盖16，关闭气泵6，切换电磁阀3到明箱通道，开启红外气体分析仪4，开始测定，由数据采集器5记录箱体内空气CO₂和水汽浓度、温度、大气压，以及时间。

经过时间Δt后，由数据采集器5记录箱体内空气CO₂和水汽浓度、温度、大气压，以及时间。结束明箱测定。

5)：暗箱测定：

打开暗箱风扇6，关闭暗箱顶盖16，关闭气泵6，切换电磁阀3到暗箱通道，开启红外气体分析仪4，开始测定，由数据采集器5记录箱体内空气CO₂和水汽浓度、温度、大气压，以及时间。

经过时间Δt后，由数据采集器5记录箱体内空气CO₂和水汽浓度、温度、大气压，以及时间。结束暗箱测定。

6)：裸箱测定：

打开裸箱风扇6，关闭裸箱顶盖16，关闭气泵6，切换电磁阀3到裸箱通道，开启红外气体分析仪4，开始测定，由数据采集器5记录箱体内空气CO₂和水汽浓度、温度、大气压，以及时间。

经过时间Δt后，由数据采集器5记录箱体内空气CO₂和水汽浓度、温度、大气压，以及时间。结束箱裸箱测定。

7)箱体内CO₂、H₂O的通量计算：每个箱体内的CO₂通量Fc、H₂O通量Fw均由箱体的高度h、测定经历的时间Δt以及该期间CO₂浓度的变化ΔC和水汽浓度的变化ΔW、箱体内温度Tc和大气压P决定：

Fc＝(ΔC×h×P)/[8.314×(Tc+273)×Δt]

Fw＝(ΔW×h×P)/[8.314×(Tc+273)×Δt]

8)植物冠层光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发的计算：

明箱测定的Fc为该生态系统的净初级生产力NEP，暗箱测定的Fc为该生态系统的总呼吸Re，裸箱测定的Fc为土壤呼吸Rs。由此可以计算出：

植物冠层总光合速率GPP：GPP＝NEP+Re；

植物冠层净光合速率NPP：NPP＝NEP+Re-Rs；

植物冠层呼吸速率Rp：Rp＝Re-Rs。

明箱测定的Fw为该生态系统的蒸散ET，裸箱测定的Fw为该生态系统的土壤蒸发E。

由此可以计算出：

植物冠层蒸腾速率Tr：Tr＝ET-E。

明箱、暗箱、裸箱测定顺序可以任意调换。

技术效果

本发明提供的方法及装置可以用于测定农田、草地、灌丛等各种植物的群体光合、呼吸、蒸腾和呼吸、蒸发。植物和土壤的光合、呼吸，蒸腾、蒸发可以同时同地观测，可以实现连续观测，并可以实现对各个组分的科学拆分。

附图说明

图1是本发明测定装置整体结构示意图；

图2是箱体底座(部件1)结构剖面示意图。

图3是箱体(部件2)结构立体示意图；

图1中：1为箱体底座，2为箱体(明箱、暗箱、裸箱)，3为多通道电磁阀，4为红外气体分析仪，5为数据采集器，6为气泵，7为胶管，8为阀门，9为数据传输线，10为温度传感器，11为气压传感器；

图2中：12为U型槽，13为密封胶垫，14为插入土壤部分；

图3中：2为箱体(明箱、暗箱、裸箱)，7为胶管，15为箱体四壁，16为箱体顶盖，17为风扇，18为风扇电池及开关。

具体实施方式

由图1、2、3可以看出，本发明的测定装置是由箱体底座1、三个箱体2、多通道电磁阀3、红外气体分析仪4、数据采集器5、温度传感器10、气压传感器11和气泵6组合构成。箱体底座1的U型槽12内装有密封胶垫13，并以插入土壤部分14固定箱体底座1。箱体2的四壁15的底边卡在U型槽12内，密封胶垫13保证密闭；箱体2的顶盖16可以从一侧掀开，并能在关闭时保证密闭；在箱体2内后壁上安装风扇17，穿越后壁，在后壁外附风扇电池及开关18；在箱体2的两个侧壁上分别开孔，由胶管7与多通道电磁阀3连接，多通道电磁阀3与红外气体分析仪4连接，形成气体回路，其开孔高度在箱体高度1/3～2/3之间；红外气体分析仪4由数据线9与数据采集器5连接；在箱体2的侧壁上分别安装温度传感器10和气压传感器11，测定箱体内的温度和大气压，由数据线9与数据采集器5连接；在箱体2的后壁靠近底部3～5cm处开孔，由胶管7与气泵6连接。

下面结合附图详细说明本发明测定植物冠层光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发的方法：

1)：定点：田间选择A、B、C三点，A、B两点要求具有基本相同的冠层结构，相同的冠层结构是指植物的长势、大小、密度基本一致。C点为棵间裸地。在A、B、C三点分别安装明箱、暗箱、裸箱的底座1。A点箱体透光，简称明箱；B点箱体不透光，简称暗箱；C点为棵间裸地，其箱体简称裸箱。

2)：箱体安装：分别将明箱、暗箱、裸箱四壁15的底边卡在相应箱体底座1的U型槽12里，由密封胶垫13保证箱体密闭。明箱和暗箱内分别封住相同的植物(种类、结构、大小等基本一致)及土地，裸箱内没有植物，封住一小块裸地。

箱体底座是由不锈钢材料制成，其特征是可以插入土壤固定，并圈出一小块植物和土壤，其形状、大小与对应箱体一致。箱体底座卡槽为U型卡槽，卡槽底部加有胶垫，箱体四壁卡在U型槽内，并由其自身重量压紧胶垫，保证箱体密闭。

明箱箱体的四壁和顶盖由透明材料(有机玻璃或透明的PVC)制成，保证箱体的透光性；暗箱箱体的四壁和顶盖由不透明材料(有机玻璃附反光膜或不透明的PVC)制成，保证箱体内的黑暗环境，也可由明箱箱体加遮光布的方式实现明箱与暗箱之间的转换；裸箱箱体的四壁和顶盖材料与明箱一致。

明箱、暗箱、裸箱顶盖一侧由合页固定，可以从另外一侧掀开，顶盖与箱体四壁接触面附有胶垫，保证顶盖关闭时箱体密闭。

3)换气：打开箱体2的顶盖16，开启气泵6，抽出箱体2内空气，大气从打开的顶盖16进入箱体2，使箱体2内空气与大气交换，具有与大气一致的物理特征。

气泵由胶管与箱体相连，连接处靠近箱体底部。

4)：开始明箱测定：在步骤3后进行。打开明箱风扇17，关闭明箱顶盖16和气泵6，切换电磁阀3到明箱通道，开启红外气体分析仪4，开始测定，由数据采集器5记录箱体内空气CO₂和水汽浓度、温度、大气压，以及时间。

风扇安装在箱体内的后壁，可以采用家用电脑上为CPU散热的小风扇。

电磁阀为多通道电磁阀，进气端由胶管分别与3个箱体连接，出气端与红外气体分析仪连接，保证可以随时切换3个箱体进入红外气体分析仪的气体。

电磁阀与箱体连接点可以在箱体高度1/3～2/3之间调整。

红外气体分析仪的进气端由胶管与电磁阀连接，出气端由胶管与箱体连接，形成气体回路。

数据采集器的数据通道分别连接红外气体分析仪、温度传感器、气压传感器。温度传感器10、气压传感器11的感应端安装于箱体内。

5)结束明箱测定：经过时间Δt后，由数据采集器5记录箱体2内空气CO₂和水汽浓度、温度、大气压以及时间。结束明箱测定。测定时间Δt控制在10～90秒，数据采集器5可以每隔5～10秒记录一次数据。

6)：开始暗箱测定：在步骤3后进行。打开暗箱风扇17，关闭暗箱顶盖16和气泵6，切换电磁阀3到暗箱通道，开启红外气体分析仪4，开始测定，由数据采集器5记录箱体内空气CO₂和水汽浓度、温度、大气压，以及时间。

电磁阀与箱体连接点可以在箱体高度1/3～2/3之间调整。

数据采集器的数据通道分别连接红外气体分析仪、温度传感器、气压传感器。温度传感器、气压传感器的感应端安装于箱体内。

7)结束暗箱测定：经过时间Δt后，由数据采集器5记录箱体2内空气CO₂和水汽浓度、温度、大气压以及时间。结束暗箱测定。测定时间Δt控制在10～90秒，数据采集器5可以每隔5～10秒记录一次数据。

8)：开始裸箱测定：在步骤3后进行。打开裸箱风扇17，关闭裸箱顶盖16和气泵6，切换电磁阀3到裸箱通道，开启红外气体分析仪4，开始测定，由数据采集器5记录箱体内空气CO₂和水汽浓度、温度、大气压，以及时间。

电磁阀与箱体连接点可以在箱体高度1/3～2/3之间调整。

9)结束裸箱测定：经过时间Δt后，由数据采集器5记录箱体2内空气CO₂和水汽浓度、温度、大气压以及时间。结束裸箱测定。测定时间Δt控制在10～90秒，数据采集器5可以每个5～10秒记录一次数据。

10)明箱、暗箱、裸箱测定顺序可以任意调换。如果需要重复测定，重复步骤3)～步骤9)。

11)箱体内CO₂、H₂O的通量计算：每个箱体内的CO₂通量(Fc)、H₂O通量(Fw)均由箱体的高度(h)、测定经历的时间(Δt)以及该期间CO₂浓度的变化(ΔC)和水汽浓度的变化(ΔW)、箱体内的温度(Tc)和大气压(P)决定：

Fc＝(ΔC×h×P)/[8.314×(Tc+273)×Δt]

Fw＝(ΔW×h×P)/[8.314×(Tc+273)×Δt]

式中Fc的单位为μmol·m^-2·s^-1，ΔC的单位为μmol·mol^-1，Δt的单位为s(秒)，Fw的单位为mmol·m^-2·s^-1，ΔW的单位为mmol·mol^-1，h的单位为m(米)，P的单位为Pa(帕斯卡)，Tc的单位为℃。

12)植物冠层光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发的计算：

明箱测定的Fc为该生态系统的净初级生产力(NEP)，暗箱测定的Fc为该生态系统的总呼吸(Re)，裸箱测定的Fc为土壤呼吸(Rs)。由此可以计算出：

植物冠层总光合速率(GPP)：GPP＝NEP+Re；

植物冠层净光合速率(NPP)：NPP＝NEP+Re-Rs；

植物冠层呼吸速率(Rp)：Rp＝Re-Rs。

明箱测定的Fw为该生态系统的蒸散(ET)，裸箱测定的Fw为该生态系统的土壤蒸发(E)。由此可以计算出：

植物冠层蒸腾速率(Tr)：Tr＝ET-E。

上述测定方法中，明箱和暗箱可以由明箱箱体加遮光布的方式实现明箱与暗箱之间的转换，从而减少一个箱体。根据实际需要，其测定装置特别是箱体2及其底座1的形状、规格、大小组合方式均可以变化，甚至在一次测定中裸箱的形状、规格、大小也可以与另外两个箱体不一致。上述实施方案的描述仅作为本发明测定植物冠层光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发的方法及其装置技术方案的一种实施例提出，不作为对其测定方法或装置结构的限制条件。

Claims

1.一种利用测定植物冠层群体光合、呼吸、蒸腾和/或土壤呼吸、蒸发的装置测定植物冠层群体光合、呼吸、蒸腾和/或土壤呼吸、蒸发的方法，其特征在于：

所述装置包括箱体底座(1)、三个箱体(2)、多通道电磁阀(3)、红外气体分析仪(4)、数据采集器(5)、温度传感器(10)、气压传感器(11)和气泵(6)组合构成；

所述方法包括以下步骤：

1)：定点：田间选择A、B、C三点，A、B两点要求具有相同的植物冠层结构，C点为棵间裸地；在A、B、C三点分别安装箱体底座(1)和箱体(2)；A点箱体透光，简称明箱；B点箱体不透光，简称暗箱；C点为棵间裸地，其箱体简称裸箱；

2)：箱体安装：分别将明箱、暗箱、裸箱安装在相应底座(1)的卡槽(12)里，保证箱体(2)密闭；

3)：换气：打开明箱、暗箱、裸箱顶盖(16)，开启气泵(6)，抽出箱体(2)内空气，大气从打开的顶盖进入箱体(2)，使箱体(2)内空气与大气交换；

4)：明箱测定：

打开明箱风扇(6)，关闭明箱顶盖(16)，关闭气泵(6)，切换电磁阀(3)到明箱通道，开启红外气体分析仪(4)，开始测定，由数据采集器(5)记录箱体内空气CO₂和水汽浓度、温度、大气压，以及时间；

经过时间Δt后，由数据采集器(5)记录箱体内空气CO₂和水汽浓度、温度、大气压，以及时间，结束明箱测定；

5)：按照上述4)步骤操作进行暗箱和裸箱测定；

6)箱体内CO₂、H₂O的通量计算：每个箱体内的CO₂通量Fc、H₂O通量Fw均由箱体的高度

h、测定经历的时间Δt以及该期间CO₂浓度的变化ΔC和水汽浓度的变化ΔW、箱体内温度Tc和大气压P决定：

Fc＝(ΔC×h×P)/[8.314×(Tc+273)×Δt]

Fw＝(ΔW×h×P)/[8.314×(Tc+273)×Δt]

式中Fc的单位为μmol·m^-2·s^-1，ΔC的单位为μmol·mol^-1，Δt的单位为s，Fw的单位为mmol·m^-2·s^-1，ΔW的单位为mmol·mol^-1，h的单位为m，P的单位为Pa，Tc的单位为℃；

7)植物冠层光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发的计算：

明箱测定的Fc为生态系统的净初级生产力NEP，暗箱测定的Fc为生态系统的总呼吸Re，

裸箱测定的Fc为土壤呼吸Rs；由此可以计算出：

植物冠层总光合速率GPP：GPP＝NEP+Re

植物冠层净光合速率NPP：NPP＝NEP+Re-Rs

植物冠层呼吸速率Rp：Rp＝Re-Rs

明箱测定的Fw为生态系统的蒸散ET，裸箱测定的Fw为生态系统的土壤蒸发E；由此可以计算出：

植物冠层蒸腾速率Tr：Tr＝ET-E。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的装置还进一步包括：

箱体底座(1)的U型槽(12)内装有密封胶垫(13)，并以插入土壤部分(14)固定箱体底座(1)；箱体(2)的四壁(15)的底边卡在U型槽(12)内，密封胶垫(13)保证密闭；箱体(2)的顶盖(16)可以从一侧掀开，并能在关闭时保证密闭；在箱体(2)内后壁上安装风扇(17)，穿越后壁，在后壁外附风扇电池及开关(18)；在箱体(2)的两个侧壁上分别开孔，由胶管(7)与多通道电磁阀(3)连接，多通道电磁阀(3)与红外气体分析仪(4)连接，形成气体回路；红外气体分析仪(4)由数据线(9)与数据采集器(5)连接；在箱体(2)的侧壁上分别安装温度传感器(10)和气压传感器(11)，测定箱体内的温度和大气压，由数据线(9)与数据采集器(5)连接；在箱体(2)的后壁靠近底部3～5cm处开孔，由胶管(7)与气泵(6)连接。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的明箱、暗箱、裸箱测定顺序可以任意调换。

4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于明箱箱体通过加遮光布的方式实现明箱与暗箱之间的转换。

5.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于测定经历的时间Δt控制在10～90秒。