CN104597213A - 树干co2通量测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种树干CO₂通量测量装置，它包括红外气体分析仪和气体通道以及用于放置红外气体分析仪及其相连气体通道的升降架，气体通道包括树干接触罩、碳通量气室接触罩和用于连接两者的转向管，转向管通过固定座设置于升降架上，升降架包括桌面和位于桌面下方边角的桌腿，桌脚包括固定段和位于固定段内部的伸缩段，固定段与伸缩段之间通过锁紧装置相连，桌腿之间设有承载平台，承载平台外周设有围栏。通过本测量装置解决了长期以来野外难以开展针对树干呼吸过程的长期、高观测频率试验的问题，极大的提高了植被树干CO₂通量在昼夜和季节变化等时间尺度观测过程中的自动化能力、降低了人力投入为树干呼吸、森林生态系统碳循环等研究提供宝贵的数据。

Description

树干CO2通量测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种二氧化碳通量的测量装置，具体的说是一种针对乔木及大型灌木树种树干呼吸作用二氧化碳排放测定的测量装置及其测量方法。

背景技术

工业革命以来，伴随着经济和人口的快速增长，全球大气CO₂浓度不断攀升。由温室气体排放导致的气温升高、海平面上升、极端气象灾害事件增加等一系列全球气候变化问题已严重影响到自然生态系统健康以及人类的生存和生产生活。

相关研究表明，全球陆地生态系统中约一半的碳储量贮存于森林生态系统中，而树木的代谢呼吸消耗森林生态系统自身光合固定的碳，并以CO₂的形式排放到大气环境中。这其中，树干CO₂释放量与叶片呼吸通量相当。因此，开展树木树干呼吸观测对于研究植物个体碳素存量/流量耦合关系、森林生态系统碳代谢模式以及准确评估全球碳收支均有着重要意义。

近年来，随着人们对于树干呼吸作用生态学意义的逐步关注，国内外相关研究呈明显上升的趋势。但由于树干CO₂排放速率的实地测量环境相对苛刻且多变，对于数据的观察精度要求高，传统测量方法(如指标推算法、静态碱液吸收法等)难以有效保证精度和效率，而长期以来对于树干呼吸测定仪器及设备的研发相对滞后，以上诸多问题的存在，给前先一些研究的结果带来一定的不确定性，也给目前亟待深入开展的研究带来很大的不便。因此，相比于国内外土壤碳通量的研究，树干呼吸无论从研究数量还是研究深度均相对落后，很大程度上制约了人们对于森林生态系统源汇构成和碳平衡的认识。

随着红外气体分析仪测定碳通量方法的普及，目前在开展树干呼吸的研究中，比较常用的方法是将土壤碳通量测定系统的气室进行人工改装，其中以对LI-COR8100系列的气室改装应用最为广泛。然而目前国内外对于该系列仪器气室的改装仍存在一些问题：

1、对于树干全包围方法，可以消除树干不同朝向由于受水、热及太阳辐射程度的不同所带来的差异。例如公告号为CN 202676685U，名称为《一种原位连续测定树干表面CO₂释放通量检测装置》的发明专利，公开了一种气室，它包括弹性橡胶管、防水胶、密封薄膜；两根弹性橡胶管上下分别紧紧环绕树干，由防水胶将两根弹性橡胶管紧固粘接在树干上，形成气室两端支撑环；密封薄膜上下端环住树干，防水胶密封粘接密封薄膜周边与树皮结合处，防水胶并密封粘接密封薄膜与橡胶管结合处。但这种方法对于气室的密封性和材质要求较高，虽然此发明专利中采取一定的密封措施，但是由于气室本身和与气室相连的其他装置的自身重量，都会影响气室与树干之间的气密性，并且此种方法只限于胸径相对较小的树木，在应用上很难推广，因此该方法的实际运用较少。

2、对于环状气室的方法，如图1所示，主要是将土壤碳通量的气室(Collar)直接运用到了树干呼吸研究中，但由于待测树木胸径偏小、气室自重较大而导致固定困难等原因，目前多数改装是将气室缩小，材质变为轻质PVC材料，去除编程控制组件，只保留进出气口，这种方法虽然改装简单且成本较低，但由于去除了控制组件导致仪器自动化能力大大降低，加之多数改装缺乏支撑结构，导致人力投入较高，在野外难以开展针对树干呼吸过程的长期、高观测频率实验。

发明内容

根据上述不足之处，本发明的目的是提供一种自动化能力强、操作省时省力、且改装方便，可进行长时间树干CO₂通量持续测量装置及其测量方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案在于：一种树干CO₂通量测量装置，它包括红外气体分析仪和与红外气体分析仪相连的气体通道以及用于放置红外气体分析仪及其相连气体通道的升降架，所述的气体通道包括树干接触罩、碳通量气室接触罩和用于连接树干接触罩、碳通量气室接触罩的转向管，所述的转向管通过固定座设置于升降架上，所述的升降架包括桌面、水平指示仪表和位于桌面下方边角的桌腿，所述的桌脚包括固定段和位于固定段内部的伸缩段，所述的固定段与伸缩段之间通过锁紧装置相连，所述的桌腿之间设有承载平台，所述的承载平台外周设有围栏。

通过本测量装置中的气体通道及升降架与红外线气体分析仪的相互配合，解决了长期以来野外难以开展针对树干呼吸过程的长期、高观测频率试验的问题，极大的提高了树干呼吸测定过程中仪器的自动化能力，降低了人力投入，解决了针对树干呼吸过程难以开展长期、高频度的自动化观测过程。

优选的是：所述的树干接触罩为可伸缩式或者拼接式。可以根据地势条件或者树干条件调节树干接触罩的长度以更好的进行气体采集。

优选的是：所述的树干接触罩前端设有弧形凹口，所述的弧形凹口处设有软质密封垫。弧形凹口可以配合树干的弧度，软质密封垫可以将树干接触罩与树干很好的贴合，提高气密性，提高测定的准确度。

优选的是：所述拼接式的树干接触罩包括接触段和连接段，所述连接段的一端设有橡胶垫。可以根据需要采用连接段的个数，同时通过橡胶垫保证连接时的气密性。

优选的是：所述的树干接触罩与转向管之间、转向管与碳通量气室接触罩之间为可拆卸连接。可拆卸连接一方面便于选择不同的树干接触罩以更好的进行试验，另一方面方便收纳，携带方便，同时当气体通道部分损坏时只需要更换部分即可，极大的节约了材料成本。

优选的是：所述的转向管两端设有橡胶垫。通过橡胶垫，实现转向管与树干接触罩和碳通量气室接触罩连接的气密性。

优选的是：所述的转向管通过固定带和锁扣固定在固定座上。提高转向管的稳定性。

优选的是：所述桌腿伸缩段的前端设有缓冲垫或尖端。缓冲垫适用于待测地点地面平整或地质土质极其坚硬的情况，缓冲垫可以减轻测量时的振动和增大与地面的摩擦；尖端适用于待测地点地面不平且土质较松软的情况，可以将尖端插入土壤中，提高升降架的稳定性。

优选的是：所述桌面设有水平仪。通过水平仪中气泡的位置相应的将桌面调平，有利于分析仪器的检测，减少误差。

本发明还提供一种采用如上所述的树干CO₂通量测量装置测定树干CO₂通量的方法，其操作步骤为：

(1)将树干接触罩与碳通量气室接触罩连接到转向管的两端；

(2)用小刀在待测定树干区域四周凹凸不平的树皮整平，将气体通道的树干接触罩的弧形凹口紧贴树干，四周用泡沫胶进行密封；

(3)在气体通道下方贴近待测树木选择地势平坦的位置放置升降架，通过水平仪调整桌腿伸缩段的高度以调平升降架桌面至水平状态，并根据测量需要调整到树干待测高度处；

(4)在气体通道与升降架之间放置转向管固定座，通过固定带和锁扣将转向管与固定座固定，并且采用固定装置将固定座与升降架固定；

(5)将红外气体分析仪放置于升降架的承载平台上，将CO₂通量观测气室平放至碳通量气室接触罩上，连接并预热和调试设备

(6)通过以下公式计算树干CO₂通量速率：

$F_c=\frac{10(V_{\mathrm{IRGA}}+V^{\′})P_0(1-\frac{W_0}{1000})}{\mathrm{RS}(T_0+273.15)}\frac{\∂C^{\′}}{\∂t}$

式中：F_c为树干CO₂通量速率，μmol m^-2s^-1；V_IRGA为红外气体分析仪自身气路与气室体积，cm³；V’为树干CO₂通量测量装置的内部体积，cm³；P₀为初始大气压，kPa；W₀为初始水汽摩尔分数，mmol mol^-1；R为气体常数8.314Pa m³，K^-1mol^-1；S为树干被树干接触罩内缘所围的表面积，cm²；T₀为初始空气温度，℃；为初始水校正CO₂摩尔分数变化率，μmol mol^-1；

(7)装载树干CO₂通量测量气室后，对整个CO₂通量观测系统原有的气室体积校正参数进行修改，通过以下公式计算Chamer Offset参数，cm：

ChamberOffset＝V′/S_IRGA

针对LI-COR 8100的103长期观测气室，20cm Survey，其S_IRGA参数值为317.8cm²；针对LI-COR 8100的102长期观测气室，10cm Survey，其S_IRGA参数值为83.7cm²；利用计算机终端对树干CO₂通量测定进行参数预设和观测编程，完成自动化测定过程。

本发明的有益效果在于：通过本测量装置中的气体通道及升降架与红外线气体分析仪的相互配合，解决了长期以来野外难以开展针对树干呼吸过程的长期、高观测频率试验的问题，极大的提高了植被树干CO₂通量在昼夜和季节变化等时间尺度观测过程中的自动化能力、降低了人力投入，为树干呼吸、森林生态系统碳循环等生态学研究提供宝贵的数据。

附图说明

图1是传统环状气室测量方法的示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明的树干接触罩的结构示意图。

图4是本发明拼接式的树干接触罩的连接段的结构示意图。

图5是本发明转向管的结构示意图。

图6是本发明固定座的结构示意图。

图7是本发明碳通量气室接触罩的结构示意图。

图8是本发明的气体通路与升降架的配合状态图。

图9是本发明的升降架的结构示意图。

图10是本发明的使用状态图。

图11是传统采用10cm Survey气室手动测量的结果。

图12是采用本发明自动测量的结果。

图中，1-固定段；2-树干接触罩；3-转向管；4-碳通量气室接触罩；5-红外气体分析仪；6-固定座；7-桌面；8-围栏；9-密封垫；10-弧形凹口；11-橡胶垫；12-锁扣；13-固定带；14-固定装置；15-伸缩段；16-缓冲垫；17-锁紧装置；18-尖端；19-水平仪；20-承载平台。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图2所示的一种树干CO₂通量测量装置可知，它包括红外气体分析仪5和与红外气体分析仪5相连的气体通道以及用于放置红外气体分析仪5及其相连气体通道的升降架，气体通道包括树干接触罩2、碳通量气室接触罩4(如图7所示)和用于连接树干接触罩2、碳通量气室接触罩4的转向管3。具体的，树干接触罩2罩体为内径10cm的PVC材料制造，与树干接触端可根据待测树木胸径大小进行加工，弧形凹口10处的软质密封垫9可以为软质聚氨脂泡沫材料，以提高对不同粗糙度树干表面的密封性。

转向管3结构如图5所示，转向管3为连接树干接触罩2与碳通量气室接触罩4的装置，其主要功能为实现树干CO₂通量观测的水平方向向垂直方向的转换。具体的，该转向管3采用内径10cm的PVC材料制造，与树干接触罩2和碳通量气室接触罩4连接的端口均采用旋拧式螺纹设计，以增加拼装后气室的密闭性以及整个装置的稳固性。其中，为了提高本装置的灵活性，树干接触罩2与转向管3之间、转向管3与碳通量气室接触罩4之间为可拆卸连接，具体的的说可以是旋拧式螺纹设计，方便与转向管进行连通。同时，树干接触罩2为可伸缩式或者拼接式。如图3所示的树干接触罩，其前端设有弧形凹口10，弧形凹口10处设有软质密封垫9。其中，拼接式的树干接触罩包括接触段和连接段，如图4所示的连接段的一端设有橡胶垫11，同时，转向管两端设有橡胶垫11。

碳通量气室接触罩4主要完成气室口径由10cm过渡至20cm的转换功能。具体的，该部分采用PVC材料制成，与转向管4连接端为内径10cm的旋拧式螺纹设计，与自动观测气室连接端为内径20cm的碗口型设计。

转向管3通过固定座6设置于升降架上。如图9所示的升降架包括桌面7和位于桌面7下方边角的桌腿，桌脚包括固定段1和位于固定1段内部的伸缩段15，固定段1与伸缩段15之间通过锁紧装置17相连。桌腿之间设有承载平台20，承载平台20外周设有围栏8，围栏的设置可以避免由于意外情况导致升降架倾倒时将红外气体分析仪5甩出，掉落地面而造成仪器的损坏。升降架采用四脚两层的方桌型设计，材质采用不锈钢材料，四只桌腿均采用单独可伸缩式设计，以方便调整测量树干呼吸的高度位置以及整个改装气室的调平。

如图6、8所示，转向管3通过固定带13和锁扣12固定在固定座6上。固定座6放置于上部气体通道与下部升降架之间，优选为橡胶软性材质，与升降架接触面为矩形平面，与转向管接触面采用曲面设计，以配合转向管3的弧度。

桌腿伸缩段15的前端设有缓冲垫16，如图8所示，或桌腿伸缩段15的前端设有尖端18，如图9所示，同时，桌面设有水平仪19。

本红外气体分析仪(IRGA)配套气室，其主要搭配LI-COR系列8100/8100A/8150/6400-09以及其它具编程能力的土壤CO₂通量自动测量系统。

本发明还提供一种采用如上所述的树干CO₂通量测量装置测定树干CO₂通量的方法，其操作步骤为：

(1)将树干接触罩2与碳通量气室接触罩4连接到转向管3的两端；

(2)用小刀在待测定树干区域四周凹凸不平的树皮整平，将气体通道的树干接触罩2的弧形凹口10紧贴树干，四周用泡沫胶进行密封；

(3)在气体通道下方贴近待测树木选择地势平坦的位置放置升降架，通过水平仪19调整桌腿伸缩段15的高度以调平升降架桌面7至水平状态，并根据测量需要调整到树干待测高度处；

(4)在气体通道与升降架之间放置转向管固定座6，通过固定带13和锁扣12将转向管3与固定座6固定，并且采用固定装置14将固定座6与升降架固定；

(5)将红外气体分析仪5放置于升降架的承载平台上，将CO₂通量观测气室平放至碳通量气室接触罩4上，连接并调试设备，利用计算机终端对树干CO₂通量测定进行参数预设和编程，完成自动化测定过程。

(6)由于对气路、接触罩的改造而改变了原有仪器的CO₂计算体积和排放界面底面积，在土壤碳通量的原有计算方程的基础上，修正针对本树干CO₂通量测定的计算模型如下：

$F_c=\frac{10(V_{\mathrm{IRGA}}+V^{\′})P_0(1-\frac{W_0}{1000})}{\mathrm{RS}(T_0+273.15)}\frac{\∂C^{\′}}{\∂t}$

式中F_c为树干CO₂通量速率(单位：μmol m^-2s^-1)；V_IRGA为红外气体分析仪自身气路与气室体积，V’为树干CO₂通量测量装置的内部体积(单位：cm³)；P₀为初始大气压(kPa)；W₀为初始水汽摩尔分数(mmol mol^-1)；R为气体常数8.314Pa m³(K^-1mol^-1)S为树干被树干接触罩内缘所围的表面积(单位：cm²)；T₀为初始空气温度(单位：℃)；为初始水校正CO₂摩尔分数变化率(单位：μmol mol^-1)。上式参数中除V’和S外，其它均由红外气体分析仪给出。V’可根据制造的装置内径和高求得，针对形状不规则的气路部件，可用注水法求得。S可根据树干接触罩与树干包围的底面积求得，也可采用纸张法求得。

对于采用传统手动测量方式和采用本改装气室的测量方式进行了对比实验，于2014年10月21日在山东长岛地区对人工黑松(Pinus thunbergii Parl.)进行两种方式的对比实验，每组试验进行8个重复，将记录的前1min设置为pre-purge，记录后45s设置为post-purge，观测时间为1min30s，实验结果如下图所图11、12所示。

图11为采用Li 8100外加102长期观测气室(10cm Survey)的8个重复观测结果，其中树干CO₂通量均值为1.5975μmol/m²/s，最大值1.68μmol/m²/s，最小值1.49μmol/m²/s，标准差0.071μmol/m²/s；图12为采用Li 8100外加103长期观测气室(20cm Survey)和本树干碳通量装置的8个重复观测结果，其中树干CO₂通量均值为1.6425μmol/m²/s，最大值1.77μmol/m²/s，最小值1.51μmol/m²/s，标准差0.079μmol/m²/s。由于加载树干碳通量装置后，计算体积有所增加，给碳通量观测结果带来一定的系统误差。此过程可根据实际树干呼吸作用强弱，适当增加观察时间，以便获得更为理想的气室CO₂浓度稳定积累结果。

为了进一步验证采用本树干CO₂通量气室后测量结果的准确度，进行了以上两种测量方式的t检验，分析结果如下表所示：

表1独立样本t检验

如上表所示，方差方程的Levene检验P值为0.821，大于0.05，可以认为两组样本方差是齐性的，其后的均值方程的t检验P值为0.252，大于0.05说明两组样本的平均数是没有差异的。通过以上统计分析，可以认为采用了本树干CO₂通量改装气室的测量结果与采用传统的手动测量方式在测量精度上处于同一水平，但是由于充分发挥了Li 8100的自动测量与编程功能，使得采用本装置可进行长期野外树干CO₂通量无人值守观测实验，大大降低了相关树干呼吸研究的人力物力投入。

(7)装载树干CO₂通量测量气室后，需对整个CO₂通量观测系统原有的气室体积校正参数进行修改，通过以下公式计算Chamer Offset参数(单位：cm)：

ChamberOffset＝V′/S_IRGA

针对LI-COR 8100的103长期观测气室(20cm Survey)，其S_IRGA参数值为317.8cm²；针对LI-COR 8100的102长期观测气室(10cm Survey)，其S_IRGA参数值为83.7cm²。利用计算机终端对树干CO₂通量测定进行参数预设和观测编程，完成自动化测定过程。

Claims (10)

1.一种树干CO₂通量测量装置，它包括红外气体分析仪(5)和与红外气体分析仪(5)相连的气体通道以及用于放置红外气体分析仪(5)及其相连气体通道的升降架，其特征在于：所述的气体通道包括树干接触罩(2)、碳通量气室接触罩(4)和用于连接树干接触罩(2)、碳通量气室接触罩(4)的转向管(3)，所述的转向管(3)通过固定座(6)设置于升降架上，所述的升降架包括桌面(7)和位于桌面(7)下方边角的桌腿，所述的桌脚包括固定段(1)和位于固定段(1)内部的伸缩段(15)，所述的固定段(1)与伸缩段(15)之间通过锁紧装置(17)相连，所述的桌腿之间设有承载平台(20)，所述的承载平台(20)外周设有围栏(8)。

2.根据权利要求1所述的树干CO₂通量测量装置，其特征在于：所述的树干接触罩(2)为可伸缩式或者拼接式。

3.根据权利要求1或2所述的树干CO₂通量测量装置，其特征在于：所述的树干接触罩(2)前端设有弧形凹口(10)，所述的弧形凹口(10)处设有软质密封垫(9)。

4.根据权利要求2所述的树干CO₂通量测量装置，其特征在于：所述拼接式的树干接触罩(2)包括接触段和连接段，所述连接段的一端设有橡胶垫(11)。

5.根据权利要求1所述的树干CO₂通量测量装置，其特征在于：所述的树干接触罩(2)与转向管(3)之间、转向管(3)与碳通量气室接触罩(4)之间为可拆卸连接。

6.根据权利要求1或5所述的树干CO₂通量测量装置，其特征在于：所述的转向管(3)两端设有橡胶垫(11)。

7.根据权利要求6所述的树干CO₂通量测量装置，其特征在于：所述的转向管(3)通过固定带(13)和锁扣(12)固定在固定座(6)上。

8.根据权利要求1所述的树干CO₂通量测量装置，其特征在于：所述桌腿伸缩段(15)的前端设有缓冲垫(16)或尖端(18)。

9.根据权利要求1所述的树干CO₂通量测量装置，其特征在于：所述桌面(7)设有水平仪(19)。

10.一种采用如权利要求1所述的树干CO₂通量测量装置测定树干CO₂通量的方法，其特征在于：其操作步骤为：

(1)将树干接触罩(2)与碳通量气室接触罩(4)连接到转向管(3)的两端；

(2)用小刀在待测定树干区域四周凹凸不平的树皮整平，将气体通道的树干接触罩(2)的弧形凹口(10)紧贴树干，四周用泡沫胶进行密封；

(3)在气体通道下方贴近待测树木选择地势平坦的位置放置升降架，通过水平仪(19)调整桌腿伸缩段(15)的高度以调平升降架桌面(7)至水平状态，并根据测量需要调整到树干待测高度处；

(4)在气体通道与升降架之间放置转向管固定座(6)，通过固定带(13)和锁扣(12)将转向管(3)与固定座(6)固定，并且采用固定装置(14)将固定座(6)与升降架固定；

(5)将红外气体分析仪(5)放置于升降架的承载平台(20)上，将CO₂通量观测气室平放至碳通量气室接触罩(4)上，连接并调试设备；

(6)通过以下公式计算树干CO₂通量速率：

$F_c=\frac{10(V_{\mathrm{IRGA}}+V^{\′})P_0(1-\frac{W_0}{1000})}{\mathrm{RS}(T_0+273.15)}\frac{{\∂C}^{\′}}{\∂t}$

式中：F_c为树干CO₂通量速率，μmol m^-2s^-1；V_IRGA为红外气体分析仪自身气路与气室体积，cm³；V’为树干CO₂通量测量装置的内部体积，cm³；P₀为初始大气压，kPa；W₀为初始水汽摩尔分数，mmol mol^-1；R为气体常数8.314Pa m³，K^-1mol^-1；S为树干被树干接触罩内缘所围的表面积，cm²；T₀为初始空气温度，℃；为初始水校正CO₂摩尔分数变化率，μmol mol^-1；

(7)装载树干CO₂通量测量气室后，对整个CO₂通量观测系统原有的气室体积校正参数进行修改，通过以下公式计算Chamer Offset参数，cm：

ChamberOffset＝V′/S_IRGA

针对LI-COR 8100的103长期观测气室，20cm Survey，其S_IRGA参数值为317.8cm²；针对LI-COR 8100的102长期观测气室，10cm Survey，其S_IRGA参数值为83.7cm²；利用计算机终端对树干CO₂通量测定进行参数预设和观测编程，完成自动化测定过程。