CN113358826B - 一种测定林木树枝和叶片呼吸的装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测定林木树枝和叶片呼吸的装置及测定方法，测定林木树枝和叶片呼吸的装置，包括测定系统、呼吸盒，以及连接所述测定系统和呼吸盒的管道，所述呼吸盒包括至少一个供树枝或/和叶片穿过的通孔；所述呼吸盒为开/关式透明呼吸盒。将所述呼吸盒设置为常开，每间隔1单位时间后，启动测定系统并关闭所述呼吸盒1分钟，获取单次呼吸测定数据，再开启所述呼吸盒。现有技术多数采用大气CO₂监测方法，误差较大。本发明通过对枝叶呼吸所产生的CO₂进行原位的测定，通过计算装置内的叶面积和树枝表面积，对枝叶CO₂的排放量进行长期定位精确的测定，可以获得枝叶呼吸的碳排放的精准数据。

Description

一种测定林木树枝和叶片呼吸的装置及测定方法

技术领域

本发明属于植物生理条件测定设备领域，涉及测定林木树枝和叶片呼吸的装置和方法。

背景技术

森林作为陆地生态系统的主体，其巨大的碳储量是不可忽视的。树枝和叶片在生长季是树木生长和维持的主要生理活动器官，其产生的二氧化碳不可忽视。

有研究认为，林木自养呼吸能够消耗其自身光合作用固定的二氧化碳的一半以上。因而了解林木树枝和叶片呼吸的碳通量，对进一步了解和精准认识林木生长代谢所产生的二氧化碳具有重要意义。但国内目前对于树枝和叶片呼吸的研究较少。

目前，对于林木树枝和叶片的呼吸研究多数为使用Li-6400系列光合仪或红外气体分析仪离体测定，即采下枝条、叶片当即进行呼吸通量的测定，也包括针对幼树使用土壤碳通量测定系统手持仪器进行测定。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

1、现有技术中关于树枝树叶呼吸测定的设备较少，特别是还没有可以持续在原位测定高大林木的树枝和树叶呼吸的装置；

2、对于原位测定高大林木的树枝和树叶呼吸十分不便，并且在高大林木高处，例如8m高及以上，具有一定危险性。

3、多数采用大气CO₂监测方法如涡度相关法等进行大致估算，或采用Li-6400进行离体测定，造成测定组织损伤，误差较大。

因此，如何提供一种测定林木树枝和树叶的呼吸装置，以简化测定者的操作难度，增加高大林木测定的安全性和稳定性，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本发明目的在于提供一种测定林木树枝和树叶的呼吸装置，该装置非常适用于高大的成熟林及过熟林木的呼吸测定。

本发明第二个目的在于提供另一种原位持续测定林木树枝和树叶的呼吸作用的方法。

发明人通过长期的探索和尝试，以及多次的实验和努力，不断的改革创新，为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是，提供一种测定林木树枝和叶片呼吸的装置，包括测定系统、呼吸盒，以及连接所述测定系统和呼吸盒的管道，所述呼吸盒包括至少一个供树枝或/和叶片穿过的通孔；所述呼吸盒为开/关式透明呼吸盒。

根具本发明测定林木树枝和叶片呼吸的装置的一个实施方式，所述通孔上设置有密封件。

根具本发明测定林木树枝和叶片呼吸的装置的一个实施方式，所述呼吸盒包括一管状呼吸环，所述呼吸环设置有两个开口，每个开口上装配有用于封闭或开启所述开口的侧板。

根具本发明测定林木树枝和叶片呼吸的装置的一个实施方式，所述侧板连接有开关装置，所述开关装置为远程控制开关；所述远程控制开关连接有远程控制装置。

根具本发明测定林木树枝和叶片呼吸的装置的一个实施方式，所述呼吸环由第一半环和第二半环拼接构成，所述通孔设置在所述第一半环与所述第二板块的拼接部；所述远程控制开关安装在所述第一半环内侧；所述远程控制开关包括一伸缩杆和平行四边形机构；所述平行四边形机构包括顺次连接的第一连杆、第三连杆、第二连杆和第四连杆；

所述第一半环与第一侧板铰接，所述第一侧板上设置有第一连接件；所述第一连杆的一端与所述伸缩杆连接，所述第一连杆的另一端与所述第一连接件连接；

所述第二半环与第二侧板铰接，所述第二侧板上设置有第二连接件；所述第二连杆的一端与所述第二连接件连接。

根具本发明测定林木树枝和叶片呼吸的装置的一个实施方式，所述第三连杆或第四连杆的中部设置有树枝连接钉；

所述第一半环外侧设置有第一连接部，所述第二半环外侧设置有第二连接部，所述第一连接部与所述第二连接部直接或间接连接。

根具本发明测定林木树枝和叶片呼吸的装置的一个实施方式，所述测定系统为Li-8100A测定系统。

根具本发明测定林木树枝和叶片呼吸的装置的一个实施方式，还包括用于连接树干的固定件，以及连接所述固定件和所述呼吸盒的支撑件。

根具本发明测定林木树枝和叶片呼吸的装置的一个实施方式，所述固定件为连接箍。本发明还提供了一种利用前述测定林木树枝和叶片呼吸的装置进行林木树枝和叶片呼吸测定的方法，包括如下步骤：

S1选择特定树枝和树叶作为用于测定的目标对象，在待测树枝上固定安装所述测定林木树枝和叶片呼吸的装置，使所述目标对象位于所述呼吸盒内；

S2计算目标对象面积：通过数字图像处理法获取呼吸环内的叶面积；通过公式计算测定呼吸环内的树枝表面积：

S＝πr²+πR²+πRl+πrl＝π(r²+R²+Rl+rl) (式II)

其中，r－上端半径、R－下端半径、h－树枝长、l—母线

S3将S2中叶面积和树枝表面积之和作为测定处的总面积输入仪器参数设置的area位置；

S4根据环内总体积计算仪器参数中的offset参数；

S5将所述呼吸盒设置为常开，每间隔1单位时间后，启动测定系统并关闭所述呼吸盒1分钟，获取单次呼吸测定数据，再开启所述呼吸盒。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点：

a)本发明测定林木树枝和叶片呼吸的装置的一个实施例中，可以实现在树木上，特别是高大树木上，进行长期原位呼吸测定。现有技术，在呼吸测定时多为离体测定，或采集样品后立即测定，不能实现对较为高大的林木同一处枝叶的长期、连续的测定。即通过一次的安置，可对该处位置的枝叶呼吸进行长期、多次测定，避免了在树冠层高度进行多次测定时，需要工作人员多次攀爬观测架和长时间工作，有效保障工作人员的安全性。

b)现有技术多数采用大气CO₂监测方法如涡度相关法等进行大致估算，或采用Li-6400进行离体测定，误差较大。而根据本发明测定林木树枝和叶片呼吸的装置的一个实施方式，通过对枝叶呼吸所产生的CO₂进行原位的测定，通过计算装置内的叶面积和树枝表面积，对枝叶CO₂的排放量进行长期定位精确的测定，可以获得枝叶呼吸的碳排放的精准数据。

c)根据本发明的一个实施方式，可以远程控制，便于操作人员在树下控制装置开闭，完成测定工作。可避免一直在高处工作，降低操作的危险性。

d)根据本发明的一个实施方式，通过设置支撑件，避免由于装置的自重导致树枝折断，可以选择弱枝进行测定。

e)本发明装置通过控制呼吸盒的开/闭，可有效避免长时间的封闭环境，导致测定处的树枝树叶不能进行良好的气体交换，通过设置开/关式透明呼吸盒，可以实现测定部位枝叶同外界大气正常的气体交换，不影响枝叶正常的光合作用及呼吸作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明测定林木树枝和叶片呼吸的装置一较佳实施例中呼吸盒闭合状态的前视示意图。

图2是图1的右视示意图。

图3是图1的立体结构示意图。

图4是图1中A-A剖视示意图。

图5是本发明测定林木树枝和叶片呼吸的装置一较佳实施例中呼吸盒开启状态右视示意图。

图6是本发明测定林木树枝和叶片呼吸的装置一较佳实施例中呼吸盒闭合状态的后视示意图。

图7是图6中B-B剖视示意图。

图8是本发明测定林木树枝和叶片呼吸的装置一较佳实施例结构示意图。

图中标记分别为：100呼吸环，

101 固定孔，

110 第一半环，

111 第一连接部，

120 第二半环，

121 第二连接部，

210 第一侧板，

211 第一连接件，

220 第二侧板，

221 第二连接件，

300 电磁开关，

301 伸缩杆，

310 基座，

410 第一连杆，

411 第一连接孔，

420 第二连杆，

421 第二连接孔，

430 第三连杆，

431 树枝连接钉，

440 第四连杆，

501 支撑件，

502 固定件，

600 测定系统，

601 管道；

700 远程控制装置。

具体实施方式

下面结合附图与一个具体实施例进行说明。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。

实施例1

参见图1至图8。本实施例所描述的一种测定林木树枝和叶片呼吸的装置，包括测定系统600、呼吸盒，以及连接所述测定系统和呼吸盒的管道601，所述呼吸盒包括至少一个供树枝或/和叶片穿过的通孔；本实施例中，所述呼吸盒上设置有两个通孔，这两个通孔同时用于将装置固定在树枝上，该通孔为固定孔101。固定孔101的大小与待测树枝的直径大小相当。为不影响树枝和树叶的呼吸作用和光合作用，本实施例中，所述呼吸盒为开/关式透明呼吸盒，即可以开启和关闭的呼吸盒，可以采用透明玻璃和树脂材料制作。呼吸盒为常开状态，保证呼吸盒内外空气可以正常流通、交换；在开展测定工作时，呼吸盒处于关闭状态。通过将呼吸盒固定安装在树枝上，实现对特定树木的同一位置的枝叶在不同时间点上的呼吸作用进行测定，实现树木枝叶原味长期测定，可以更加清楚地知道枝叶呼吸作用的变化情况。

为提高呼吸盒在关闭状态下的密封效果，减少关闭状态下的空气交换，在所述通孔上设置有密封件，具体来说，可以在固定孔101上安装橡胶圈或橡胶垫，一方面可以起到密封效果，另一方面可以有效避免呼吸盒在树枝上偏转。密封件在附图中未示出。

本实施例提供了一种具体的呼吸盒的结构，参见图1至图4，所述呼吸盒包括一管状呼吸环100，所述呼吸环100设置有两个开口，每个开口上装配有用于封闭或开启所述开口的侧板。所述侧板连接有开关装置，所述开关装置为远程控制开关；所述远程控制开关连接有远程控制装置。本实施例中，远程控制开关采用电磁开关300，电磁开关300断电状态，呼吸盒关闭；电磁开关300通电状态，呼吸盒开启。在实际使用过程中，例如某些特定的测定活动中，测定活动可能持续数小时、数天、数周，甚至数月，每小时要关闭呼吸盒6次，即每小时要进行6次呼吸测定。在频繁的开启、关闭呼吸盒的情况下，推荐地，电磁开关300与远程控制装置700电连接，通过远程控制装置700实现远程控制电磁开关300定时开启和定时关闭。当然，为实现远程控制，还可以采用液压开关、气压开关，通过输液管道或输气管道实现远程控制。本实施例所谓远程，是指大于或等于呼吸盒安装点到地面的距离，也就是说，测定人员可以在地面对树上高处的呼吸盒进行操作，控制呼吸盒关闭、开启。

具体来说，所述呼吸环100由第一半环110和第二半环120拼接构成，所述通孔即固定孔101设置在所述第一半环110与所述第二半环120的拼接部。所述远程控制开关安装在所述第一半环110内侧；所述远程控制开关包括电磁开关300，电磁开关300包括一伸缩杆301，所述远程控制开关还平行四边形机构；所述平行四边形机构包括顺次连接的第一连杆401、第三连杆403、第二连杆402和第四连杆404；第一连杆401与第二连杆402平行，第三连杆403与第四连杆404平行。第一连杆401与第三连杆403转动配合，第三连杆403与第二连杆402转动配合，第三连杆403与第四连杆404转动配合，第四连杆404与第一连杆401转动配合。通过设置平行四边形机构，可以利用一个电磁开关同时控制两个侧板，即第一侧板210和第二侧板220转动。第一半环110内侧安装有基座310，所述电磁开关300安装在所述基座310上。所述第一半环110与第一侧板210铰接，所述第一侧板210上设置有第一连接件211，所述第一连接件211为第一连接耳。所述第一连杆401的一端与所述伸缩杆301连接，所述第一连杆401的另一端与所述第一连接件211铰接。

所述第二半环120与第二侧板220铰接，所述第二侧板220上设置有第二连接件221，所述第二连接件221为第二连接耳。所述第二连杆402的一端与所述第二连接件221铰接。

安装时，可以利用第三连杆和第四连杆的中部夹持树枝，利用树枝作为支点，使所述平行四边形机构能够正常工作。参见图4和图7，为适用于不同直径的树枝，在第一连杆410上设置有多个第一连接孔411，在第二连杆420上设置有多个第二连接孔421，以调节第三连杆430和第四连杆440之间的距离。

作为替代实施方式，第一连杆410和第二连杆420上不设置连接孔，在所述第三连杆或第四连杆的中部设置有树枝连接钉。参见图4和图7，在第三连杆430中部设置有树枝连接钉431，安装时，将树枝连接钉431插入树枝，利用树枝连接钉431作为支点。参见图7，电磁开关300处于断电状态时，伸缩杆301处于伸出状态，第一侧板210和第二侧板220处于打开状态。参见图4，电磁开关300处于通电状态时，伸缩杆301处于缩回状态，第一侧板210和第二侧板220处于关闭状态。

本实施例还提供了一种第一半环110和第二半环120拼接的具体方式。所述第一半环110外侧设置有第一连接部111，所述第二半环120外侧设置有第二连接部121，所述第一连接部111与所述第二连接部121直接或间接连接。具体来说，第一连接部111可以是连接孔或连接柱，第二连接部121可以是连接孔或连接柱，通过连接绳进行固定连接。本实施例附图示出的是连接柱的情形，未示出连接绳。

推荐地，所述测定系统为Li-8100A测定系统。Li-8100A为现有红外气体分析仪器，配置103便携式测定气室，103便携式测定气室通过管道601与呼吸盒连通。现有技术中，还没有使用改型分析仪对树木枝叶进行呼吸测定的案例。

参见图8，为了使呼吸盒更加牢固地安装在树枝上，或者避免呼吸盒压弯、压断树枝，本实施例的进一步实施方式中还包括用于连接树干的固定件502，以及连接所述固定件502和所述呼吸盒的支撑件501。所述固定件502为连接箍，所述支撑件501为支撑杆，支撑杆与连接箍固定连接，连接箍与第二半环120固定连接。

实施例2

本实施例是利用实施例1所述测定林木树枝和叶片呼吸的装置进行林木树枝和叶片呼吸测定的方法，包括如下步骤：

S1选择特定树枝和树叶作为用于测定的目标对象，在待测树枝上固定安装所述测定林木树枝和叶片呼吸的装置，使所述目标对象位于所述呼吸盒内；

S2计算目标对象面积：通过数字图像处理法获取呼吸环内的叶面积，比如利用拍照的图像通过Photoshop处理计算出树叶面积；通过公式计算测定呼吸环内的树枝表面积：

S＝πr²+πR²+πRl+πrl＝π(r²+R²+Rl+rl) (式II)

其中，r－上端半径、R－下端半径、h－树枝长、l—母线。

S3将S2中叶面积和树枝表面积之和作为测定处的总面积输入仪器参数设置的area位置；

S4根据环内总体积计算仪器参数中的offset参数；

S5将所述呼吸盒设置为常开，每间隔1单位时间后，启动测定系统并关闭所述呼吸盒1分钟，获取单次呼吸测定数据，再开启所述呼吸盒。

本实施例中，呼吸盒的直径为20cm，长度10cm。

具体来说，申请人于2020年6～10月通过对塞罕坝地区的华北落叶松17年生的枝叶进行测定试验，依照上述方式可直接获得该部位枝叶在自然状态下的二氧化碳通量(单位μmol·m^-2·s^-1)，没小时测定对特定枝叶的呼吸作用进行6次测定，每次关闭呼吸盒1分钟，记录1小时内6次测试值的平均值，如下表所示。

本实施例提供了一种新的测定方案，与现有的离体测定方法不具有横向对比性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种测定林木树枝和叶片呼吸的装置，其特征在于，包括测定系统、呼吸盒，以及连接所述测定系统和呼吸盒的管道，所述呼吸盒包括至少一个供树枝或/和叶片穿过的通孔；所述呼吸盒为开/关式透明呼吸盒；

所述呼吸盒包括一管状呼吸环，所述呼吸环设置有两个开口，每个开口上装配有用于封闭或开启所述开口的侧板；

所述侧板连接有开关装置，所述开关装置为远程控制开关；所述远程控制开关连接有远程控制装置；

所述呼吸环由第一半环和第二半环拼接构成，所述通孔设置在所述第一半环与所述第二半环的拼接部；所述远程控制开关安装在所述第一半环内侧；所述远程控制开关包括一伸缩杆和平行四边形机构；所述平行四边形机构包括顺次连接的第一连杆、第三连杆、第二连杆和第四连杆；

所述第一半环与第一侧板铰接，所述第一侧板上设置有第一连接件；所述第一连杆的一端与所述伸缩杆连接，所述第一连杆的另一端与所述第一连接件连接；

所述第二半环与第二侧板铰接，所述第二侧板上设置有第二连接件；所述第二连杆的一端与所述第二连接件连接。

2.根据权利要求1所述的测定林木树枝和叶片呼吸的装置，其特征在于，所述通孔上设置有密封件。

3.根据权利要求1所述的测定林木树枝和叶片呼吸的装置，其特征在于，所述第三连杆或第四连杆的中部设置有树枝连接钉；

所述第一半环外侧设置有第一连接部，所述第二半环外侧设置有第二连接部，所述第一连接部与所述第二连接部直接或间接连接。

4.根据权利要求1所述的测定林木树枝和叶片呼吸的装置，其特征在于，所述测定系统为Li-8100A测定系统。

5.根据权利要求1所述的测定林木树枝和叶片呼吸的装置，其特征在于，还包括用于连接树干的固定件，以及连接所述固定件和所述呼吸盒的支撑件。

6.根据权利要求5所述的测定林木树枝和叶片呼吸的装置，其特征在于，所述固定件为连接箍。

7.一种利用权利要求1~6任一项所述测定林木树枝和叶片呼吸的装置进行林木树枝和叶片呼吸测定的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1 选择特定树枝和树叶作为用于测定的目标对象，在待测树枝上固定安装所述测定林木树枝和叶片呼吸的装置，使所述目标对象位于所述呼吸盒内；

S2 计算目标对象面积：通过数字图像处理法获取呼吸环内的叶面积；通过公式计算测定呼吸环内的树枝表面积：

（式I）

S=πr²+πR²+πRl+πrl=π(r²+R²+Rl+rl) （式II）

其中，r－上端半径、R－下端半径、h－树枝长、l—母线

S3 将S2中叶面积和树枝表面积之和作为测定处的总面积输入仪器参数设置的area位置；

S4 根据环内总体积计算仪器参数中的offset参数；

S5 将所述呼吸盒设置为常开，每间隔1单位时间后，启动测定系统并关闭所述呼吸盒1分钟，获取单次呼吸测定数据，再开启所述呼吸盒。

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