CN201674820U

CN201674820U - 一种能同时测定植被群体辐射温度和光合作用的冠层叶室

Info

Publication number: CN201674820U
Application number: CN2009202671236U
Authority: CN
Inventors: 陈良富; 严俊霞; 李洪建
Original assignee: Institute of Remote Sensing Applications of CAS
Current assignee: Institute of Remote Sensing Applications of CAS
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2019-11-20

Abstract

一种能同时测定植被群体辐射温度和光合作用的冠层叶室，它由底面开放、5面封闭的正方体的通量箱(1)和土壤基座(10)2部分组成。通量箱是冠层叶室的主体，用于覆盖测定植被，基座起叶室和下部土壤之间的密封作用。箱体和基座用透明的有机玻璃和不锈钢薄板制作，通量箱可以与Li-Cor 6400的9864-174适配器连接，连接适配器的箱壁上安有一热电偶(8)，另两个侧面安装搬动把手(5)，箱体顶面，通过3个圆孔和螺纹杆安装两个小型风扇(4)和一个红外辐射温度探头(2)。这种装置密封性好，接驳容易，造价低廉，结合Li-Cor6400可以对植被群体的辐射温度和碳通量进行同步测定，为研究植被辐射温度对光合作用的影响机理及其模型提供科学依据。

Description

一种能同时测定植被群体辐射温度和光合作用的冠层叶室

所属技术领域：

本实用新型涉及一种用于同时测定植被群体红外辐射温度和光合作用的冠层叶室。冠层叶室与光合作用测定仪连接，根据冠层叶室内CO₂、H₂O的浓度变化来测定植被群体的碳水通量，叶室内安装有连接笔记本电脑的红外测温仪的微型传感头，在测定群体碳水通量时，同步测定并自动记录植被冠层群体的红外辐射温度，为植被群体冠层的辐射温度对植被群体的光合作用的影响机理及其模型研究提供科学依据，属于生物学研究仪器领域。

背景技术：

遥感能在瞬时获取地表“面状”分布的技术手段渐渐受到生态学家的日益关注，以遥感为主要数据源的碳循环遥感估算模式已经被国际社会所接受，基于遥感的碳循环研究已经成为目前碳循环研究的重要方法。

利用遥感来估算净第一生产力一般采用Monteith(1972，1977)提出的光能利用模式：即植被吸收的光合有效辐射“IPAR”(Intercepted Photosynthetically Active Radiation)乘以某种植被的光能利用率ε，即：

NPP＝IPAR×ε

这里IPAR是地表光合有效辐射“PAR”(Photosynthetically Active Radiation)和植被冠层吸收的光合有效辐射的比率“FPAR”(Frection of Photosynthetically Active Radiation absorbed by thecanopy)的乘积，即：IPAR＝PAR×FPAR。ε是生态系统的最大光能利用率ε₀与温度、水分和大气中CO₂浓度等光合作用限制因子的乘积，即

ε＝ε₀×f(T)×f(W)×f(CO₂)

式中ε₀是最佳环境下的最大光能利用率，f(T)、f(W)和f(CO₂)分别是光合作用中的温度、水分和大气CO₂浓度的限制函数。

目前，遥感的NPP模型中，温度对光合作用限制的计算模型中的T是气温，是基于气象站点监测的气温值，并通过内插将“点状”测量数据扩展到不同尺度的区域。那么，利用这样一个气温观测值以及相应函数进行温度限制，会由于以下问题而给NPP的估算带来误差：第一，直接影响植被光合作用的温度不是气温，而是植被体本身的温度。第二，在估算NPP时所使用的气温不能准确反映植被光合作用体和其表面的温度。第三，即使是气温，不同的时间尺度模型的选择上存在很大的差异。第四，气温的区域代表性问题，县级气象站点一般都坐落在县城，百叶箱中获得气温值相对于野外陆地生态系统来说代表性可能也比较差。而且相对区域尺度来说，气象站点的分布非常有限，尤其是森林和草原生态系统区域，站点很少。只利用有限站点的观测数据通过不同插值方法获得，这种内插或外延技术可能会给气温带来的误差会传递并累计在NPP估算结果中。而卫星遥感探测的温度是地表辐射温度，对植被冠层来说正好是植被表层辐射温度。和气温相比这个温度更能反映光合作用的植被本体温度。而且，卫星遥感能瞬时获取大区域和连续分布的植被温度，弥补了利用气温值计算NPP的不足。

植被的辐射温度与光合作用的关系以及对光合作用的影响过程，需要开展野外测量实验来探讨。其中温度的非接触测量，实际上就是利用辐射计的测量与温度的反演过程，其基本的反演原理与卫星遥感温度类似，但目标更均一，大气的影响相对简单。在辐射温度观测的同时，开展光合作用的测量，对研究辐射温度变化与光合作用变化的关系至关重要。

对于光合作用的测量，LI-6400便携式光合作用测量系统代表了当今国际上植物叶片光合作用测量仪器的最高水平，是世界著名生理尘态仪器制造商LI-COR公司的尖端产品。由于单一叶片的植物光合作用代表性有限，可以通过LI-6400连接自定义叶室开展群体光合作用的测量。而植株群体冠层的辐射温度测量可以利用辐射计来监测。问题是利用现有的自定义叶室测定群体光合和利用辐射计测定植被群体冠层的辐射温度不可能完全同步，势必会对实验结果带来较大的误差，因此如何利用自定义叶室测定光合作用的同时同步测定植被冠层的辐射温度成为问题的焦点。

发明内容：

要解决的技术问题：

为了克服现有的自定义冠层叶室不能对植株群体的辐射温度和光合作用同步测量的不足，本实用新型提供一种冠层叶室，在测定光合作用的同时，能够方便、准确地对植被群体冠层的红外辐射温度进行同步地自动测定和记录。这种叶室造价低廉，密封性好，制作简单，接驳容易，简单实用，操作方便等特点。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型提出的能同时测定植被群体辐射温度和光合作用的冠层叶室，由正方体的通量箱和土壤基座两部分组成。上部为通量箱，是测量主体，下部为土壤基座，埋于土体，用于上部叶室和被测定植被之间结合部(土壤)的密封作用。正方体通量箱规格为50cm×50cm×50cm(根据所测定植物的高度规格可以适当加大或缩小)，用无色透明的有机玻璃作为材料，厚度3-5mm。叶室的5个面封闭(四侧面及顶面)，一面(下部)开放，用于覆盖实验材料。通量箱两相对的侧壁上设有把手，方便箱体搬动。另一侧壁上留有9个直径大小不同的圆孔(用于与Li-Cor 6400的适配器相连)，圆孔的大小、孔间距离与Li-Cor 6400的9864-174适配器的气孔和螺丝孔相同。适配器与箱体之间加密封垫圈。在安装适配器的侧壁上，通过一圆形孔装有一E型热电偶，用于测定通量箱内部气温，测定数据由光合作用测定仪自动记录。在通量箱的顶壁通过圆形孔和螺纹杆在通量箱内安装两个小型风扇和一个红外测温仪的微型传感头。风扇(为计算机机箱散热用的普通风扇)对角形安装，根据植被高度通过螺纹杆调节风扇高度，风扇大小可视植被灌层高低而定，目的是使冠层叶室内的气体迅速混合均匀。红外温度探头安装在通量箱连接适配器的侧壁内，根据植被生长状况通过万能调节器调节其方位、高度和角度，以便更精确地测定植被群体冠层的红外辐射温度。红外测温仪与笔记本电脑连接，通过设定记录间隔时间，可以和光合作用仪测定数据同步对植被群体的表面辐射温度进行记录。土壤基座由铝合金或不锈钢薄材制成，土壤基座有一扁平基座，基座宽5mm，框架的高为8cm，长、宽均为50cm，土壤底座的上口与通量箱的底部开口完全吻合。通量箱的基部和土壤基座上都贴有单面密封胶条，强化冠层叶室的密封性。使用时基座埋于地下，与测定植物所在的土壤表面持平。所有需电设施均由外部的12V电源供电。

上述通量箱内，所述红外测温仪的光学分辨率为2∶1，包括两部分：微型传感头和分离电盒，具有三种可选的数字接口(USB，RS232或RS485)。通过按键和带有LCD显示的智能操作面板，可以方便的设置和调节基本参数。

该装置可以用来测定草坪、草地、花卉、地被植物、蔬菜、粮食作物、小灌木等各种植物冠层的红外辐射温度、群体光合、呼吸和蒸腾作用，解决了在测定碳通量的同时，不能同步测定红外辐射温度的问题。为利用遥感技术研究辐射温度与植被群体的碳水通量间的关系模型提供科学依据。

本实用新型的有用效果是，可以在测定植株群体光合速率的同时，同步测定植株冠层红外辐射温度，测定数据通过电脑自动记录，方便快捷。

附图说明

下面结合附图和实施方式进一步说明本实用新型。

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型通量箱的立体图；

图3是本实用新型通量箱的俯视图；

图4是本实用新型土壤底座的立体图；

图5是本实用新型土壤底座的俯视图；

图1-5中，1为通量箱，2为红外测温仪的微型传感头，3为万能调节支架，4为风扇，5为把手，6为三个气孔，7为四个螺丝孔，8为E型热电偶，9为单面密封胶条，10为土壤基座。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的技术方案进一步描述。

本发明的冠层叶室结构如图1所示，由正方体的通量箱1和土壤基座10两大部分组成。通量箱1的四周侧壁和顶壁由透明的有机玻璃制成，以保证冠层叶室的透光性。箱体顶壁通过3个圆孔和螺纹杆安装两个小型风扇和一个红外辐射温度探头。风扇4对角线安装，根据植被的生长状况通过螺纹杆调节风扇高度，风扇为家用电脑上的普通小风扇。红外测温仪的微型传感头安装在一万能调节器上，根据植被的高度、盖度通过万能调节器调节探头的方位、高度和角度，用以测定植株群体冠层的红外辐射温度。红外温度探头和电脑连接，通过设定记录间隔时间，可以和光合作用仪测定数据同步进行记录。通量箱1两相对的侧壁上设置一对把手5，另一侧壁上安装有E型热电偶8，与光合作用仪相连测定通量箱内部的气温，热电偶旁边有三个气孔6，四个螺丝孔7，用于与光合作用仪的适配器相连。土壤基座10用不锈钢薄材或铝合金制成，上口与通量箱1底壁的开口完全重合，以保证冠层叶室内气体的密闭性，通量箱的基部和土壤底座的基座上贴有一层单面密封胶条9。

在测定前一周将土壤基座10插入栽有待测植物的土壤中，插入土壤深度要求基座表面与测定植被的地表高度一致，一般为8cm。使用时，将li-6400光合仪的9864-174适配器与通量箱相连，适配器与通量箱的侧壁间加有一层与适配器大小一致的垫圈，然后将自制的E型热电偶、光合有效辐射(PAR)传感器与光合作用仪相连；同时将红外测温仪通过USB接口与电脑连接，打开配置软件，设置好比辐射率、记录时间间隔等参数。测定时，将风扇启动、红外测温仪连接好后，双手握住把手抬起通量箱，缓缓将通量箱放置在土壤基座上，确保通量箱各侧面与土壤基座之间完全接触，没有间隙，通量箱与外界空气隔绝良好，待通量箱内气体平衡后即可测定植物群体的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用和植物群体冠层的辐射温度等指标。数据采集器设定为每10S记录一次红外CO₂分析仪和红外辐射温度的读数。

本实用新型的冠层叶室成本低廉，密封性好，接驳容易，操作简单，与光合作用测定仪一起，可以用来测定草坪、草地、花卉、地被植物、蔬菜、粮食作物、小灌木等各种植物冠层的红外辐射温度、碳水通量等技术参数，解决了在测定碳通量的同时，不能同步测定红外辐射温度的问题，为开展植被辐射温度与光合作用的关系模型的研究提供了可能。

Claims

1.一种能同时测定植被群体辐射温度和光合作用的冠层叶室，其特征是，它由正方体的通量箱和土壤基座两部分组成，通量箱的四周侧壁和顶壁用无色透明的有机玻璃制成，下部开放；通量箱两相对的侧壁上设有把手，一侧壁上有直径大小不等的圆形孔，与光合作用仪的适配器相连；在安装适配器的侧壁上，通过一圆形孔装有一热电偶；在通量箱的顶壁通过圆形孔和螺纹杆在通量箱内安装两个小型风扇和一个红外测温仪的微型传感头；土壤基座由铝合金或不锈钢薄材制成，通量箱的基部和土壤底座的基座上各有一层单面密封胶条。

2.根据权利要求1的一种能同时测定植被群体辐射温度和光合作用的冠层叶室，其特征在于所述通量箱为长、宽、高均为50cm的正方体；所述土壤基座有一扁平基座，基座宽5mm，框架的高为8cm，长、宽均为50cm，土壤底座的上口与通量箱的底部开口完全吻合。

3.根据权利要求1的一种能同时测定植被群体辐射温度和光合作用的冠层叶室，其特征在于所述通量箱侧壁上的3个大孔为气孔，四角的4个小孔为固定螺丝孔，圆孔的大小、孔间距离与Li-Cor 6400的9864-174适配器的圆孔直径、距离相同。

4.根据权利要求1的一种能同时测定植被群体辐射温度和光合作用的冠层叶室，其特征在于所述红外测温仪的光学分辨率为2∶1，包括两部分：微型传感头和分离电盒，具有USB，RS232或RS485三种可选的数字接口。

5.根据权利要求1的一种能同时测定植被群体辐射温度和光合作用的冠层叶室，其特征在于所述通量箱侧壁上的热电偶为E型。