CN211426249U - 一种低矮植被冠层光合速率测定装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种低矮植被冠层光合速率测定装置，包括GFS‑3000主机和同化箱，GFS‑3000主机包括内置的四通道绝对开路式非扩散红外气体分析器、外置的滤器和流量仪、主机上方的大屏幕触摸式显示屏和闪存卡，GFS‑3000主机上设有第一进气口和第一出气口，同化箱包括主箱，主箱顶部设有第二进气口和第二出气口；第二进气口与第一出气口通过输气管路连通，第二出气口与第一进气口通过输气管路连通；主箱上还设气压调节端口；主箱内固设多个轴流风扇；主箱底部设有延展箱，延展箱内放置有降温冰盒；延展箱底部活动连接有基座，同化箱内部设置光量子计和温度计。本实用新型装置造价低廉，运行成本低、使用方便，CO2测量范围大、分辨率和精度高，适合户外直接使用。
Description
技术领域
本实用新型涉及植物生理学研究设备技术领域，具体为一种低矮植被冠层光合速率测定装置。
背景技术
光合作用是地球上最重要的化学反应，是整个生物圈物质循环与能量流动的基础。测量生物的光合作用一直是科研界的热点。
传统的光合作用测量主要包括调制叶绿素荧光(PAM技术)、CO2气体交换和光合放氧三大技术，几十年来在国际科研界均得到了广泛应用。由于调制叶绿素荧光和CO2气体交换都可以做到无损、原位、活体测量，对同一个样品可以进行长期的胁迫处理研究(光合放氧需要破碎叶片)，因此应用更广泛一些。
现有产品便携式光合测量系统——GFS-3000，可以用来测量叶片光合作用、蒸腾作用、呼吸作用、叶绿素荧光(可选)；气体交换和荧光参数的光响应曲线和CO2响应曲线；同步测量CO2气体交换与其它光合指标，但是检测对象仅仅局限于单个叶片。到目前还没有相应的配套技术和装置来测量植被群体光合速率，极大地限制GFS-3000的应用范围和研究深度。
因此需要开发一种能够拓展GFS-3000应用功能且适合野外进行植被光合速率测定的装置。
实用新型内容
为解决以上现有问题，本实用新型提供一种低矮植被冠层光合速率测定装置。本实用新型通过以下技术方案实现。
一种低矮植被冠层光合速率测定装置，包括GFS-3000主机和同化箱，所述GFS-3000主机包括内置的高精度四通道绝对开路式非扩散红外气体分析器、外置的滤器和流量仪、主机上方的大屏幕触摸式显示屏和闪存卡，所述GFS-3000主机上设有第一进气口和第一出气口，所述同化箱200包括主箱G，所述主箱顶部设有第二进气口和第二出气口；所述第二进气口与所述第一出气口通过输气管路连通，所述第二出气口K与所述第一进气口通过输气管路连通；
所述主箱上还设有气压调节端口；所述主箱内部固设有多个轴流风扇；
所述主箱底部设有延展箱，所述延展箱内放置有降温冰盒；所述延展箱底部活动连接有基座；
所述同化箱内部设置有光量子计和温度计；
所述GFS-3000主机和同化箱的气路设计为：通过输气管路连接第二出气口和第一进气口，使用两端带有cpc快速接头的导管连接CO2吸收管(CO2 ABSORBER)的下端口和第二道滤器(FILTERS PUMP)的上端口，然后使用两端带有cpc快速接头的导管连接端口(CUVETTE TO)和第三道滤器(FILTERS CUVETTE)的上端口，最后使用四通接头将主机出气端口ANALYZE REF、ANALYZE SAMPLE和VENT与第二进气口连接，形成气路闭合循环系统。
优选的，所述气压调节端口固设在所述主箱的顶部侧壁上；所述气压调节端口为带有阻头的气压调解直通。
优选的，所述主箱的内侧壁上紧固有可旋转轴，所述轴流风扇依次竖直固接在所述可旋转轴壁上。
优选的，所述主箱内侧可旋转轴壁上装有垂直排列的三个轴流风扇。
优选的，所述输气管路为1-3m长软管，所述软管的内径4mm、外径8mm。
优选的，所述主箱由透光率90-95％的高硬度的亚克力板构成。
优选的，所述基座的四个底边打磨成切削刃。
优选的，所述基座由PVC硬塑料板制成。
本实用新型的有益效果：
本实用新型一种低矮植被冠层光合速率测定装置利用GFS-3000主机现有的强大功能和人性化设计特点，通过改造气体通路，与组合式植物同化箱联用来形成一个气路闭合循环系统，同化箱内充分混匀的一部分气体通过顶部的第二出气口，流经GFS-3000主机的红外气体分析室，检测气流中CO2绝对浓度并自动保存，然后经GFS-3000主机的第一出气口回流到同化箱内，实现GFS-3000对低矮植被冠层光合速率的测定功能。
本实用新型一种低矮植被冠层光合速率测定装置造价低廉，运行成本低、使用方便，CO2测量范围大、分辨率和精度高，适合户外直接使用。
附图说明
图1为GFS-3000便携式光合仪主机气路接口示意图；
图2为GFS-3000主机与组合式同化箱联用系统的构成示意图；
图3为GFS-3000主机与组合式同化箱联用的闭合气路设计图
其中：100为GFS-3000主机；200为同化箱；
1为第一进气口；2为第一道滤器(FILTERS AIR IN)；3为CO2吸收管(CO2ABSORBER)；4为干燥管(DRIER)；5为加湿管(HUMIDIFIER)；6为第二道滤器(FILTERS PUMP)；7代表气体流向测量头的端口(CUVETTE TO)；8为气体由测量头流回到主机的端口(CUVETTEFROM)；9为第三道滤器(FILTERS CUVETTE)；10为参照室气体的出气端口(ANALYZER REF)；11为样本室气体的出气端口(ANALYZER SAMPLE)；12为ZP模式下样本室出气端口(SAMPLE)；13第一出气口；
A为温度计；B为轴流风扇；C为延展箱；D为降温冰盒；F为基座；G为主箱；H为气压调节端口；I为光量子计；J为第二进气口；K为第二出气口。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案作更为详细、完整的说明。
一种低矮植被冠层光合速率测定装置，包括GFS-3000主机100和同化箱200，所述GFS-3000主机100包括内置的高精度四通道绝对开路式非扩散红外气体分析器、外置的滤器和流量仪、主机上方的大屏幕触摸式显示屏和闪存卡，所述GFS-3000主机上设有第一进气口1和第一出气口13，
所述同化箱200包括主箱G，所述主箱G顶部设有第二进气口J和第二出气口K；所述第二进气口J与所述第一出气口13通过输气管路连通，所述第二出气口K与所述第一进气口1通过输气管路连通；
所述主箱G上还设有气压调节端口H；所述主箱G内部固设有多个轴流风扇B；
所述主箱G底部设有延展箱C，所述延展箱C内放置有降温冰盒D；所述延展箱C底部活动连接有基座F；
所述同化箱200内部设置有光量子计I和温度计A；所述温度计A优选为数显温度计。
所述GFS-3000主机100和同化箱200的气路设计为：通过输气管路连接第二出气口和第一进气口，使用两端带有cpc快速接头的导管连接CO2吸收管(CO2 ABSORBER)的下端口和第二道滤器(FILTERS PUMP)的上端口，然后使用两端带有cpc快速接头的导管连接端口(CUVETTE TO)和第三道滤器(FILTERS CUVETTE)的上端口，最后使用四通接头将主机出气端口ANALYZE REF、ANALYZE SAMPLE和VENT与第二进气口连接，形成气路闭合循环系统。
进一步说明的，所述气压调节端口H固设在所述主箱G的顶部侧壁上；所述气压调节端口H为带有阻头的气压调解直通；所述主箱G的内侧壁上紧固有可旋转轴，所述轴流风扇B依次竖直固接在所述可旋转轴壁上。
进一步说明的，所述输气管路为1-3m长软管，所述软管的内径4mm、外径8mm。
优选的，所述主箱G由透光率90-95％的高硬度的亚克力板构成。
优选的，所述基座F的四个底边打磨成切削刃。
优选的，所述基座F由PVC硬塑料板制成。
具体实施例1
(1)GFS-3000主机(附图1)：内置有高精度的4通道绝对开路式非扩散红外气体分析器，CO2测量范围0-5000ppm，分辨率0.01ppm，测量误差±0.5ppm@0-5000ppm全量程；滤器和流量仪外置于主机前部，在野外实验条件下能够方便更换和检查气路流量，确定气路是否漏气；主机上方的大屏幕触摸式显示屏，能够同步显示45个工作参数，有助于实时检查仪器工作状态，在图形窗口界面，能够将测量参数图形化，直观显示测量参数动态变化规律；32GB闪存卡，实时保存45个工作参数，免去人工记录环节，节省野外试验时间和人手。
在此实施例中，第一进气口1为主机进气口(AIR IN)，第一出气口13为主机出气端口(VENT)。
(2)组合式同化箱系统(附图2)：主箱高度为520mm，长和宽为480mm，厚度为5mm，由透光率高达93％和高硬度的亚克力板构成，箱子顶部设计有直径为8mm的进气口和出气口，一个带有阻头的气压调解直通，直径为15mm，主箱放置在基座上10秒内保持气压调节直通处于打开状态，使得箱内外气压相同，正式测量开始后则闭合该直通；延展箱高度为300mm，长和宽度为450mm，厚度为5mm，由透光率高达93％和高硬度的亚克力板构成；基座高度为100mm，长和宽为420mm，厚度为5mm，由白色PVC硬塑料板构成，4个底边打磨成切削刃，目的是便于将基座插入土壤；同化箱内部边缘位置安装有垂直排列的三个轴流风扇，可任意调节风扇出风口朝向，每个风扇大小为长40mm×宽40mm×厚30mm，转速为15000转/min，目的是几秒内(5-7秒)迅速混匀同化箱内气体并被GSF-3000主机检测(表1所示)；控温冰盒大小为长250mm×宽100mm×厚20mm，可固定在“L”型支架上，目的是在炎热夏天测量冠层光合速率时将箱内外温度差控制在1℃以内；光量子传感器和数显温度计用来测量箱内入射光合有效辐射和气温。
表1垂直排列风扇混匀主箱气体的检测结果
(3)测量模式下的气体通路设计：GFS-3000便携式光合仪采用开路式气体传输理念，气体由进气口(AIR IN)进入主机，经过第一道滤器(FILTERS AIR IN)除去灰尘和杂质，依次流经CO2吸收管(CO2ABSORBER)和湿度控制管(DRIER和HUMIDIFIER)，经过第二道滤器(FILTERS PUMP)去除微小颗粒物质，接下来气流分成两部分，一部分流经参照室，另一部分由端口(CUVETTE TO)流向测量头，经过端口(CUVETTE FROM)流回到主机，在进入样本室前气流被第三道滤器(FILTERS CUVETTE)过滤，参照室和样本室的红外气体分析器检测气流CO2和H2O气体浓度，之后分别经端口(ANALYZER REF)和端口(ANALYZER SAMPLE)流出主机，测量模式下一小部分气体经端口(VENT)流出主机。
GFS-3000主机与同化箱系统联用气路，详见附图3，图3中粗、虚线表示需要建立的气路，来形成闭合回路系统。通过2m长软管(内径4mm，外径8mm)连接主箱顶部出气口和主机进气口(AIR IN)，使用两端带有cpc快速接头的导管连接CO2吸收管(CO2 ABSORBER)下端口和第二道滤器(FILTERS PUMP)上端口，然后使用两端带有cpc快速接头的导管连接端口(CUVETTE TO)和第三道滤器(FILTER SCUVETTE)上端口，最后使用四通接头将主机出气端口ANALYZE REF、ANALYZE SAMPLE和VENT与同化箱进气口连接，形成气路闭合循环系统。
(4)使用方法：以主要物候期植被冠层光合速率日变化为例，生长季初期每一处理试验田选择代表性的4个1m×1m的样方，每一样方内选择代表性的42cm×42cm的小样方，将4个白色基座分别插入小样方土壤7cm，顶部伸出地面3cm，白色基座永久放置于试验田直至生长季末期。实验当天从早上8点到下午8点每2个小时测量一次小样方群体光合速率。实验开始前，将地温计和光量子计插入基座中央，使光量子计略高于植被冠层顶部，地温计探头插入5cm深度，将一个冰盒固定在白色基座的北侧位置，冰盒放置不会产生遮荫效果，然后将GFS-3000主机与同化箱连接，设定主机内气体泵流量为0.9L/min，接着启动同化箱内轴流风扇，轻轻晃动同化箱，使得箱内气体充分混匀，启动主机自动测量程序开始记录每10秒钟CO2浓度数值，然后将同化箱放置于白色基座上，使用弹力绳固定后等待10秒钟，闭合气压调节直通，记录此时的箱内气温和入射光合有效辐射，120秒后再一次记录箱内气温和入射光合有效辐射，移开同化箱，关闭主机自动测量程序并保存数据。同样的操作步骤，开始下一个重复测量。若在炎热夏天外界气温30℃以上天气下使用该系统，建议放置2个冰盒，来保持箱内外温度差在1℃以内。每一处理组4个小样方(重复)冠层光合速率可以在20min完成。
(5)植被冠层瞬时光合速率(P)和日光合生产力(NPP)计算方法：依据红外气体分析器等时间间隔连续测定记录箱内CO2浓度，以CO2浓度为纵坐标，时间为横坐标，取全部的CO2浓度数据进行线性拟合，当R2>0.99时即接受拟合结果，取斜率为dc/dt，若R2≤0.99，则去掉第一个CO2浓度数据，增加后面紧邻的一个CO2浓度数据，再次进行线性拟合，以此类推直至R2>0.99，并取此时的斜率为dc/dt。冠层光合速率以CO2通量Fco2来表示，单位mg CO2 m-2h-1，计算公式如下，
其中，kco2是温度为0℃时的气体常数，取值为0.536μg CO2μL-1，T是主箱内测量时段的平均气温(℃)，V是同化箱体积(L)，A是白色基座表面积(m2)，dc/dt是CO2浓度—时间回归方程的斜率(ml CO2 L-1h-1)，将Fco2进行单位换算即可得出冠层瞬时光合速率P(umolCO2 m-2s-1)。
基于冠层瞬时光合速率P和对应的入射光合有效辐射PAR(umol photon m-2s-1)数据，依据直角双曲线光合模型模拟日变化来计算光量子利用效率(α)和最大冠层光合速率(Pmax，umol CO2 m-2s-1)和呼吸速率(γ，umol CO2 m-2s-1),
根据自动气象站获取的半小时气象数据(PAR)，进一步计算对应时间点的瞬时光合速率，汇总后即为日光合生产力NPP(umol CO2 m-2d-1)。
显然，所描述的实施例仅是本实用新型的个别实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施，都属于本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种低矮植被冠层光合速率测定装置，包括GFS-3000主机(100)和同化箱(200)，所述GFS-3000主机(100)包括内置的高精度四通道绝对开路式非扩散红外气体分析器、外置的滤器和流量仪、主机上方的大屏幕触摸式显示屏和闪存卡，所述GFS-3000主机上设有第一进气口(1)和第一出气口(13)，其特征在于：
所述同化箱(200)包括主箱(G)，所述主箱(G)顶部设有第二进气口(J)和第二出气口(K)；所述第二进气口(J)与所述第一出气口(13)通过输气管路连通，所述第二出气口(K)与所述第一进气口(1)通过输气管路连通；
所述主箱(G)上还设有气压调节端口(H)；所述主箱(G)内部固设有多个轴流风扇(B)；
所述主箱(G)底部设有延展箱(C)，所述延展箱(C)内放置有降温冰盒(D)；所述延展箱(C)底部活动连接有基座(F)；
所述同化箱(200)内部设置有光量子计(I)和温度计(A)；
所述GFS-3000主机(100)和同化箱(200)的气路设计为：通过输气管路连接第二出气口和第一进气口，使用两端带有cpc快速接头的导管连接CO2吸收管CO2 ABSORBER的下端口和第二道滤器FILTERS PUMP的上端口，然后使用两端带有cpc快速接头的导管连接端口(CUVETTE TO)和第三道滤器FILTERS CUVETTE的上端口，最后使用四通接头将主机出气端口ANALYZE REF、ANALYZE SAMPLE和VENT与第二进气口连接，形成气路闭合循环系统。
2.根据权利要求1所述的一种低矮植被冠层光合速率测定装置，其特征在于：所述气压调节端口(H)固设在所述主箱(G)的顶部侧壁上；所述气压调节端口(H)为带有阻头的气压调解直通。
3.根据权利要求1所述的一种低矮植被冠层光合速率测定装置，其特征在于：所述主箱(G)的内侧壁上紧固有可旋转轴，所述轴流风扇(B)依次竖直固接在所述可旋转轴壁上。
4.根据权利要求3所述的一种低矮植被冠层光合速率测定装置，其特征在于：所述主箱(G)内侧可旋转轴壁上装有垂直排列的三个轴流风扇(B)。
5.根据权利要求1所述的一种低矮植被冠层光合速率测定装置，其特征在于：所述输气管路为1-3m长软管，所述软管的内径4mm、外径8mm。
6.根据权利要求1所述的一种低矮植被冠层光合速率测定装置，其特征在于：所述主箱(G)由透光率90-95％的高硬度的亚克力板构成。
7.根据权利要求1所述的一种低矮植被冠层光合速率测定装置，其特征在于：所述基座(F)的四个底边打磨成切削刃。
8.根据权利要求7所述的一种低矮植被冠层光合速率测定装置，其特征在于：所述基座(F)由PVC硬塑料板制成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201922361685.3U CN211426249U (zh) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | 一种低矮植被冠层光合速率测定装置 |
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| CN201922361685.3U CN211426249U (zh) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | 一种低矮植被冠层光合速率测定装置 |
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| CN (1) | CN211426249U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111122438A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-05-08 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 | 一种低矮植被冠层光合速率测定装置 |
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2019
- 2019-12-25 CN CN201922361685.3U patent/CN211426249U/zh active Active
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| CN111122438A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-05-08 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 | 一种低矮植被冠层光合速率测定装置 |
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