專利名稱：一種測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及植物-大氣間氣體交換測定技術(shù)，具體為一種湖l淀整株樹木氣體交 換的開路箱式系統(tǒng)，它是可以整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自工業(yè)革命以來，由于人類活動的加強，資源消耗型社會發(fā)展模式開始惡性 膨脹，導(dǎo)致了地球氣候系統(tǒng)和地球生態(tài)系統(tǒng)過程的急劇變化。其中包括由于化石 燃料的燃燒使大氣中C02等溫室氣體的濃度不斷上升，致使碳循環(huán)與碳交換受到 干擾，自然界的碳平衡被打亂。還有土地覆蓋變化和水資源的不合理利用對陸地 生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)的強烈影響。以上問題的相互作用加劇了系列的全球環(huán)境問題， 對人類自身的生存和社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的威脅。而森林與大氣間的 氣體交換是全球碳水循環(huán)主要的生化過程，這也使得該方面的研究在全球變化研 究中發(fā)揮著重要的作用。
目前，對于森林與大氣間的氣體交換觀測研究主要集中在利用便攜式光合 儀對組織水平(單葉、針簇、根系或樹干等)的氣體交換觀測、利用微氣象法對生 態(tài)系統(tǒng)水平的氣體交換觀測和其他諸如穩(wěn)定性同位素技術(shù)、航空技術(shù)等間接方法 的應(yīng)用。尚未有使用可靠、操作簡便、商品化的成熟觀測系統(tǒng)直接應(yīng)用于單株水 平(即整株樹木)氣體交換觀測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種經(jīng)濟實用、適用范圍廣、改造方便和操作簡單的測 定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)中沒有使用可靠、操作簡便、 商品化的成熟觀測系統(tǒng)直接應(yīng)用于單株水平(即整株樹木)氣體交換觀測等問題， 填補整株樹木氣體交換觀測系統(tǒng)的空白。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括升降設(shè)備、空氣緩 沖箱、箱體、底座、管道系統(tǒng)和氣體分析儀，用于密閉受測樹木的箱體與升降設(shè)備連接，箱體設(shè)置于底座上，空氣緩沖箱與箱體連通，氣體分析儀的傳感器通過 管道系統(tǒng)與箱體連通。
所述的觀啶整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，升降設(shè)備為吊架式，在受測 樹木上方，搭建一橫梁，橫梁中部安裝滑輪，橫梁高度為箱體高度的2-3倍，在 地面上安置控制箱體升降的繩索絞動裝置，繩索一端連接箱體，繩索另一端經(jīng)過 橫梁中部的滑輪連接絞動裝置。
所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，箱體采用鋼材焯制框架，框 架表面用透明的聚乙烯薄膜覆裹成箱，覆裹時用雙面密封膠將薄膜粘合在框架上。
所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，在箱體內(nèi)部安裝氣體混合風(fēng)扇。
所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，底座包括底板和卡槽，卡槽 安裝于底板上，用密封膠進行密封，箱體密封安置于卡槽上。
所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，在底板中心鉆取允許受測樹
木樹干通過的圓孔，沿著該圓孔的孑L徑向外沿切害仿便樹干進入的底板條形通道。 所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，在連通空氣緩沖箱和箱體之
間的管路中安裝軸流風(fēng)機。
所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，空氣緩沖箱通M氣管路與
箱體一側(cè)連通，進氣管路中安裝軸流風(fēng)機，箱體另一側(cè)安裝出氣管路；氣體分析 儀采用便攜式光合儀，便攜式光合儀的控制和操作臺部分與便攜式光合儀的傳感 器通過電纜相連，便攜式光合儀的傳感器通皿氣管與進氣管路相連，便攜式光 合儀的傳感器通過出氣管與出氣管路相連，進氣管、出氣管上分別安裝有氣泵。
所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，便攜式光合儀的分析測定部 分為紅外氣體分析儀，進氣口和出氣口分別通過外置氣泵連至紅外氣體分析儀。
所述的另行添置的氣泵，外置氣泵采用微型氣泵，其流量最大為1L/min。本 發(fā)明的有益效果是
1、本發(fā)明中，升降設(shè)備為吊架式，吊架上還可以安裝固定箱體的附屬設(shè)施； 空氣緩沖箱用于避免高波動濃度的外界空氣直接進入箱體；箱體用于罩扣受測樹 木，內(nèi)部安裝了氣體混合風(fēng)扇；底座由底板和卡槽兩部分組成，卡槽用于密封箱 體；管道系統(tǒng)用于連通空氣緩沖箱和箱體并排出氣體，在空氣緩沖箱和箱體之間 裝有軸流風(fēng)機。2、 本發(fā)明通過風(fēng)機、附加的氣泵和管路對箱體內(nèi)部連續(xù)供送自然空氣，同時 另一端進行排氣，從而構(gòu)成了一個開路系統(tǒng)。
3、 本發(fā)明通過便攜式光合儀傳感器上的氣體分析儀對箱體內(nèi)部C02和H20
氣體濃度的監(jiān)測，可以實現(xiàn)整株樹木C02和H20氣體濃度的同時觀測，可以直接
反映出密閉在箱體內(nèi)部的整株樹木氣體交換特性，且能自動采集和存儲數(shù)據(jù)，能 夠自動監(jiān)測箱體空氣溫度、空氣相對濕度、光合有效輻射和大氣壓等環(huán)境因子， 有利于樹木氣體交換的研究和應(yīng)用。
4、 本發(fā)明氣體分析儀采用美國LICOR公司的Li-6400便攜式光合儀，測定
時需要對該儀器的氣路進行改造，便攜式光合儀原參比室的氣管(即進氣管)不 再通過光合儀主機的氣泵，而直接經(jīng)過另行添置的氣泵連通到紅外氣體分析儀 (IRGA)上，作為箱體進氣口氣體濃度的管道；原進入樣本室的氣體也不再由進 氣管進行分流得到，而是直接通過另行添置的氣泵由出氣口抽取得到，進行箱體 出氣口的氣體濃度測定。改造的氣體分析儀可同時箱體進氣口和出氣口的氣體濃 度，根據(jù)進出氣口的氣體濃度差即可計算出整株樹木氣體交換速率。
5、 本發(fā)明在底板中心鉆取一個圓形孔洞，以允許受測樹木樹干通過，并沿著 該孔徑向外沿切割一個條形通道以方便樹干進入。
6、 另外，如果把本發(fā)明系統(tǒng)的底板去除，直接將卡槽埋于地面并對其周圍密 封，該系統(tǒng)還可以直接測定土壤和整株樹木共同的氣體交換。因此，運用本發(fā)明 系統(tǒng)可以直接進行整株植物與大氣間和土壤-植物系統(tǒng)與大氣間的氣體交換觀測 研究。


圖1本發(fā)明的一個實例安裝圖。 圖2本發(fā)明的卡槽設(shè)計示意圖。
圖3-圖4本發(fā)明的便攜式光合儀改造前后示意圖。其中，圖3為改造前；圖 4為改造后。
其中，A便攜式光合儀的控制和操作臺部分；B便攜式光合儀的傳感器(分
析測定部分IRGA); C箱體；D空氣緩沖箱；E受測樹木；〔》表示氣流方向； 1進氣管；2出氣管；3風(fēng)機；4氣泵；5氣體混合風(fēng)扇；6繩索；7橫梁； 8滑輪；9絞動裝置；IO底板；11卡槽；12卡槽外圍；13箱體底框；14卡槽內(nèi) 圍；15圓孔；16底板條形通道；17 Li-6400氣泵；18外置氣泵；19進氣管路；20出氣管路；21樹干。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)主要有六部分 升降設(shè)備、空氣緩沖箱、箱體、底座、管道系統(tǒng)和氣體分析儀，用于密閉受測樹 木的箱體與升降設(shè)備連接，箱體設(shè)置于底座上，空氣緩沖箱與箱體連通，氣體分 析儀的傳感器通過管道系統(tǒng)與箱體連通。具體結(jié)構(gòu)如下
升降設(shè)備為吊架式。首先，在受測樹木E正上方，沿東西走向搭建一橫梁 7，橫梁7中部安裝滑輪8。橫梁7高度為箱體C高度的2-3倍，長度以箱體C能 寬松升降為宜。然后，在地面上安置一套繩索6的絞動裝置9，以控制箱體C的 升降。繩索6—端連接箱體C，經(jīng)過橫梁7中部的滑輪8，再連接絞動裝置9。當(dāng) 需要箱體C罩扣時，就把箱體C放下；當(dāng)測定完成后，即可通過絞動裝置9把箱 體C升起。為了防止在大風(fēng)情況下，上升到高處的箱體C搖擺，吊架上還可以安 裝固定箱體C的附屬設(shè)施。
空氣緩沖箱D:空氣緩沖箱D—方面可以依靠其容積使空氣自然混合，使進 入箱體C的氣體濃度變化相對均勻，避免高波動濃度的外界空氣直接進入箱體C， 而影響受測植物生理活動的穩(wěn)定性；另一方面可以阻止外界較強的陣風(fēng)直接作用 于風(fēng)機，避免由此引起的風(fēng)機轉(zhuǎn)速的變化，保持空氣流速的穩(wěn)定性。 一般緩沖箱 的大小以能保證連續(xù)對箱體供氣為準(zhǔn)。
箱體C:為了保證箱體C的硬度和強度，并且最大程度減少框架結(jié)構(gòu)對箱內(nèi) 光線的遮擋，采用橫截面為1.5X1.5cm鋼材焊制框架。箱體C大小以受觀,木E 樹冠大小設(shè)計制作?？蚣鼙砻嬗猛该鞯木垡蚁┍∧じ补上洌补鼤r用雙面密封 胸各薄膜粘合在框架上。由于許多氣體的比重大于空氣，為了防止氣體沉降導(dǎo)致 箱內(nèi)局部氣體濃度差異，并降低該現(xiàn)象弓l起的觀啶誤差，在箱體C內(nèi)部對角線位 置安裝了四個12V的氣體混合風(fēng)扇5。另外，在箱體C東西兩側(cè)(選擇這兩端主 要是為了減小遮光)分別連接了兩個大口徑軟管(進氣管路19、出氣管路20)， 構(gòu)成管道系統(tǒng)的一部分。軟管為活動式，在箱體C升降過禾呈中可以卸載。
底座箱體C的底座由底板10和卡槽11兩部分組成(見圖2)，卡槽ll為 位于外側(cè)的卡槽外圍12與位于內(nèi)側(cè)的卡槽內(nèi)圍14圍成，底板10和卡槽11用螺 栓安裝一起后，再用密封膠進行密封。底板10大小和形狀以箱體C橫截面設(shè)定， 一般比箱體C底部長寬外延15-20cm。在底板10中心鉆取一個圓形孔洞(圓孔15)，以允許受測樹木E的樹干21通過。圓孔15孔徑依據(jù)樹干直徑大小調(diào)整。 沿著該孔徑向外沿切割一個底板條形通道16以方便樹干21進入(見圖2)，底座 高度設(shè)計為比樹木第一活枝低3cm左右?？ú踠l的設(shè)計目的是在測定時方便f諸 油以密閉箱體C，桐質(zhì)為鋁塑或塑鋼，該材質(zhì)防水且對C02影響不大。卡槽11 尺寸嚴(yán)格依照箱體C橫截面大小，卡槽ll的深度和寬度以能寬松放入箱體底框 13為宜，本實例的卡槽深度和寬度都為3cm。
管道系統(tǒng)包括進氣管路19、出氣管路20、進氣管l、出氣管2等，用于連 通空氣緩沖箱D和箱體C并排出氣體，在空氣緩沖箱D和箱體C之間裝有220V 的軸流風(fēng)機，管道直徑以風(fēng)機直徑調(diào)整。
氣體分析儀氣體分析儀采用美國LICOR公司的Li-6400便攜式光合儀，便 攜式光合儀的控制和操作臺部分A設(shè)置于箱體C外，便攜式光合儀的傳感器(分 析測定部分IRGA， Infrared Gas Analyzers紅外線氣體分析儀)B亦設(shè)置于箱體C 外，以領(lǐng)啶箱體C內(nèi)的氣體濃度變化瞎況，同時還能觀啶箱體C內(nèi)的光、溫度等 環(huán)境因子的變化?？諝饩彌_箱D通過進氣管路19與箱體C一側(cè)連通，進氣管路 19中安裝軸流風(fēng)機3，箱體C另一側(cè)安裝出氣管路20，便攜式光合儀的控制和操 作臺部分A與便攜式光合儀的傳感器B通過電纜相連，便攜式光合儀的傳感器B 通，氣管1與進氣管路19相連，便攜式光合儀的傳感器B通過出氣管2與出 氣管路20相連，進氣管l、出氣管2上分別安裝有氣泵4。
本發(fā)明對其進行了簡單的改造(圖3-圖4),主要是對氣路進行了改造原參 比室的氣管(即進氣管)不再通過原分析儀的Li-6400氣泵17，而直接經(jīng)過另行 添置的外置氣泵18 (微型氣泵，12V，最大流量1L/min)連接到紅外氣體分析儀 (1RGA)上，作為測定箱體C進氣口氣體濃度的管道；原進入樣本室的氣體不 再由進氣管進行分流得到，而是直接通過另行添置的外置氣泵18由出氣口抽取得 到，進行箱體C出氣口的氣體濃度測定。另外，氣體分析儀被安置在箱體C外面， 使測定較為方便。簡化描述為禾傭附加的氣泵和管路，在箱體C進氣口和出氣 口處連續(xù)采集氣體，引入分析儀進行同時測定。
本發(fā)明系統(tǒng)操作比較簡便，歸納起來每一個觀測周期主要有五個操作過程 (1)箱體C降落； (2 )箱體C和空氣緩沖箱D連接；
(3)風(fēng)機3啟動，儀器A、 B開始觀測、記錄；(4) 測定時間結(jié)束，儀器A、 B關(guān)閉；
(5) 箱體C升起。
測定結(jié)束后，對受測樹木E的氣體交換速率進行計算，計算公式如下-
(1) C02交換速率計算公式
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中，"表示風(fēng)機3的氣流速率(nvs—')，該速率為附加風(fēng)機3的測定值，在
儀器安裝之前就需要對風(fēng)機3流速進行測試；、 G"""'分別表示進氣口和出氣 口的CCb氣體濃度(pmolCCVmor1)，改造后的Li-6400光合儀記錄的參比室和樣 本室C02濃度(C02R、 C02S)值即為它們的數(shù)值。
(2) H20交換速率計算公式如下
分別表示進氣口和出氣口的H20氣體濃度(,ol H20mo1—1)， 它們的數(shù)值可由改造后的Li-6400光合儀記錄的參比室和樣本室H2O濃度(H2OR、
H2OS)得到。
權(quán)利要求
1、一種測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括升降設(shè)備、空氣緩沖箱、箱體、底座、管道系統(tǒng)和氣體分析儀，用于密閉受測樹木的箱體與升降設(shè)備連接，箱體設(shè)置于底座上，空氣緩沖箱與箱體連通，氣體分析儀的傳感器通過管道系統(tǒng)與箱體連通。
2、 按照權(quán)利要求1所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，其特征在 于升降設(shè)備為吊架式，在受測樹木上方，搭建一橫梁，橫梁中部安裝滑輪，橫梁高度為箱體高度的2-3倍，在地面上安置控制箱體升降的繩索絞動裝置，繩索 一端連接箱體，繩索另一端經(jīng)過橫梁中部的滑輪連接絞動裝置。
3、按照權(quán)利要求1所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，其特征在 于箱體采用鋼材焊制框架，框架表面用透明的聚乙烯薄膜覆裹成箱，覆裹吋用 雙面密封膠將薄膜粘合在框架上。
4、 按照權(quán)利要求3所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，其特征在 于在箱體內(nèi)部安裝氣體混合風(fēng)扇。
5、 按照權(quán)利要求1所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，其特征在于底座包括底板和卡槽，卡槽安裝于底板上，用密封膠進行密封，箱體密封安置于卡槽上。
6、 按照權(quán)利要求5所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，其特征在于在底板中心鉆取允許受測樹木樹干通過的圓孔，沿著該圓孔的孔徑向外沿切割方便樹干進入的底板條形通道。
7、 按照權(quán)利要求1所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，其特征在于在連通空氣緩沖箱和箱體之間的管路中安裝軸流風(fēng)機。
8、 按照權(quán)利要求1所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，其特征在于空氣緩沖箱通過進氣管路與箱體一側(cè)連通，進氣管路中安裝軸流風(fēng)機，箱體 另一側(cè)安裝出氣管路；氣體分析儀采用便攜式光合儀，便攜式光合儀的控制和操作臺部分與便攜式光合儀的傳感器通過電纜相連，便攜式光合儀的傳感器通過進 氣管與進氣管路相連，便攜式光合儀的傳感器通過出氣管與出氣管路相連，進氣 管、出氣管上分別安裝有氣泵。
9、 按照權(quán)利要求8所述的領(lǐng)啶整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，其特征在于便攜式光合儀的分析測定部分為紅外氣體分析儀，進氣口和出氣口分別通過外置氣泵連至紅外氣體分析儀。
10. 如權(quán)利要求9所述的測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，其特征在于外置氣泵采用微型氣泵，其流量最大為1L/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及植物-大氣間氣體交換測定技術(shù)，具體為一種測定整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，它是可以整株樹木氣體交換的開路箱式系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)中沒有使用可靠、操作簡便、商品化的成熟觀測系統(tǒng)直接應(yīng)用于單株水平氣體交換觀測等問題。該系統(tǒng)包括升降設(shè)備、空氣緩沖箱、箱體、底座、管道系統(tǒng)和氣體分析儀，用于密閉受測樹木的箱體與升降設(shè)備連接，箱體設(shè)置于底座上，空氣緩沖箱與箱體連通，氣體分析儀的傳感器通過管道系統(tǒng)與箱體連通。采用本發(fā)明可以實現(xiàn)整株樹木CO₂和H₂O氣體濃度的同時觀測，且能自動采集和存儲數(shù)據(jù)，能夠自動監(jiān)測箱體空氣溫度、空氣相對濕度、光合有效輻射和大氣壓等環(huán)境因子，有利于樹木氣體交換的研究和應(yīng)用。
文檔編號A01G7/00GK101622945SQ20081001227
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者關(guān)德新, 袁鳳輝 申請人:中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所