一、箱式法技術(shù)
生態(tài)系統(tǒng)碳氮水交換研究不僅可用于精確測(cè)定生態(tài)系統(tǒng)的碳氮水收支,而且有助于改善區(qū)域和的碳循環(huán)、氮循環(huán)、水平衡模型以及預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)變化的響應(yīng)和適應(yīng),監(jiān)測(cè)碳氮源、匯的變化,為評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力及物質(zhì)通量變化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
生態(tài)系統(tǒng)碳交換測(cè)量方法有三種:渦度相關(guān)((eddy covariance))、測(cè)樹(shù)學(xué)(biometry)和箱式法(chamber methods)。渦度相關(guān)法可連續(xù)、直接地測(cè)定生態(tài)系統(tǒng)尺度的凈碳交換,但不能直接區(qū)分總初級(jí)生產(chǎn)(GPP)和生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re),且場(chǎng)地要求嚴(yán)格,在某些氣象條件和時(shí)間段不可用。
箱式法作為一種簡(jiǎn)單、快捷的觀測(cè)手段,通過(guò)遮光、排除植物或其地上部分等實(shí)驗(yàn)手段,能夠?qū)Φ桶脖坏膬羯鷳B(tài)系統(tǒng)碳交換(NEE)、生態(tài)系統(tǒng)呼吸、土壤呼吸(Rs)和微生物呼吸(Rm)進(jìn)行直接觀測(cè)。
大量的研究發(fā)現(xiàn)渦度相關(guān)法、測(cè)樹(shù)學(xué)法和箱式法在測(cè)量生態(tài)系統(tǒng)碳收支時(shí)結(jié)果差異很大。例如東北林大王興昌團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析文獻(xiàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)EC法測(cè)定的NEP平均比測(cè)樹(shù)學(xué)法高25%,而EC法測(cè)定的的Re比箱式法低10%。
增大箱式法的箱體尺寸,集渦度相關(guān)法和箱式法于一體,在同樣的尺度上對(duì)比研究,成為探究三種測(cè)量技術(shù)結(jié)果差異的途徑之一。
二、箱式法尺度
王迎紅等通過(guò)長(zhǎng)期野外觀測(cè)土壤溫室氣體的實(shí)驗(yàn)得出,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)宜使用65 cm × 65 cm × 90 cm的中大型采樣箱,草地生態(tài)系統(tǒng)宜采用40 cm × 40 cm × 25 cm的中型采樣箱[1],生態(tài)系統(tǒng)的交換需要比觀測(cè)土壤氣體更大的箱體。
早期箱式法采用靜態(tài)箱,因間歇式低頻人工觀測(cè)結(jié)果隨機(jī)誤差大、時(shí)間代表性差的問(wèn)題,后來(lái)出現(xiàn)了自動(dòng)開(kāi)閉的自動(dòng)箱。
自動(dòng)箱有2種,一種測(cè)量時(shí)覆蓋地表,測(cè)量完成后自動(dòng)移動(dòng)到側(cè)面,對(duì)測(cè)點(diǎn)無(wú)遮擋,但這種自動(dòng)箱面積小、高度低,一般只能用于測(cè)量裸地的土壤呼吸,測(cè)量覆地的草本生態(tài)系統(tǒng)時(shí)因面積小代表性差。另外一種是帶框架的自動(dòng)箱,不測(cè)量時(shí)無(wú)法打開(kāi),會(huì)影響測(cè)量點(diǎn)的氣體擴(kuò)散,影響測(cè)量精度。
自動(dòng)箱底面積小、高度低
帶框架的自動(dòng)箱 無(wú)法打開(kāi)(來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
iChamber 群落自動(dòng)箱是澳作公司擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、自主研發(fā)、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品,集六項(xiàng)設(shè)計(jì)于一體,的無(wú)框架、無(wú)立柱設(shè)計(jì),高度隨植物生長(zhǎng)可調(diào)、面積可達(dá)1平米、高度2米,可用于生態(tài)系統(tǒng)碳交換在線測(cè)量。
S120型iChamber面積1M2(直徑1.2M),高度2.0米,可測(cè)量灌木、苗木,用于森林、濕地、荒漠植被等生態(tài)系統(tǒng)交換測(cè)量。
S62型iChamber面積0.3M2(直徑0.62M),高度1.1米,用于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),帶植被的濕地、荒漠生態(tài)系統(tǒng),帶藤曼、灌木的草地、城市生態(tài)系統(tǒng)。
S35型iChamber面積0.08M2(直徑0.35M),高度0.5米,用于草地生態(tài)系統(tǒng)。
三、iChamber自動(dòng)箱特點(diǎn)
箱式法測(cè)量交換量有穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)2種測(cè)量模式[2],穩(wěn)態(tài)法因氣體調(diào)節(jié)復(fù)雜,只用于面積小、高度低的箱體,一般用于測(cè)量土壤呼吸;非穩(wěn)態(tài)測(cè)量技術(shù)通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)透明箱內(nèi)氣體濃度變化計(jì)算凈交換量。
因箱效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度的影響隨著箱體高度增大可明顯降低,所以在線測(cè)量?jī)艚粨Q量要采用面積大的高箱體。
iChamber生態(tài)系統(tǒng)碳氮水交換在線測(cè)量系統(tǒng)在傳統(tǒng)的自動(dòng)箱技術(shù)上,進(jìn)行了如下改進(jìn):
1、 箱體高度超過(guò)冠層
測(cè)量時(shí),箱體自動(dòng)升高,可達(dá)2米,可超過(guò)植被冠層,測(cè)量結(jié)束后,箱體高度自動(dòng)下降。未測(cè)量時(shí),測(cè)點(diǎn)和大田微氣候條件一致,箱體不改變測(cè)點(diǎn)的環(huán)境因子,無(wú)需象靜態(tài)箱法定期更換測(cè)量地點(diǎn)。
2、 箱體高透光,直接測(cè)量?jī)艚粨Q量
透明箱體采用高透光率材料,測(cè)量時(shí)不影響植被的光合過(guò)程。也可選用非透明箱體只測(cè)量呼吸過(guò)程。因iChamber生態(tài)系統(tǒng)碳氮水交換在線測(cè)量系統(tǒng)可全時(shí)、自動(dòng)測(cè)量,透明箱體可在夜間自動(dòng)測(cè)量呼吸過(guò)程,確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。
四、多組分氣體分析儀特點(diǎn)
SoilGAS多組分氣體通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),氣體分析儀采用激光光譜技術(shù),通過(guò)激光波長(zhǎng)掃描氣體分子的吸收線,獲取分子的高分辨率吸收光譜,來(lái)測(cè)量氣體組分和濃度。 測(cè)量速度快,且精度高。
五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
SoilGAS 地上多組分氣體通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由氣體分析儀、iChamber自動(dòng)箱、多路控制器等組成,可在線、連續(xù)測(cè)量多個(gè)小區(qū)的土壤CO2、CH4、N2O、H2O排放通量。系統(tǒng)布設(shè)圖如下:
六、技術(shù)參數(shù)
1、自動(dòng)箱尺寸:
面積1M2(直徑1.2M)高度2.0米;
面積0.3M2(直徑0.62M)高度1.1米;
面積0.08M2(直徑0.35M)高度0.5米
2、升降高度:隨植物長(zhǎng)高自動(dòng)調(diào)節(jié)
3、呼吸罩類(lèi)型:透光/不透光可選
4、氣體測(cè)量原理:激光吸收光譜
5、氣體濃度范圍及精度
CO2:0-10000ppm,CH4:0-100ppm N2O:0-100ppm H2O:0-5%
檢測(cè)精度:CO2≤0.15ppm,CH4≤10ppb N2O≤10ppb H2O≤1ppm
產(chǎn)地: 中國(guó) 澳作公司