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iChamber 生态系统碳氮水交换在线测量系统

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箱式法技术

生态系统碳氮水交换研究不仅可用于精确测定生态系统的碳氮水收支,而且有助于改善区域和全球的碳循环、氮循环、水平衡模型以及预测生态系统对全球变化的响应和适应,监测碳氮源、汇的变化,为评估生态系统的固碳能力及物质通量变化提供基础数据。


       生态系统碳交换测量方法有三种:涡度相关((eddy covariance))、测树学(biometry)和箱式法(chamber methods)。涡度相关法可连续、直接地测定生态系统尺度的净碳交换,但不能直接区分总初级生产(GPP)和生态系统呼吸(Re),且场地要求严格,在某些气象条件和时间段不可用。

箱式法作为一种简单、快捷的观测手段,通过遮光、排除植物或其地上部分等实验手段,能够对低矮植被的净生态系统碳交换(NEE)、生态系统呼吸、土壤呼吸(Rs)和微生物呼吸(Rm)进行直接观测。

大量的研究发现涡度相关法、测树学法和箱式法在测量生态系统碳收支时结果差异很大。例如东北林大王兴昌团队通过分析文献数据,发现EC法测定的NEP平均比测树学法高25%,而EC法测定的的Re比箱式法低10%。

增大箱式法的箱体尺寸,集涡度相关法和箱式法于一体,在同样的尺度上对比研究,成为探究三种测量技术结果差异的途径之一。

箱式法尺度

王迎红等通过长期野外观测土壤温室气体的实验得出,农田生态系统宜使用65 cm × 65 cm × 90 cm的中大型采样箱,草地生态系统宜采用40 cm × 40 cm × 25 cm的中型采样箱[1],生态系统的交换需要比观测土壤气体更大的箱体。

早期箱式法采用静态箱,因间歇式低频人工观测结果随机误差大、时间代表性差的问题,后来出现了自动开闭的自动箱。

自动箱有2种,一种测量时覆盖地表,测量完成后自动移动到侧面,对测点无遮挡,但这种自动箱面积小、高度低,一般只能用于测量裸地的土壤呼吸,测量覆地的草本生态系统时因面积小代表性差。另外一种是带框架的自动箱,不测量时无法完全打开,会影响测量点的气体扩散,影响测量精度。


自动箱底面积小、高度低 


带框架的自动箱 无法完全打开(图片来自网络)


iChamber 群落自动箱是澳作公司拥有自主知识产权、自主研发、国内生产的产品,集六项设计专利于一体,独一无二的无框架、无立柱设计,高度随植物生长可调、面积可达1平米、高度2米,可用于生态系统碳交换在线测量。


 S120型iChamber面积1M²(直径1.2M),高度2.0米,可测量灌木、苗木,用于森林、湿地、荒漠植被等生态系统交换测量。


S62型iChamber面积0.3M²(直径0.62M),高度0.8米,用于农田生态系统,带植被的湿地、荒漠生态系统,带藤曼、灌木的草地、城市生态系统。


S35型iChamber面积0.08M²(直径0.35M),高度0.5米,用于草地生态系统。

净交换通量在线测量模式

 箱式法测量交换量有稳态和非稳态2种测量模式[2],稳态法因气体调节复杂,只用于面积小、高度低的箱体,一般用于测量土壤呼吸;非稳态测量技术通过单位时间内透明箱内气体浓度变化计算净交换量。

因箱效应对测量精度的影响随着箱体高度增大可明显降低,所以在线测量净交换量要采用面积大的高箱体。

 iChamber生态系统碳氮水交换在线测量系统在传统的自动箱技术上,进行了如下改进:

箱体高度超过冠层

测量时,箱体自动升高,可达2米,可超过植被冠层,测量结束后,箱体高度自动下降。未测量时,测点和大田微气候条件一致,箱体不改变测点的环境因子,无需象静态箱法定期更换测量地点。

箱体高透光,直接测量净交换量

透明箱体采用高透光率材料,测量时不影响植被的光合过程。也可选用非透明箱体只测量呼吸过程。因iChamber生态系统碳氮水交换在线测量系统可全时、自动测量,透明箱体可在夜间自动测量呼吸过程,确保观测数据的连续性。

同步测量多种物质

改变了过去观测物质种类单一、缺乏多种物质组分集成观测的情况,一台分析仪同步测量CO2、 N2O、CH4、H2O、13C-CO218O-CO2 六参数,可识别不同物质排放过程之间的协同或消长关系。

高频连续测量,测量精度高

iChamber生态系统碳氮水交换在线测量系统,主机采用可调谐激光直接吸收光谱技术测量频率可达10Hz,分辨率达ppt级。

参数

N2O

CH4

CO2

H2O

精度 1s

0.03ppb

0.1ppb

100ppb

10ppm

精度 100s

0.01ppb

0.25ppb

25ppb

5ppm

测量范围

0-10000ppb

0-10000ppb

0-5000ppm

0-5000ppm

响应时间

1-10HZ可选

1-10HZ可选

1-10HZ可选

1-10HZ可选










参数

CO2

δ13C

δ18O

精度 1s

25ppb

0.1‰

0.1‰

精度 10s

-

0.03‰

0.035‰

精度 120s

10ppb

0.02‰

0.03‰

响应时间

1-10HZ可选

1-10HZ可选

1-10HZ可选










数据记录存储

对箱体内外的空气温湿度、土壤温度、水分、光合有效辐射同步测量、记录,用于交换通量校正计算和影响机制阐明。

参考文献

1 王迎红. 陆地生态系统温室气体排放观测方法研究、应用及结果比对分析[D]. 北京: 中国科学院大气物理研究所, 2005 [Wang YH. Chamber method measurement of greenhouse gas emissions from typical terrestrial ecosystems of China: method research, application and results discussion [D]. Beijing: Institute of atmospheric physics, Chinese Academy of Science, 2005]

 

2 温学发. 箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展. ChinaFLUX第十四次通量观测理论与技术培训


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