专利名称：一种测定整株树木气体交换的闭路箱式系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及植物-大气间气体交换测定技术，具体为一种测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，它是可以整株树木气体交换的闭路箱式系统。
背景技术：
自工业革命以来，由于人类活动的加强，资源消耗型社会发展模式开始恶性膨胀，导致了地球气候系统和地球生态系统过程的急剧变化。其中包括由于化石燃料的燃烧使大气中CO2等温室气体的浓度不断上升，致使碳循环与碳交换受到干扰，自然界的碳平衡被打乱。还有土地覆盖变化和水资源的不合理利用，对陆地生态系统水循环的强烈影响。以上问题的相互作用加剧了系列的全球环境问题，对人类自身的生存和社会经济的持续发展带来了巨大的威胁。而森林与大气间的气体交换是全球碳水循环主要的生化过程，这也使得该方面的研究在全球变化研究中发挥着重要的作用。
目前，对于森林与大气间的气体交换观测研究主要集中在利用便携式光合仪对组织水平(单叶、针簇、根系或树干等)的气体交换观测、利用微气象法对生态系统水平的气体交换观测和其他诸如稳定性同位素技术、航空技术等间接方法的应用。尚未有使用可靠、操作简便、商品化的成熟观测系统直接应用于单株水平(即整株树木)气体交换观测。
发明内容
本发明的目的是提供一种经济实用、适用范围广、改造方便和操作简单的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，解决现有技术中没有使用可靠、操作简便、商品化的成熟观测系统直接应用于单株水平(即整株树木)气体交换观测等问题，填补整株树木气体交换观测系统的空白。
本发明的技术方案如下 一种测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，该系统包括升降设备、箱体、底座和气体分析仪，用于密闭受测树木的箱体与升降设备连接，箱体设置于底座上，气体分析仪的传感器设置于箱体内。
所述的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，升降设备为吊架式，在受测树木上方，搭建一横梁，横梁中部安装滑轮，横梁高度为箱体高度的2-3倍，在地面上安置控制箱体升降的绳索绞动装置，绳索一端连接箱体，绳索另一端经过横梁中部的滑轮连接绞动装置。
所述的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，箱体采用钢材焊制框架，框架表面用透明的聚乙烯薄膜覆裹成箱，覆裹时用双面密封胶将薄膜粘合在框架上。
所述的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，在箱体内部安装气体混合风扇。
所述的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，底座包括底板和卡槽，卡槽安装于底板上，用密封胶进行密封，箱体密封安置于卡槽上。
所述的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，在底板中心钻取允许受测树木树干通过的圆孔，沿着该圆孔的孔径向外沿切割方便树干进入的底板条形通道。
所述的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，在底板易受遮荫的面，钻取用于进气管、红外分析仪电缆线、叶室电缆线、参比室导气管和样品室导气管通过的圆孔，作为电缆通道。
所述的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，气体分析仪采用便携式光合仪，便携式光合仪的控制和操作台部分设置于箱体外，便携式光合仪的传感器密封在箱体内，便携式光合仪的控制和操作台部分与便携式光合仪的传感器通过电缆相连。
本发明的有益效果是 1、本发明中，升降设备为吊架式，吊架上还安装了固定箱体的附属设施；箱体用于密闭受测树木，内部安装了气体混合风扇；底座由底板和卡槽两部分组成，卡槽用于密封箱体；采用本发明，通过便携式光合仪传感器上的气体分析仪对箱体内部CO2和H2O气体浓度的监测，可以实现整株树木CO2和H2O气体浓度的同时观测，可以直接反映出密闭在箱体内部的整株树木气体交换特性。另外，如果把该系统的底板去除，直接将卡槽埋于地面并对其周围密封，该系统还可以直接测定土壤和整株树木共同的气体交换。因此，运用本发明闭路箱式系统可以直接进行整株植物与大气间和土壤-植物系统与大气间的气体交换观测研究。
2、采用本发明，能自动采集和存储数据，能够自动监测箱体空气温度、空气相对湿度、光合有效辐射和大气压等环境因子，有利于树木气体交换的研究和应用。
图1本发明的一个实例安装图； 图2本发明的卡槽设计示意图； 其中，A便携式光合仪的控制和操作台部分；B便携式光合仪的传感器(分析测定部分IRGA)；C受测树木； 1进气管；2电缆(包括进气管、分析仪和叶室电缆线、参比室和样品室导气管、风扇电线等)；3气体混合风扇；4蓄电池或外接电源；5底板条形通道；6箱体把手；7树干；8圆孔(树木树干通过处)；9底座卡槽处；10绳索；11横梁；12滑轮；13绞动装置；14底板；15箱体；16卡槽；17卡槽外围；18箱体底框；19卡槽内围；20电缆通道。
具体实施例方式 如图1-图2所示，本发明测定整株树木气体交换的闭路箱式系统主要有四部分升降设备、箱体、底座和气体分析仪，用于密闭受测树木的箱体与升降设备连接，箱体设置于底座上，气体分析仪的传感器设置于箱体内。具体结构如下升降设备为吊架式。首先，在受测树木C正上方，沿东西走向搭建一横梁11，横梁11中部安装滑轮12。横梁11高度为箱体15高度的2-3倍，长度以箱体15能宽松升降为宜。然后，在地面上安置一套绳索10的绞动装置13，以控制箱体15的升降。绳索10一端连接箱体15，经过横梁中部的滑轮12，再连接绞动装置13。当需要箱体密闭时，就把箱体15放下；当测定完成后，即可通过绞动装置13把箱体升起。为了防止在大风情况下，上升到高处的箱体15摇摆，吊架上还可以安装固定箱体15的附属设施。
箱体为了保证箱体15的硬度和强度，并且最大程度减少框架结构对箱内光线的遮挡，采用横截面为1.5×1.5cm钢材焊制框架。箱体15大小以受测树木C的树冠大小设计制作。框架表面用透明的聚乙烯薄膜覆裹成箱，覆裹时用双面密封胶将薄膜粘合在框架上。由于许多气体的比重大于空气，为了防止气体沉降导致箱内局部气体浓度差异，并降低该现象引起的测定误差，在箱体内部对角线位置安装了四个12V的气体混合风扇3，气体混合风扇3通过电缆与蓄电池或外接电源箱体4连接，箱体15连有进气管1，箱体15上安装有箱体把手6。
底座箱体底座由底板14和卡槽16两部分组成(见图1-图2)，底座卡槽处9安装卡槽16，卡槽16为位于外侧的卡槽外围17与位于内侧的卡槽内围19围成，底板14和卡槽16用螺栓安装一起后，再用密封胶进行密封。底板14大小和形状以箱体15横截面设定，一般比箱体15底部长宽外延15-20cm。在底板14中心钻取一个圆形孔洞(圆孔8)，以允许受测树木C的树干7通过。圆孔8孔径依据树干7直径大小调整。沿着该孔径向外沿切割一个底板条形通道5以方便树干7进入(见图2)，在底板14易受遮荫的北面，钻取五个圆孔(直径约8mm)作为电缆通道20，用于进气管、红外分析仪电缆线、叶室电缆线、参比室导气管和样品室导气管通过。底座高度设计为比树木第一活枝低3cm左右。卡槽16的设计目的是在测定时方便储油以密闭箱体15，材质为铝塑或塑钢，该材质防水且对CO2影响不大。卡槽16尺寸严格依照箱体15横截面大小，卡槽16的深度和宽度以能宽松放入箱体底框18的框架为宜，本实例的卡槽深度和宽度都为3cm。
气体分析仪气体分析仪采用美国LICOR公司的Li-6400便携式光合仪，便携式光合仪的控制和操作台部分A设置于箱体15外，将便携式光合仪的传感器(分析测定部分IRGA，Infrared Gas Analyzers红外线气体分析仪)B密封在箱体15内，以测定箱体15内的气体浓度变化情况，同时还能测定箱体15内的光、温度等环境因子的变化。便携式光合仪的控制和操作台部分A与便携式光合仪的传感器B通过电缆2相连。
该系统将便携式光合仪的传感器B和进气口安置在箱体15内部，在气体分析仪内部气泵的驱动下，气体不断在测定系统中循环流动，从而构成了一个动态闭合回路。
系统安装与调试完之后，开始对受测树木C的气体交换进行观测。本发明闭路箱式系统操作比较简便，归纳起来每一个观测周期主要有四个操作过程 (1)箱体15降落； (2)气体分析仪器启动观测，并自动采集数据； (3)测定时间结束，气体分析仪器关闭； (4)箱体15升起。
测定结束后，对受测树木C的气体交换速率进行计算，计算公式如下 式中，F表示为受测树木C单位时间单位叶面积的气体交换速率(μmol·m-2·s-1)，ρ为箱内温度下的空气密度(mol·m-3)，
表示观测时间Δt(s)内箱内所测气体浓度的变化速率(μmol·mol-1·s-1)，这个变化率由Li-6400便携式光合仪测定的数据拟合得到。Vchamber为箱体的有效体积(m3)，即箱体体积除去树冠、气管、电缆、风扇和分析仪等所占的体积。Acanopy为整个树木冠层的叶面积(m2)。其中， 式中P为箱内大气压(KPa)，该值可以由Li-6400便携式光合仪上的附加传感器测定得到。R为理想气体常数(8.314×10-3m3·KPa·mol-1·K-1)。Tchamber为箱内气体温度(K)，该温度可也可以由Li-6400便携式光合仪上的附加传感器测定得到。
权利要求
1、一种测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，其特征在于该系统包括升降设备、箱体、底座和气体分析仪，用于密闭受测树木的箱体与升降设备连接，箱体设置于底座上，气体分析仪的传感器设置于箱体内。
2、按照权利要求1所述的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，其特征在于升降设备为吊架式，在受测树木上方，搭建一横梁，横梁中部安装滑轮，横梁高度为箱体高度的2-3倍，在地面上安置控制箱体升降的绳索绞动装置，绳索一端连接箱体，绳索另一端经过横梁中部的滑轮连接绞动装置。
3、按照权利要求1所述的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，其特征在于箱体采用钢材焊制框架，框架表面用透明的聚乙烯薄膜覆裹成箱，覆裹时用双面密封胶将薄膜粘合在框架上。
4、按照权利要求3所述的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，其特征在于在箱体内部安装气体混合风扇。
5、按照权利要求1所述的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，其特征在于底座包括底板和卡槽，卡槽安装于底板上，用密封胶进行密封，箱体密封安置于卡槽上。
6、按照权利要求5所述的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，其特征在于在底板中心钻取允许受测树木树干通过的圆孔，沿着该圆孔的孔径向外沿切割方便树干进入的底板条形通道。
7、按照权利要求5所述的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，其特征在于在底板易受遮荫的面，钻取用于进气管、红外分析仪电缆线、叶室电缆线、参比室导气管和样品室导气管通过的圆孔，作为电缆通道。
8、按照权利要求1所述的测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，其特征在于气体分析仪采用便携式光合仪，便携式光合仪的控制和操作台部分设置于箱体外，便携式光合仪的传感器密封在箱体内，便携式光合仪的控制和操作台部分与便携式光合仪的传感器通过电缆相连。
全文摘要
本发明涉及植物-大气间气体交换测定技术，具体为一种测定整株树木气体交换的闭路箱式系统，解决现有技术中没有使用可靠、操作简便、商品化的成熟观测系统直接应用于单株水平(即整株树木)气体交换观测等问题。该系统包括升降设备、箱体、底座和气体分析仪，用于密闭受测树木的箱体与升降设备连接，箱体设置于底座上，气体分析仪的传感器设置于箱体内。气体分析仪采用美国LICOR公司的Li-6400便携式光合仪，测定时需要把传感器(含IRGA)被密封在箱体内。采用本发明可以实现整株树木CO2和H2O气体浓度的同时观测，且能自动采集和存储数据，能够自动监测箱体空气温度、空气相对湿度、光合有效辐射和大气压等环境因子，有利于树木气体交换的研究和应用。
文档编号A01G7/00GK101622944SQ20081001227
公开日2010年1月13日 申请日期2008年7月11日 优先权日2008年7月11日
发明者袁凤辉, 关德新 申请人:中国科学院沈阳应用生态研究所