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iChamber 生態(tài)系統(tǒng)碳氮水交換在線測量系統(tǒng)

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箱式法技術

生態(tài)系統(tǒng)碳氮水交換研究不僅可用于精確測定生態(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)、水平衡模型以及預測生態(tài)系統(tǒng)對變化的響應和適應，監(jiān)測碳氮源、匯的變化，為評估生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力及物質通量變化提供基礎數(shù)據(jù)。

生態(tài)系統(tǒng)碳交換測量方法有三種：渦度相關（(eddy covariance)）、測樹學(biometry)和箱式法(chamber methods)。渦度相關法可連續(xù)、直接地測定生態(tài)系統(tǒng)尺度的凈碳交換，但不能直接區(qū)分總初級生產（GPP）和生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re），且場地要求嚴格，在某些氣象條件和時間段不可用。

箱式法作為一種簡單、快捷的觀測手段，通過遮光、排除植物或其地上部分等實驗手段，能夠對低矮植被的凈生態(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）進行直接觀測。

大量的研究發(fā)現(xiàn)渦度相關法、測樹學法和箱式法在測量生態(tài)系統(tǒng)碳收支時結果差異很大。例如東北林大王興昌團隊通過分析文獻數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)EC法測定的NEP平均比測樹學法高25%，而EC法測定的的Re比箱式法低10%。

增大箱式法的箱體尺寸，集渦度相關法和箱式法于一體，在同樣的尺度上對比研究，成為探究三種測量技術結果差異的途徑之一。

箱式法尺度

王迎紅等通過長期野外觀測土壤溫室氣體的實驗得出，農田生態(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結果隨機誤差大、時間代表性差的問題，后來出現(xiàn)了自動開閉的自動箱。

自動箱有2種，一種測量時覆蓋地表，測量完成后自動移動到側面，對測點無遮擋，但這種自動箱面積小、高度低，一般只能用于測量裸地的土壤呼吸，測量覆地的草本生態(tài)系統(tǒng)時因面積小代表性差。另外一種是帶框架的自動箱，不測量時無法*打開，會影響測量點的氣體擴散，影響測量精度。

自動箱底面積小、高度低

帶框架的自動箱無法*打開(圖片來自網(wǎng)絡）

iChamber 群落自動箱是澳作公司擁有自主知識產權、自主研發(fā)、國內生產的產品，集六項設計于一體，無二的無框架、無立柱設計，高度隨植物生長可調、面積可達1平米、高度2米，可用于生態(tài)系統(tǒng)碳交換在線測量。

S120型iChamber面積1M2（直徑1.2M），高度2.0米，可測量灌木、苗木，用于森林、濕地、荒漠植被等生態(tài)系統(tǒng)交換測量。

S62型iChamber面積0.3M2（直徑0.62M），高度0.8米，用于農田生態(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)。

凈交換通量在線測量模式

箱式法測量交換量有穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)2種測量模式[2]，穩(wěn)態(tài)法因氣體調節(jié)復雜，只用于面積小、高度低的箱體，一般用于測量土壤呼吸；非穩(wěn)態(tài)測量技術通過單位時間內透明箱內氣體濃度變化計算凈交換量。

因箱效應對測量精度的影響隨著箱體高度增大可明顯降低，所以在線測量凈交換量要采用面積大的高箱體。

iChamber生態(tài)系統(tǒng)碳氮水交換在線測量系統(tǒng)在傳統(tǒng)的自動箱技術上，進行了如下改進：

箱體高度超過冠層

測量時，箱體自動升高，可達2米，可超過植被冠層，測量結束后，箱體高度自動下降。未測量時，測點和大田微氣候條件一致，箱體不改變測點的環(huán)境因子，無需象靜態(tài)箱法定期更換測量地點。

箱體高透光，直接測量凈交換量

透明箱體采用高透光率材料，測量時不影響植被的光合過程。也可選用非透明箱體只測量呼吸過程。因iChamber生態(tài)系統(tǒng)碳氮水交換在線測量系統(tǒng)可全時、自動測量，透明箱體可在夜間自動測量呼吸過程，確保觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

同步測量多種物質

改變了過去觀測物質種類單一、缺乏多種物質組分集成觀測的情況，一臺分析儀同步測量CO_2、 N₂O、CH₄、H₂O、¹³C-CO₂、¹⁸O-CO₂ 六參數(shù)，可識別不同物質排放過程之間的協(xié)同或消長關系。

高頻連續(xù)測量，測量精度高

iChamber生態(tài)系統(tǒng)碳氮水交換在線測量系統(tǒng)，主機采用可調諧激光直接吸收光譜技術測量頻率可達10Hz，分辨率達ppt級。

參數(shù)	N₂O	CH₄	CO₂	H₂O
精度 1s	0.03ppb	0.1ppb	100ppb	10ppm
精度 100s	0.01ppb	0.25ppb	25ppb	5ppm
測量范圍	0-10000ppb	0-10000ppb	0-5000ppm	0-5000ppm
響應時間	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選

參數(shù)	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‰
響應時間	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選

數(shù)據(jù)記錄存儲

對箱體內外的空氣溫濕度、土壤溫度、水分、光合有效輻射同步測量、記錄，用于交換通量校正計算和影響機制闡明。

參考文獻

1 王迎紅. 陸地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放觀測方法研究、應用及結果比對分析[D]. 北京: 大氣物理研究所, 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 溫學發(fā). 箱式通量觀測技術和方法的理論假設及其應用進展. ChinaFLUX第十四次通量觀測理論與技術培訓

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