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

    生態(tài)系統(tǒng)碳交換測量方法有三種：渦度相關(guān)（(eddycovariance)）、測樹學(xué)(biometry)和箱式法(chambermethods)。渦度相關(guān)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(chǎn)（GPP）和生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re），且場地要求嚴(yán)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?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）進行直接觀測。

    大量的研究發(fā)現(xiàn)渦度相關(guān)法、測樹學(xué)法和箱式法在測量生態(tài)系統(tǒng)碳收支時結(jié)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(xué)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(guān)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(shù)結(jié)果差異的途徑之一。

    二、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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)宜使用65cm×65cm×90cm的中大型采樣箱，草地生態(tài)系統(tǒng)宜采用40cm×40cm×25cm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(jié)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(cè)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。

    生態(tài)系統(tǒng)碳交換測量方法有三種：渦度相關(guān)（(eddycovariance)）、測樹學(xué)(biometry)和箱式法(chambermethods)。渦度相關(guān)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(chǎn)（GPP）和生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re），且場地要求嚴(yán)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?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）進行直接觀測。

    大量的研究發(fā)現(xiàn)渦度相關(guān)法、測樹學(xué)法和箱式法在測量生態(tài)系統(tǒng)碳收支時結(jié)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(xué)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(guān)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(shù)結(jié)果差異的途徑之一。

    二、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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)宜使用65cm×65cm×90cm的中大型采樣箱，草地生態(tài)系統(tǒng)宜采用40cm×40cm×25cm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(jié)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(cè)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。

    iChamber群落自動箱是澳作公司擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、自主研發(fā)、國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品，集六項設(shè)計于一體，的無框架、無立柱設(shè)計，高度隨植物生長可調(diào)、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(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、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(diào)節(jié)復(fù)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(shù)通過單位時間內(nèi)透明箱內(nèi)氣體濃度變化計算凈交換量。

    因箱效應(yīng)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(shù)上，進行了如下改進：

    1、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(jié)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。

    2、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。

    3、同步測量多種物質(zhì)

    改變了過去觀測物質(zhì)種類單一、缺乏多種物質(zhì)組分集成觀測的情況，一臺分析儀同步測量CO2N2O、CH4、H2O、13C-CO2、18O-CO2六參數(shù)，可識別不同物質(zhì)排放過程之間的協(xié)同或消長關(guān)系。

    4、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(diào)諧激光直接吸收光譜技術(shù)測量頻率可達10Hz，分辨率達ppt級。

    5、對箱體內(nèi)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(yīng)用及結(jié)果比對分析[D].北京:中國科學(xué)院大氣物理研究所,2005[WangYH.ChambermethodmeasurementofgreenhousegasemissionsfromtypicalterrestrialecosystemsofChina:methodresearch,applicationandresultsdiscussion[D].Beijing:Instituteofatmosphericphysics,ChineseAcademyofScience,2005]

    2溫學(xué)發(fā).箱式通量觀測技術(shù)和方法的理論假設(shè)及其應(yīng)用進展.ChinaFLUX第十四次通量觀測理論與技術(shù)培訓(xùn)