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

    生態(tài)系統(tǒng)碳交換測(cè)量方法有三種：渦度相關(guān)（(eddycovariance)）、測(cè)樹(shù)學(xué)(biometry)和箱式法(chambermethods)。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(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。

    生態(tài)系統(tǒng)碳交換測(cè)量方法有三種：渦度相關(guān)（(eddycovariance)）、測(cè)樹(shù)學(xué)(biometry)和箱式法(chambermethods)。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(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。

    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(cè)量模式

    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。

    3、同步測(cè)量多種物質(zhì)

    改變了過(guò)去觀測(cè)物質(zhì)種類單一、缺乏多種物質(zhì)組分集成觀測(cè)的情況，一臺(tái)分析儀同步測(cè)量CO2N2O、CH4、H2O、13C-CO2、18O-CO2六參數(shù)，可識(shí)別不同物質(zhì)排放過(guò)程之間的協(xié)同或消長(zhǎng)關(guān)系。

    4、高頻連續(xù)測(cè)量，測(cè)量精度高

    iChamber生態(tài)系統(tǒng)碳氮水交換在線測(cè)量系統(tǒng)，主機(jī)采用可調(diào)諧激光直接吸收光譜技術(shù)測(cè)量頻率可達(dá)10Hz，分辨率達(dá)ppt級(jí)。

    5、對(duì)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(cè)量、記錄，

    用于交換通量校正計(jì)算和影響機(jī)制闡明。

    參考文獻(xiàn):

    1王迎紅.陸地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放觀測(cè)方法研究、應(yīng)用及結(jié)果比對(duì)分析[D].北京:中國(guó)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(cè)技術(shù)和方法的理論假設(shè)及其應(yīng)用進(jìn)展.ChinaFLUX第十四次通量觀測(cè)理論與技術(shù)培訓(xùn)