一種林木微觀碳匯計量同化箱裝置的設(shè)計

郭明明 陳愛軍 李東升 劉楠

摘要：根據(jù)箱式法的原理及其特點，設(shè)計了一種林木微觀碳匯計量同化箱裝置，該裝置由箱體、制冷系統(tǒng)、氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)、澆灌系統(tǒng)及測控系統(tǒng)等五部分組成，既可模擬箱外自然環(huán)境，又可根據(jù)需要營造人工環(huán)境。通過對箱內(nèi)溫濕度、CO2濃度、光合有效輻射、葉片厚度、植株重量及植株直徑變化量等參數(shù)的測量，可對單株植物的碳匯量進行研究。

關(guān)鍵詞：微觀碳匯；計量方法；同化箱；模擬環(huán)境

中圖分類號：S758.7 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）05-1291-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.052

Design Assimilation Box of Micro Carbon Sink in Trees

GUO Ming-ming1， CHEN Ai-jun1， LI Dong-sheng1， LIU Nan2

（1. College of Metrology & Measurement Engineering， China Jiliang University， Hangzhou 310018， China；

2.College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract： According to the chamber-based method， a kind of assimilation box of micro carbon sink in trees was proposed. The device consisted of box body， cooling system， gas controlling system， irrigation system and measurement and control system， which not only could simulate the natural environment outside the box， but also create an artificial environment as required. By measuring the temperature， humidity， concentration of CO2， photosynthetic active radiation， leaf thickness， weight and diameter variation of the plant， the carbon sink of individual plants could be studied.

Key words： micro carbon sink； estimation method； assimilation box； simulation environment

CO2作為六大溫室氣體之首，2013年其排放量已達到361億t，其中，中國碳排放超過歐盟和美國的總和，達到100億t，居全球首位[1]。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第四次評估報告，大氣中CO2濃度逐年上升[2]。由于CO2的超標排放導(dǎo)致的環(huán)境問題日益突出，研究表明，如果海平面上升1 m，全球?qū)⒂?.45億人的家園被海水吞沒。另一方面，森林具有碳源和碳匯的雙重作用[3]，尤其是碳匯功能，不僅能營造良好的生態(tài)環(huán)境，而且能有效減少CO2的排放量。Righelato等[4]的研究表明，通過森林固碳要比通過使用新能源、新技術(shù)進行的減排更有效、環(huán)保。

森林碳匯是指森林植物吸收大氣中的CO2并將其固定在植被或土壤中，從而降低該氣體在大氣中的濃度。碳匯計量則是對森林碳匯能力的評價，目前，國內(nèi)外有關(guān)森林碳匯的計量方法主要有蓄積量法、生物量法和生物量清單法。這些方法主要是通過統(tǒng)計森林木材的蓄積量或森林系統(tǒng)的生物量，采用一定的轉(zhuǎn)換因子估算森林碳匯量，由于此類方法原理簡單、直觀，是目前廣泛采取的方法，但此類方法只是靜態(tài)估算，不能動態(tài)反映森林碳匯的發(fā)展趨勢，且大多憑經(jīng)驗選取轉(zhuǎn)換因子，這就直接影響估算結(jié)果的可靠性。

眾多學(xué)者對中國的森林碳匯進行了估算，但估算結(jié)果差異很大。因此有必要尋找一種公認的森林碳匯計量方法。由于箱式法具有計量準確、定量分析的特點，常用于植物的光合作用和呼吸作用等試驗研究，本文介紹了箱式法的原理及應(yīng)用，并根據(jù)箱式法探討了一種林木微觀碳匯計量同化箱裝置。

1 箱式法在碳匯方面的研究

箱式法是利用透明箱體（以下稱為同化箱）將植被或植被的一部分密封，通過測定單位時間箱體內(nèi)氣體濃度的變化來計算研究對象的氣體交換量[5]，其計算公式[6]為：

F=VΔC/Δt（1）

式中，V為測定室的體積，ΔC/Δt為CO2的變化速率。

在實際應(yīng)用中，由于同化箱內(nèi)有恒定速率（d）的空氣流過（一般通過氣泵以恒定的流速給箱體供氣），測定進氣端與出氣端的CO2濃度差（ΔC″），則CO2通量為：

F=dΔC″（2）

國外已有公司根據(jù)這一原理開發(fā)了相應(yīng)的箱式氣體分析儀，代表性的產(chǎn)品有美國LICOR公司的Li-6400氣體分析儀、英國ADC公司的LC Pro-SD全自動便攜式光合儀。國內(nèi)外也有學(xué)者利用該方法對植物的CO2通量進行了研究，Czobel等[7]利用自制的同化箱系統(tǒng)對草原CO2氣體交換的特征做了相關(guān)研究；Goulden等[8]利用了自制的箱式系統(tǒng)對單株樹木的氣體交換速率進行計量，并且驗證了箱式法在研究單株植物的水汽交換方面具有計量準確的優(yōu)點；朱詠莉等[9]利用同化箱監(jiān)測稻田生態(tài)系統(tǒng)的CO2通量；鄒建文等[10]的研究結(jié)果表明，箱式法可以合理地估算陸地生態(tài)系統(tǒng)-大氣CO2的凈交換量。

目前，在眾多森林碳匯研究中，定性研究遠多于定量研究[11]，市場上缺乏公認的碳匯計量體系。由于箱式法具有計量準確、定量研究以及便于實施等優(yōu)點，使箱式法在定量分析氣體通量方面被廣泛使用，但該方法也存在一些缺點，如研究對象的選取具有一定的代表性，包括選擇的物種、數(shù)量及年齡；箱內(nèi)外環(huán)境差異較大，主要表現(xiàn)在溫濕度等環(huán)境參數(shù)；碳匯計算模型的不確定性；難以實現(xiàn)自動、連續(xù)測量等。這些缺點阻礙了箱式法在森林碳匯計量中的應(yīng)用和推廣，利用此方法估算森林碳匯的研究鮮有報道，用于植株、植物器官和群體尺度的同化箱裝置尚未見商業(yè)化產(chǎn)品，國內(nèi)外學(xué)者大都自制箱式系統(tǒng)來進行該類研究[6]。因此，有必要探索一種計量誤差小、可連續(xù)測量的同化箱裝置，從而探索單株植物碳匯量的計量方法，為建立某一地區(qū)此類林木的碳匯量的計量方法模型提供數(shù)據(jù)支持。

2 林木微觀碳匯計量同化箱裝置

同化箱裝置整體示意圖如圖1所示，該裝置分成箱體、制冷系統(tǒng)、氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)、澆灌系統(tǒng)以及測控系統(tǒng)5個子系統(tǒng)。

2.1 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計

箱體設(shè)計要求透光、密閉、拆卸方便。目前，已有的同化箱裝置設(shè)計較為簡單、密封性較差，如高雷明等[12]利用金屬框架和透明塑料膜制作同化箱，對闊葉林的CO2交換進行了研究；馬富裕等[13]利用輕質(zhì)鋁合金框架和透明聚酯薄膜制作同化箱，對棉花的光合作用進行研究。本裝置箱體材料采用亞克力板，該材料透光率能達92%，密度不及普通玻璃的二分之一，且可塑性強，堅固耐用。

箱體結(jié)構(gòu)如圖2所示，箱體設(shè)計成圓柱形結(jié)構(gòu)，分為上下兩個高度相近的箱體。上下箱體通過帶有密封圈的連接槽相連，然后再通過可調(diào)搭扣使上下箱體吻合成為一個完整的同化箱，底板和下箱體的連接與上下箱體的連接類似，同時箱體底板用搭扣固定在推車上。上下箱體外側(cè)面上都裝有提手，以方便箱體拆卸及安裝。圓柱形結(jié)構(gòu)不易變形，有效空間大，能減少接合處的粘合，利用箱體自身重力及密封圈使密封效果更佳，這種箱體結(jié)構(gòu)既保證了箱子的密閉性，又較好地解決操作不方便的問題，提高箱體使用壽命。

2.2 制冷系統(tǒng)設(shè)計

溫度是影響植物新陳代謝最重要的因素之一，考慮到植物的呼吸作用和箱體內(nèi)熱量不易散發(fā)等因素，須采用制冷設(shè)備來控制同化箱內(nèi)的溫度變化。目前，國內(nèi)外有學(xué)者自行研制同化箱裝置用于植物群落的生長研究，但只有少數(shù)同化箱的設(shè)計考慮到箱內(nèi)外的溫度差異。Miyama等[14]介紹了一種自制的枝條箱式系統(tǒng)，該系統(tǒng)在箱體上安裝了制冷風扇用于冷卻箱體；高松等[15]在自制的同化箱裝置中添加了制冷風扇，但僅利用風扇難以達到理想的降溫效果。傳統(tǒng)的空調(diào)制冷方法是利用冷媒在管道中的相變循環(huán)來帶走熱量，該方法的缺點是存在一定的振動和噪音，容易給箱內(nèi)的測量儀器帶來干擾，且系統(tǒng)供電也是野外試驗不可回避的一個問題。該裝置采用水冷循環(huán)制冷系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，利用冷水機送出的冷水在箱內(nèi)管道中不斷流動帶走熱量，吸收了熱量的冷水溫度升高又回到冷水機中，經(jīng)過冷水機處理后又變?yōu)槔渌?，如此循環(huán)，并且冷水機的出水溫度可調(diào)，可根據(jù)需要輸出冷水或者熱水，達到給箱內(nèi)降溫或者加熱的目的，使箱內(nèi)溫度保持在可控范圍之內(nèi)。

2.3 氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計

植物的生長與其周圍氣體的濃度密切相關(guān)。解海翠等[16]研究發(fā)現(xiàn)大氣CO2濃度會引起植物組織內(nèi)的化學(xué)組分和營養(yǎng)價值的改變，從而影響光合作用，考慮到箱內(nèi)氣體流動性差，有必要將箱內(nèi)氣體混合均勻，并間斷性地更換箱內(nèi)氣體以免影響植物的正常生長。本氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)利用球形閥門和雙頭外絲管構(gòu)成通氣管道，通過鼓風機的動力來與外界進行氣體交換，從而保證同化箱內(nèi)氣體成分與箱外環(huán)境接近。同時為達到氣體混勻的目的，在箱體底部采用一個氣泵將箱體下部氣體吸入氣泵，氣體經(jīng)氣泵進入環(huán)形氣孔管道再自上而下地排出，從而使得氣體混合均勻。另外，為了讓箱體保持一定的濕度，還可在箱體內(nèi)放入加濕器，當箱體內(nèi)的濕度下降時，加濕器噴灑適當?shù)乃F來增加濕度，氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

2.4 澆灌系統(tǒng)設(shè)計

為保證植株正常的生理活動，本裝置設(shè)計澆灌系統(tǒng)以滿足植株的水分需求。系統(tǒng)采用多個塑料滴頭固定在土壤上方和樹根周圍，儲存在水箱中的水被水泵吸入管道從而進入滴頭，水箱中裝有液位傳感器用于測量液位高度，每次澆灌通過上位機實現(xiàn)定時定量，也可以根據(jù)具體天氣情況適當調(diào)整澆水量。

2.5 測控系統(tǒng)設(shè)計

測控系統(tǒng)框圖如圖5所示，采用兩個stm32系統(tǒng)組成主控板和從控板，由從控板對各被測量進行采集和控制，存儲在SD卡中，并通過各系統(tǒng)對箱體內(nèi)環(huán)境參數(shù)進行調(diào)控。用戶還可以實時通過主控板與從控板進行通訊，并將數(shù)據(jù)反饋到主控板，由主控板上的電阻式觸摸屏實現(xiàn)人機交互。

該系統(tǒng)需要測量的參數(shù)有環(huán)境參數(shù)和植物生長參數(shù)，環(huán)境參數(shù)包括光合有效輻射、溫濕度和CO2濃度，植物生長參數(shù)包括葉片厚度、植株重量和植株直徑變化量。通過測控系統(tǒng)獲取的被測信息，適當調(diào)整箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)，主要有采用PID算法調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫濕度、利用液位傳感器定量控制植株的澆水量、定時開啟氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)更換箱內(nèi)氣體。

此外，該監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)能顯示在觸摸屏上，方便用戶進行控制與記錄，同時能儲存于SD卡中。此外，為了方便同化箱的運輸和使用，本裝置還設(shè)計了推車、橡膠手套、固定繩索以及提手等設(shè)施。

3 小結(jié)

目前，中國的森林碳匯計量尚處于起步階段，現(xiàn)有碳匯計量方法存在誤差大、測量過程復(fù)雜等缺點。針對箱式法在碳匯研究方面的優(yōu)勢，以及現(xiàn)有同化箱裝置的缺點，本研究設(shè)計了一種可對單株植物進行微觀碳匯計量的同化箱裝置。該裝置具有以下特點：同化箱設(shè)計成可移動、可拆卸式結(jié)構(gòu)，具有較好的地域適應(yīng)性；同化箱搭載多種高精度傳感器，可實現(xiàn)箱內(nèi)溫濕度、光合有效輻射、CO2濃度、葉片厚度、植株重量、植株直徑變化量等多參數(shù)的連續(xù)測量；同化箱鋪有溫濕度控制系統(tǒng)、澆灌系統(tǒng)、氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)等來調(diào)節(jié)箱內(nèi)環(huán)境，盡可能的實現(xiàn)箱內(nèi)外環(huán)境的一致，測量數(shù)據(jù)更可靠，也可以根據(jù)需要營造人工環(huán)境。

該裝置也存在一些不足之處，如溫濕度控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間較長，控制精度有待提高；箱體阻擋了部分光線，導(dǎo)致了箱內(nèi)光照度小于箱外，可考慮采取在箱內(nèi)補光的措施。在后續(xù)的工作中，將對該裝置進行完善和改進，并應(yīng)用到單株植物的碳匯量中。

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