張仁懿，袁建立，艾得協(xié)措，徐當(dāng)會

（蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院／草地與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等氣體的通量是動物學(xué)、植物學(xué)、土壤學(xué)以及生態(tài)學(xué)相關(guān)研究常用的測量指標(biāo)，對研究生物（動植物、微生物等）能量代謝及物質(zhì)循環(huán)具有重要意義。當(dāng)前測量氣體通量的方法主要有渦度相關(guān)法［1］、同化箱法［2-3］以及氣袋采樣-色譜分析法［4-6］，其中同化箱法因具有便攜、快速等特性，在大田實驗的相關(guān)研究中廣泛使用。同化箱法利用氣體分析器測定箱內(nèi)的氣體濃度，以一定時間內(nèi)濃度變化量（如閉路式的土壤呼吸儀）或參比-樣品室濃度差異（如開路式的光合儀）來計算氣體通量。在昆蟲、鳥類及哺乳動物的呼吸速率測量［7-8］、植物的光合／呼吸／蒸騰測量［2，9］、土壤微生物的氣體通量測量［10］以及野外群落溫室氣體通量的原位測量［3，11］等相關(guān)研究中，均涉及同化箱的制作或使用。

科研人員利用同化箱法測定氣體通量獲得了大量的科研成果。然而，同化箱的實際應(yīng)用仍普遍存在系統(tǒng)體積難以精確、快速確定的問題，例如：①科研工作者往往忽略被測對象（動物、植物、土壤樣品及其容器等）自身的體積，置入受測對象后同化箱系統(tǒng)的實際作用體積將變小，導(dǎo)致氣體通量測量值被高估；②同化箱系統(tǒng)的實際體積由多個組分構(gòu)成，對同化箱體積的精確計算造成困難，或?qū)⒑馁M大量的時間或精力，降低科研工作的效率和測量結(jié)果的可靠性。同化箱系統(tǒng)的實際體積一般可由下式精確計算：V＝Va+Vt+Vb-Vs，式中：V為實際體積；Va為分析器氣體體積；Vt為管路體積；Vb為同化箱容積；Vs為被測對象體積。雖然Vb和Vt可以在測量前計算，但Va和Vs的精確計算難度較大。例如，分析器模塊需要氣泵驅(qū)動，氣泵前后管路和分析器內(nèi)部空氣存在正壓或負(fù)壓，使Va難以精確確定；被測對象的形狀往往不規(guī)則，測量和計算其體積Vs費時費力。

為了提高通量測量的效率及通量結(jié)果的精確度，亟需改進同化箱系統(tǒng)的設(shè)計及使用方法，以滿足快速、精確地確定實際體積（或等效體積）的需求。本文以碳通量的測定為例，基于理想氣體狀態(tài)方程［12］的原理對同化箱法進行了改進。

1 方法原理

閉路式同化箱注入已知濃度C'（μmol·mol-1）和已知體積V'（m3）的二氧化碳，混勻后將導(dǎo)致體系中二氧化碳濃度上升。根據(jù)阿伏加德羅定律的原理，通過測量二氧化碳濃度增量ΔC（μmol·mol-1）即可計算同化箱系統(tǒng)的體積：V＝V'×C'／ΔC。

溫度、壓強恒定的封閉系統(tǒng)中，所有空氣符合理想氣體狀態(tài)方程：

式中：p為壓強（Pa）；V為氣體體積（m3）；T為溫度（K）；n為體系中氣體的物質(zhì)量（mol）；R為摩爾氣體常數(shù)（8.314 J／（mol·K））。

連續(xù)測量體系中的二氧化碳濃度，對二氧化碳濃度和時間作圖，求出二氧化碳變化斜率k（μmol·mol-1·s-1），則整個體系的二氧化碳通量Flux為（μmol·s-1）：

2 同化箱設(shè)計

同化箱系統(tǒng)的設(shè)計如圖1 所示。同化箱由頂蓋、密封墊和箱體組成，頂蓋包括氣體注射孔、氣路接頭和混勻風(fēng)扇（如箱體體積小可省略）；箱體由毛細(xì)管與外界相通以平衡內(nèi)外氣壓。箱體通過頂蓋的氣路接頭與二氧化碳分析器連接，管路串聯(lián)空氣過濾器避免分析器受污染。箱體進氣端延長管路便于箱體內(nèi)空氣充分混勻。

圖1 同化箱系統(tǒng)的設(shè)計

本文使用的二氧化碳分析器為美國LICOR 公司生產(chǎn)的LI-850，該型號分析器內(nèi)置氣泵，氣路流速為750 mL／min，分析器腔體體積Va≈15 mL，與本文所述方法相關(guān)的測量指標(biāo)包括干二氧化碳濃度C和氣壓p，最大測量頻率為2 Hz。溫度T使用額外的溫度計測量，因受測對象無明顯的產(chǎn)熱效應(yīng)，本例以室溫代替。同化箱箱體及頂蓋以透明亞克力材料（厚4 mm）制作，箱體外徑20 cm、高30 cm，密封墊厚2 mm，分析器與箱體之間的管路（4 mm ×6 mm）長度約150 cm，計算出箱體體積Vb≈8.739 L，管路體積Vt≈20 mL。忽略被測物體和箱體內(nèi)配件的體積，則V1＝Va+Vt+Vb-Vs＝15 +20 +8 739 -0 ＝8 774 mL，相應(yīng)的通量記為Flux1。

3 同化箱應(yīng)用

根據(jù)同化箱的體積參數(shù)，在確保二氧化碳增量不顯著影響受測對象的生理生態(tài)指標(biāo)的前提下，往同化箱系統(tǒng)注入3.00 mL（V' ＝3 ×10-6m3）的二氧化碳（純度99.9%，即C' ＝0.999 mol／L）。根據(jù)預(yù)實驗數(shù)據(jù)，體系到達平衡狀態(tài)后（即斜率穩(wěn)定，約需30 s，通過LI-850 配套軟件實時查看二氧化碳變化曲線）開始計時并記錄數(shù)據(jù)（記錄頻率設(shè)置為1 Hz）；記錄數(shù)據(jù)約60 s，用注射器通過穿板接頭的注入孔注入二氧化碳；繼續(xù)記錄至約130 s數(shù)據(jù)，注入后約10 s內(nèi)即恢復(fù)平衡；對前60 s 的數(shù)據(jù)進行回歸，并將斜率k用于平衡后（約70 s后）的曲線擬合。本文測定了3 種情況下的實際體積V2和實際通量Flux2，測定通量時的外界氣壓p＝84.139 kPa，絕對溫度T＝300.15 K。

（1）同化箱內(nèi)未放置被測對象，通量趨于0（見圖2）。根據(jù)圖中所示數(shù)據(jù)：

圖2 同化箱內(nèi)受測對象為零通量時的二氧化碳濃度變化曲線

（2）同化箱內(nèi)被測對象為盆栽蒲公英時（含植物的花盆、土壤等，直徑13 cm×高13 cm，同時使用植物生長燈補光照射，見圖3）。

圖3 同化箱內(nèi)被測對象為盆栽蒲公英時的二氧化碳變化曲線

根據(jù)圖中所示數(shù)據(jù)：

（3）同化箱內(nèi)被測對象為無活體植物的花盆時（花盆內(nèi)盛有土壤，直徑13 cm×高13 cm，見圖4）。

圖4 同化箱內(nèi)被測對象為無植物花盆時二氧化碳濃度變化曲線

根據(jù)圖中所示數(shù)據(jù)：

以上通量測量案例顯示，同化箱法測量二氧化碳通量的過程中，被測對象的體積對測量結(jié)果影像較大，通量高估量與被測對象的體積成正比（見表1）。本文改進的同化箱及通量測量方法在保持通量測量結(jié)果基本不變，即二氧化碳變化曲線斜率保持一致的前提下，快速計算同化箱系統(tǒng)的實際體積或等效體積，從而獲取精確的通量結(jié)果，尤其適用于受測物體形狀不規(guī)則、草地表面不平整以及存在大量疏松材料（等效體積）等情況下的測量，提高了不同樣品或處理梯度間的可比性。

表1 改進同化箱前后的系統(tǒng)體積及通量

本文設(shè)計的同化箱系統(tǒng)僅是一個應(yīng)用實例，在不改變基本測定原理的基礎(chǔ)上，科研人員實際使用過程中可以根據(jù)已有條件對系統(tǒng)進行改造，如更改同化箱的形狀、增加控溫除濕模塊、使用其他型號分析器等。

4 結(jié)語

本文基于阿伏加德羅定律和理想氣體狀態(tài)方程的原理，對閉路的同化箱系統(tǒng)進行了改進，設(shè)計并測試了實際（等效）體積和二氧化碳通量的速測方法。該裝置及方法在保持被測對象正常生理、生態(tài)過程的前提下，能夠快速、精確地確定體系中的有效作用體積，解決了同化箱中受測對象體積難以精確測定的問題，使通量測量（如植物凈光合、微生物分解、動植物及土壤的呼吸等）的結(jié)果更加科學(xué)，適用于實驗室內(nèi)培養(yǎng)、溫室控制實驗以及野外原位測量等測量環(huán)境。