基于理想氣體狀態(tài)方程的同化箱設(shè)計(jì)與碳通量測(cè)定

張仁懿，袁建立，艾得協(xié)措，徐當(dāng)會(huì)

（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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(cè)量指標(biāo)，對(duì)研究生物（動(dòng)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(cè)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(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究中廣泛使用。同化箱法利用氣體分析器測(cè)定箱內(nèi)的氣體濃度，以一定時(shí)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(kāi)路式的光合儀）來(lái)計(jì)算氣體通量。在昆蟲(chóng)、鳥(niǎo)類及哺乳動(dòng)物的呼吸速率測(cè)量［7-8］、植物的光合／呼吸／蒸騰測(cè)量［2，9］、土壤微生物的氣體通量測(cè)量［10］以及野外群落溫室氣體通量的原位測(cè)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(cè)定氣體通量獲得了大量的科研成果。然而，同化箱的實(shí)際應(yīng)用仍普遍存在系統(tǒng)體積難以精確、快速確定的問(wèn)題，例如：①科研工作者往往忽略被測(cè)對(duì)象（動(dòng)物、植物、土壤樣品及其容器等）自身的體積，置入受測(cè)對(duì)象后同化箱系統(tǒng)的實(shí)際作用體積將變小，導(dǎo)致氣體通量測(cè)量值被高估；②同化箱系統(tǒng)的實(shí)際體積由多個(gè)組分構(gòu)成，對(duì)同化箱體積的精確計(jì)算造成困難，或?qū)⒑馁M(fèi)大量的時(shí)間或精力，降低科研工作的效率和測(cè)量結(jié)果的可靠性。同化箱系統(tǒng)的實(shí)際體積一般可由下式精確計(jì)算：V＝Va+Vt+Vb-Vs，式中：V為實(shí)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(cè)對(duì)象體積。雖然Vb和Vt可以在測(cè)量前計(jì)算，但Va和Vs的精確計(jì)算難度較大。例如，分析器模塊需要?dú)獗抿?qū)動(dòng)，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(cè)對(duì)象的形狀往往不規(guī)則，測(cè)量和計(jì)算其體積Vs費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

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

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(guò)測(cè)量二氧化碳濃度增量ΔC（μmol·mol-1）即可計(jì)算同化箱系統(tǒng)的體積：V＝V'×C'／ΔC。

溫度、壓強(qiáng)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(qiáng)（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(cè)量體系中的二氧化碳濃度，對(duì)二氧化碳濃度和時(shí)間作圖，求出二氧化碳變化斜率k（μmol·mol-1·s-1），則整個(gè)體系的二氧化碳通量Flux為（μmol·s-1）：

2 同化箱設(shè)計(jì)

同化箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)濾器避免分析器受污染。箱體進(jìn)氣端延長(zhǎng)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(jì)

本文使用的二氧化碳分析器為美國(guó)LICOR 公司生產(chǎn)的LI-850，該型號(hào)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(cè)量指標(biāo)包括干二氧化碳濃度C和氣壓p，最大測(cè)量頻率為2 Hz。溫度T使用額外的溫度計(jì)測(cè)量，因受測(cè)對(duì)象無(wú)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(zhǎng)度約150 cm，計(jì)算出箱體體積Vb≈8.739 L，管路體積Vt≈20 mL。忽略被測(cè)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(cè)對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，體系到達(dá)平衡狀態(tài)后（即斜率穩(wěn)定，約需30 s，通過(guò)LI-850 配套軟件實(shí)時(shí)查看二氧化碳變化曲線）開(kāi)始計(jì)時(shí)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(guò)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(duì)前60 s 的數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)定了3 種情況下的實(shí)際體積V2和實(shí)際通量Flux2，測(cè)定通量時(shí)的外界氣壓p＝84.139 kPa，絕對(duì)溫度T＝300.15 K。

（1）同化箱內(nèi)未放置被測(cè)對(duì)象，通量趨于0（見(jiàn)圖2）。根據(jù)圖中所示數(shù)據(jù)：

圖2 同化箱內(nèi)受測(cè)對(duì)象為零通量時(shí)的二氧化碳濃度變化曲線

（2）同化箱內(nèi)被測(cè)對(duì)象為盆栽蒲公英時(shí)（含植物的花盆、土壤等，直徑13 cm×高13 cm，同時(shí)使用植物生長(zhǎng)燈補(bǔ)光照射，見(jiàn)圖3）。

圖3 同化箱內(nèi)被測(cè)對(duì)象為盆栽蒲公英時(shí)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(cè)對(duì)象為無(wú)活體植物的花盆時(shí)（花盆內(nèi)盛有土壤，直徑13 cm×高13 cm，見(jiàn)圖4）。

圖4 同化箱內(nèi)被測(cè)對(duì)象為無(wú)植物花盆時(shí)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(cè)量案例顯示，同化箱法測(cè)量二氧化碳通量的過(guò)程中，被測(cè)對(duì)象的體積對(duì)測(cè)量結(jié)果影像較大，通量高估量與被測(cè)對(duì)象的體積成正比（見(jiàn)表1）。本文改進(jìn)的同化箱及通量測(cè)量方法在保持通量測(cè)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(jì)算同化箱系統(tǒng)的實(shí)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(cè)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(cè)量，提高了不同樣品或處理梯度間的可比性。

表1 改進(jìn)同化箱前后的系統(tǒng)體積及通量

本文設(shè)計(jì)的同化箱系統(tǒng)僅是一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，在不改變基本測(cè)定原理的基礎(chǔ)上，科研人員實(shí)際使用過(guò)程中可以根據(jù)已有條件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(hào)分析器等。

4 結(jié)語(yǔ)

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(duì)閉路的同化箱系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)并測(cè)試了實(shí)際（等效）體積和二氧化碳通量的速測(cè)方法。該裝置及方法在保持被測(cè)對(duì)象正常生理、生態(tài)過(guò)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(cè)對(duì)象體積難以精確測(cè)定的問(wèn)題，使通量測(cè)量（如植物凈光合、微生物分解、動(dòng)植物及土壤的呼吸等）的結(jié)果更加科學(xué)，適用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培養(yǎng)、溫室控制實(shí)驗(yàn)以及野外原位測(cè)量等測(cè)量環(huán)境。