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第三章 气体通量测定

点击数: 发布时间: 2019-07-31

  第三章 气体通量测定_其它测验_资历测验/认证_教育专区。第三章 气体通量测定 邵长亮,刘美玲,平,程晓莉,唐剑武,姜丽芬 引言 3.1 叶片-大气界面气体通量测定 3.1.1 研究目标 3.1.2 红外线/

  第三章 气体通量测定 邵长亮,刘美玲,平,程晓莉,唐剑武,姜丽芬 引言 3.1 叶片-大气界面气体通量测定 3.1.1 研究目标 3.1.2 红外线/XT 便携式光合感化测定系统引见 3.2 生态系统-大气界面气体通量测定 3.2.1 涡度协方差法简介 3.2.2 涡度协方差法丈量系统的构成 3.2.2.1 三维超声风速仪 3.2.2.2 水和气体阐发仪 3.2.2.3 温度计、湿度计 3.2.2.4 辐射仪 3.2.2.5 土壤温度、热通量、水分、水势探头 3.2.2.6 数据采集器 3.2.3 通量数据处置 3.2.4 通量收集 3.3 不变同位素手艺正在气体通量丈量中的使用 3.3.1 不变同位素概念取测定方式简介 3.3.2 不变同位素手艺正在光合感化中的使用 3.3.3 不变同位素手艺正在土壤呼吸的使用 3.3.4 不变同位素手艺正在生态系统-大气界面气体通量的使用 3. 4 基于激光手艺的微量气体通量丈量 小结 参考文献 引言 任何一个生态学意义上布局单元,从个别,到种群,再到群落,曲至生态系 统, 都无时不刻正在进行着物质的轮回取能量的流动,这是生命勾当最根基的特征 之一。物质轮回取能量流动的大小或强度往往是权衡一个个别、种群、群落或生 态系统生命力的主要目标,同时,也是预测其持久动态的环节。 对任何一个生态布局单元而言,表述其物质取能量形态的变量凡是有两个: 即库(Pool)取通量(Flux) 。库是一个相对静态的变量,即物质或能量的存量; 而通量则是一个动态的变量,暗示物质或能量从一个库转移到另一个库的速度。 库是一个相对不变的变量, 正在较小的时间标准上往往变化不大;通量则易受 因子和其他生物要素的影响而表示出较着的动态变化。正在较大的时间标准上,库 是一个很是主要的变量;通量则正在较小的时间标准上表示出较大的变同性,是反 映个别、种群、群落或生态系统对或其他生物要素变更的响应的主要目标。 通量不只是个别、种群、群落或生态系统生命力的一个主要参数,也是研究物质 轮回或能量流动对或其他生物要素变化反馈的机制,以及预测个别、种群、 群落或生态系统物质和能量持久动态的一个主要目标,正在生态学研究中不成或 缺。 因为能量一般以物质为载体, 因而, 通量的测定以物质通量测定为从。 并且, 虽然物质可能以液体或固体的形式从一个库转移到另一个库, 例如动物的化感做 用、根系排泄、污染物接收等。可是,正在陆地生态学研究中,气体通量是极为沉 要、极为遍及的。出格是跟着全球变化研究的普遍开展,气体通量的测定越来越 遭到关心。 气体通量的测定凡是包罗动物叶片取大气界面气体通量测定,土壤表 面取大气界面气体通量测定、 生态系统取大气界面气体通量测定等。因为土壤表 面取大气界面气体通量,此中次要是土壤呼吸和其他温室气体,如甲烷,氧化亚 氮等的排放,取第四章的内容有堆叠,因而这一部门内容正在本章中没有涉及。 动物叶片取大气界面气体通量次要是动物的光合感化、蒸腾感化和呼吸做 用, 当前国际通用的测定方式是红外气体阐发法。生态系统取大气界面的气体通 量次要是二氧化碳、甲烷、水汽等通量,目前国际前次要采用涡度协方差法。同 时,跟着不变同位素手艺的日益成熟,正在气体通量测定中越来越多地被采用,用 来测定分歧程度上的气体通量。近几年,激光手艺被成功地使用到气体通量的原 位测定。 本章内容次要引见红外气体阐发法、涡度协方差法和不变同位素手艺正在 气体通量测定中的使用, 并简要引见激光手艺正在气体通量测定中的使用。介于叶 片标准和生态系统标准之间的气体通量丈量一般会通过这些根基方式的变通而 获得实现。 3.1 叶片-大气界面气体通量测定 3.1.1 研究目标 叶片取大气间的气体互换次要表现正在动物叶片的光合、呼吸和蒸腾感化。其 中前两者是动物叶片取大气间 CO2 的互换,尔后者则是水汽互换。这些互换是 陆地-大气互换的主要构成部门,间接决定了陆气碳、水通量。因而精确测定叶 片和大气间的气体互换是精确计较和模仿陆气通量的根本。 3.1.2 红外线气体阐发法丈量道理 红外线气体阐发法是目前支流的叶片-大气界面气体通量测定方式之一,其 次要工做道理是操纵 CO2 和 H2O 对红外线的接收效应,通过测定外红线通过气 体时的削减量反算气体浓度。 红外线是电磁波谱中的一段,其波长介于可见光和 微波之间, 约为 0.75~1000?m, 因为该波长正在边界以外, 所以称之为红外线。 一般将红外线?m 之间;中红外线?m 之间;远红外线?m 之间。正在近红外波段和中红 外波段,红外辐射能量较小,不克不及惹起中电子能级的跃迁,而只能被样品分 子接收,惹起振动能级的跃迁,所以红外接收光谱也称振动光谱。当某 一波长的红外辐射能量刚好等于某种振动能级的能量差时, 才会被该种 接收, 并发生响应的振动能级跃迁,这一红外波长便称之为该的特征接收波 长。红外线的这个主要特征,当它通过介质时,能被某些和原子接收,具体 被接收的波带取决于这些和原子的布局。 就是红外气体阐发仪的最根基工做 道理,即基于某些气体对红外线的选择性接收。红外线?m。 很多由异原子构成的气体对红外线都有的接收带。 例如 CO2、 H2O、 CH4 等 (见下图 3.1) 。 CO2 的红外接收带有四周, 其接收峰别离正在 2.69?m、 2.77?m、 4.26?m 和 14.99?m 处,此中只要 4.26?m 的接收带不取 H2O 的接收带堆叠,所 以一般的红外气体阐发仪都采用 4.26?m 红外光通过的滤光片来检测 CO2 浓度。 当该波长的红外光颠末含有 CO2 的气体时,能量就因 CO2 的接收而降低,降低 的几多取 CO2 的浓度相关。 图 3.1 几种常见气体的红外接收光谱 按能否把红外光变成单色光来划分,分为非色散型和色散型两种。非色散型 (NDIR)的光源发出持续光谱全数投射到被测样品上,待测组分接收其特征吸 收波带的红外光,检测该特征接收波段的能量变化,由此测定对应气体浓度。色 散型(CDIR)是采用一套分光系统,使通过丈量气室的辐射光谱取待测组分的 特征接收光谱相吻合,由此测定浓度。 按光学系统来划分, 可分为双光和单光两种。双光时从两个不异的光 源或者分派切确的一个光源, 发出两相互平行的红外光束,别离通过几何光 不异的样品气室、参比气室后进入检测器,检测两个气室的某种气体浓度。单光 是从光源发出单束红外光,只通过一个几何光,可是对检测器而言,接遭到 的是两个分歧波长的红外光束,只是它们达到检测器的时间分歧罢了。 按利用的检测器类型来划分,分为气动检测器和固体检测器。气动检测器有 薄膜电容、微流量检测器,气动检测器是靠气动压力差工做的。薄膜电容检测器 中的薄膜振动就是靠这种压力差来驱动的, 微流量检测器中的流量波动也是由这 种压力差惹起的。 这种压力差来历外辐射的能量差而这种能量差是由丈量光 和参比光构成的。 固体检测器包罗光电导检测器和热释电检测器,检测元件 为固体器件, 固体检测器间接对红外辐射能量有响应, 对红外辐射光谱无选择性, 它看待测气体特征接收光谱的选择性是借帮于窄带滤光片实现的。 目前, 贸易化的红外气体阐发仪有良多,这些阐发仪除了简单地被用做测定 某些特殊关心的气体浓度之外, 还被系统设想成多种功能全面的阐发仪,用于多 个范畴,例如红外气体阐发仪用正在动物心理学范畴的光合感化阐发系统。 正在现实丈量过程中, 按照丈量方式的分歧又能够分为闭式和开式两种测 量方式。 闭式丈量方式是把红外线探测仪取光合感化室毗连成密闭的气 系统。将动物叶片密封正在通明的室内,给以恰当的光照,室内 CO2 浓 度将因动物光合而下降,用红外探测仪配以恰当的记实仪可绘出室内 CO2 浓度随光应时间下降的曲线。正在室不漏气、光强度不变、室内空气不竭获得 搅动的环境下,该曲线将是一条滑润曲线,正在曲线的任一点做切线,即可按照切 线的斜率,密闭系统的容积和室面积求出正在该点的 CO2 浓度下的光合速度。 此外,正在闭式方式中还能够系统落差法测定。正在闭系统中,因为室中的 叶片进行光合后,系统中的 CO2 浓度不竭下降,可用单元时间阁房中 CO2 浓度的削减量或 CO2 浓度削减量所需的时间,按照叶全面积、室体积,计 算光合速度。 密闭气落差法测定安拆除了进行光合速度测定外,也可以或许进行呼 吸速度、CO2 光合速度曲线的测定。 跟着科学手艺的成长, 电子计较机手艺的渗入,红外气体阐发仪的机能不竭 提高,并取其他丈量手艺连系,开辟出良多便携式且具有光、温、气、水等节制 性功能的光合感化测定系统。较有代表性的多功能组合型的光合感化测定系统, 例如美国 LI-COR 公司出产的 LI-6400/XT 便携式光合感化测定系统。 3.1.3 LI-6400/XT 便携式光合感化测定系统引见 LI-6400/XT 便携式光合感化测定系统由美国的 LI-COR 公司出产, 目前占领 了光合感化测定仪的大部门市场,是从导产物之一。它采用非色散红外气体阐发 (NDIR)道理,双光、固体检测器(特定波长滤光片) 。同时检测样品室和参 比室的 CO2 和 H2O 浓度。如下图 3.2 所示,采用 4.26?m 滤光片检测 CO2 浓度; 2.59?m 滤光片检测 H2O 浓度。 同时采用别的两个波段的滤光片别离做为检测 CO2 (4.10?m)和 H2O(2.40?m)浓度的参照滤光片;该参照滤光片的感化是 正在光不清洁的形态下去掉杂质对红外线接收的影响, 了仪器正在野外前提下 的测定命据质量。 图 3.2 LI-6400/XT 红外气体阐发波段选择 起首,气为开式,即气体从进气口进入仪器从机,正在从机内一分为二, 25%的气体进入参照室, 用参照室的红外气体阐发仪进行浓度检测;75%的气体 进入样品室,用样品室的红外气体阐发仪检测,同时测定样品室的气体流速,用 于计较光合速度;测定竣事后,样品室和参照室的气体各自排出仪器,气 见下图 3.3。 图 3.3 LI-6400/XT 测定道理(气图) 其次,仪器采用差分式道理(双光、双检测器)测定光合(见图 3.4) ,即 操纵样品室(有叶片)和参照室(无叶片)的 CO2 浓度差值、H2O 浓度差值, 连系气体流速、叶全面积等其他变量计较出叶片单元面积上的 CO2 净速度 (光合速度和呼吸速度) 、蒸腾速度,以及叶片的气孔导度和胞间 CO2 浓度等植 物心理学相关参数。 图 3.4 LI-6400/XT 测定道理(阐发器光图) 除 LI-6400/XT 便携式光合感化测定系统外, 美国 PP SYSTEMS 公司出产的 CIRAS-2 便携式光合感化测定系统也是较为成熟的光合感化、 呼吸感化、 蒸腾做 用测定仪器,也是使用红外气体阐发道理开辟的。 动物生命勾当中的三个主要过程:光合感化、呼吸感化及光呼吸感化,都伴 跟着 CO2 的接收和。所以 CO2 浓度变化的精确检测是研究这三个过程的关 键。正在目前所有 CO2 阐发手艺(检压法、酸碱滴定法、pH 比色法、电导法、气 相色谱法、放射性及不变性同位素法、CO2 电极法、红外气体阐发法等)中,红 外气体阐发法是最无效的一种方式。该方式具有活络度高、反映敏捷、抗干扰性 强、操做便利,并能够进行活体的、持续的测定等凸起长处,目前被普遍用于相 关研究范畴中。 简而言之,红外阐发法测定叶片-大气间互换的方式,出格是目前普遍采用 的红外气体阐发仪有着诸多的特点:能丈量多种气体,除了单原子的惰性气体和 具有对称布局无极性的双原子气体外,CO、CO2、NO、NO2、NH3 等无机物、 CH4、C2H4、等烷烃、烯烃和其他烃类及无机物都可用红外阐发器进行丈量;测 量范畴宽,可阐发气体的上限达 100%,下限颠末精细化处置后,可进行痕量分 析;活络度高,具有很高的监测活络度,气体浓度的细小变化都可分辩;丈量精 度高,一般都正在±2~±1%FS,取其他阐发手段比拟,它的精度高且不变性好;反 应快,一般响应时间正在 10s 以内;优良的选择性,出格适合于对多组分夹杂气体 中某一待阐发组分的丈量,且当夹杂气体中一种或几种组分的浓度发生变化时, 并不影响看待阐发组分的丈量。 这些安拆的呈现和不竭改良大大提高了我们对植 物光合、蒸腾和呼吸感化的认识,加强了我们对动物心理的认识程度。 3.2 生态系统-大气界面气体通量测定 3.2.1 涡度协方差法简介 涡度协方差法(eddy covariance method),又被称做涡度相关法(eddy correlation method)是间接丈量生物圈取大气间 CO2,CH4 等气体和水热通量的 一种微景象形象学方式, 它通过测定和计较物理量(如 CO2, CH4, H2O 和温度等)的脉 动取垂曲风速脉动的协方差求算通量。因为该方式丈量道理明白,精度高,跟着 手艺前进, 从二十世纪九十年代起头正在国际上被普遍使用,成为国际通量不雅测网 络(FLUXNET)的次要手艺手段(Baldocchi et al, 2001; 于贵瑞, 2006)。比拟于其它 方式, 涡度协方差法能够正在较小干扰所测植被的环境下,持续丈量分歧时间标准 上(小时、天、季候、年)较大范畴内(100-2000 m)生态系统的 CO2 和 CH4 等气 体和水热通量。 涡度协方差法的理论根本成立于 1895 年,但线 年 A.J.Dyer 研制出第一台涡度通量仪起头的。后来颠末一系列的改良,构成了今 天的涡度协方差通量仪。 凡是, 一套涡度协方差通量仪包罗一个三维超声风速仪 丈量三维风速和超声虚温,一个快速响应的红外气体阐发仪丈量空气中的 CO2 和 H2O 气体含量,一个温湿度传感器丈量空气的温度取湿度。这三种传感器测 得的数据形成了涡动协方差系统的原始数据, 经数据采集器正在线计较或研究者离 线 通量、潜热通量、显热通量、空气动量通量、风速等, 这些特征是用于涡动协方差研究的次要参量。近年来,使用涡度协方差法持续测 量 CH4 通量的手艺也日益成长。 使用涡度协方差手艺的不雅测坐点,我们称之为通量不雅测坐。每个通量不雅测坐 点不雅测项目标设立, 因研究目标和现实植被情况的分歧而分歧。一个完整的通量 不雅测坐, 既包罗获取湍流涡度通量不雅测数据的涡度协方差手艺系统,还包罗注释 通量成果和阐发过程机理所需的各类辅帮系统(Wilson et al, 2002)。 一般包罗以下 部门: 3.2.2 涡度协方差法丈量系统的构成 3.2.2.1 三维超声风速仪 三维超声风速仪是操纵超声波正在空气中的速度随风速而变化的道理, 测 定发生器和接管器之间超声波的达到时间来计较风速,因为其活络度高,记实、 存储数据都便利, 是脉动测定的主要仪器。三维超声风速仪的部门有三组探 头,交替发射和领受超声波脉冲,信号颠末仪器本身的数据系统处置后,即可连 续获得风正在三个分歧标的目的上(u,v,w)的瞬时值。 Campbell Scientific Inc. 的 CSAT3(图3.5 a),有一个 10 cm 的垂曲丈量 径,能正在 -40oC 以下的低暖和 50oC 以上的高温下一般运转,能够恶劣的 气候前提并持久工做。 它采用脉冲声学模式工做,三维正交风速分量和声速 能够以最大 60 Hz 的频次丈量和输出(一般 10 Hz 就能够满脚涡度相关通量测 量的要求)。虽然 CSAT3 正在顺应性、精度和响应方面具有优秀的特征,可是它 鄙人雨、下雪及雨后水珠还没有完全蒸发的环境下是不克不及一般工做的。 超声风速仪该当安拆正在不雅测塔的顶端或者伸出的长臂上并指向所测区域常 年流行风标的目的,以削减塔身对所测涡流的干扰。 (a) (b) 图 3.5 (a)CSAT3风速仪(引自Campbell Scientific Inc.)和(b)LI-7500A(引自 LI-COR Inc.) 3.2.2.2 水和气体阐发仪 1)水和二氧化碳阐发仪 目前的涡度相关手艺次要使用两种分歧的不雅测系统开展现实的通量不雅测, 即 开涡度相关系统取闭涡度相关系统, 这两种系统正在现实使用中拥有划一主要 的地位, 正在有些不雅测坐点利用两种系统同时进行丈量。开系统的次要长处正在于 高频响应CO2/H2O变化,管极短,通量衰削减且容易批改;闭系统的长处正在 于能够削减因为降雨和结冰导致的数据丢失,能够忽略 WPL 批改。 ⅰ)开式(open-path)阐发仪 开式红外阐发仪好像超声风速计一样, 间接测定湍流脉动的道理是操纵红 外线光源将光束映照到 CO2/H2O 的测定光上,正在另一端操纵检测器的镜头聚 集红外线,操纵检测器的分光、透射和反射 CO2/H2O 的接收带波长,来测定出 CO2/H2O 脉动的安拆。目前最先辈的 CO2/H2O 测定仪为美国 LI-COR 公司的 LI-7500 及其升级产物LI-7500A (图3.3.1b)红外 CO2/H2O 阐发仪。它是高频次 响应、高精度的 CO2/H2O 开系统阐发仪,可正在复杂构成的气体平分析 CO2/H2O 的绝对密度。但 LI-7500 跟 CSAT3 风速仪一样,会遭到降雨、降雪 的影响,并且结霜和露珠也对测定成果有很大影响。LI-7500 和 LI-7500A 外形 完全一样,区别正在于后者添加了低温运转模式,并可以或许实现 RS-232、SDM 和 无线三种传输体例。 LI-7500 的安拆有两种体例,一种是安拆正在 CSAT3 下边,呈程度状;另一 种是安拆正在 CSAT3 后边,尽量减小对所测涡流的扰动,向北以避光,并垂曲倾 斜约 10-15o 以减细雨滴正在红外线发生器小窗的畅留。 ⅱ)闭式(close-path)阐发仪 利用开式阐发仪进行通量测按时,因为其传感器被持久放置正在野外,会制 成仪器的毛病或精度的下降。 因而正在涡度相关法中,也有采用闭阐发仪进行测 定的。用于涡度相关测定中代表性的闭式高频次 CO2/H2O 气体阐发仪为 Li-Cor 公司制制的 LI-6262、 LI-7000(图3.6a)及新进推出的 LI-7200(图3.6 b)。 其 工做道理为通过一个温度节制单位将要测定的气体抽入样品室进行测定计较 CO2 和水汽密度。 LI-6262 能用于冠层较高的丛林的测定以及反映频次要求不高 (1 Hz)的系统中。采样管不克不及跨越 4.5 m 长,并避免采用较高的流速,以削减 对风速仪附近气流的扰动。出格正在晚上要连结管壁高于温度。LI-7000 正在 LI-6262 根本上做了很多改良,活络度较着提高,测定光能够正在野外前提下移 动取清理,还能够正在不太洁净的中利用,不需要出产厂家的校准,可操纵 REM 模式进行差分测定。LI-7200 取上述的闭式系统分歧,它能够和其它设 备一路安拆到通量塔上, 它采用一个短进气管和流量模块取样,气体流经内部的 光腔进行阐发, 进气管的最佳长度是 0.5-1 m, 能够最大程度降低 CO2/H2O 的 衰减。 (a) (b) 图 3.6 LI-7000(a)和LI-7200(b) (引自 LI-COR Inc.) 对于通量不雅测来说,各变量的同步丈量是第一主要的根本,Campbell 公司 目前新推出的 EC150(开系统,图3.7)和 EC155(闭系统)三维超声及 CO2/H2O 阐发仪是将超声风速仪和 CO2/H2O 阐发仪整合成一个全体,采用 SDM同步丈量手艺,各变量丈量的同步性。 (a) (b) 图3.7 (a)EC150开系统 (引自 Campbell Scientific Inc.)及(b)LI-7700 外形 图(引自 LI-COR Inc.) 2)甲烷阐发仪 近几年来,跟着手艺的前进,合用于野外持续监测 CH4 通量的仪器曾经实 现贸易化,好比 LI-COR 公司的 LI-7700 (图3.7)甲烷阐发仪。CH4 的密度丈量 是通过甲烷接收谱带的单一接收线,操纵波长调制光谱手艺(WMS),对 CH4 的 接收线进行激光波长持续扫描,信号颠末放大后被调制频次谐波检出。WMS 技 术了设备可用于开模式, 并达到涡度协方差方式丈量甲烷的速度和分辩率 要求。国内复旦大学和中国科学院等单元曾经将该仪器用于科研不雅测中。 3.2.2.3 温度计、湿度计 通量不雅测中为温度取湿度测定的同步性, 一般将温湿度测定安拆组合正在 一路,如许也便于安拆。例如,Campbell 公司的 HMP45C 温湿度传感器及其 升级产物 HMP155 系列温湿度传感器(图3.8a)。HMP45C 可丈量 0 ~ 100% 的 相对湿度, 以及 -40 ~ 60 oC 的温度。 HMP155 的温度丈量范畴更大, 达到 -80 ~ 60 oC。为了降低能源耗损,两种传感器仅正在丈量期间接通电源。利用传感器时, 为其配备防辐射罩(图3.8b)。 (a) (b) 图3.8 (a)HMP155传感器和(b)安拆了41005防辐射罩的外形图 (引自 Campbell Scientific Inc.) 3.2.2.4 辐射仪 太阳辐射是能量均衡的主要目标,测定太阳辐射一般选用下面的几种设备 (图3.9):① LI190SB光量子探头,采用硅光电检测器,能够丈量天然和人工光源 光量子通量密度(photosyntherically photon flux density,PPFD),其丈量波段为叶绿 素可接收的光合无效辐射波段 400 ~ 700 nm。② CNR系列净辐射仪,CNR-1 (Kipp & Zonen, 荷兰)净辐射仪,由相背放置的两个短波辐射表和两个长波辐射 表构成,是研究级辐射丈量的抱负仪器,此中短波辐射传感器光谱反映范畴为 305 ~ 2800 nm;CNR-2 净辐射仪,采用取 CNR1 相雷同的设想,但布局愈加简 单,体积愈加玲珑,此中短波辐射传感器光谱反映范畴为 310 ~ 2800 nm;还有 CNR-4为CNR-1的升级产物,可按照本人研究环境选择分歧的型号。③ Q7.1 净 辐射仪(Radiation Energy Balance System (REBS), 美国), 操纵高输出热电偶探头, 丈量入射和收入辐射之差。 探头概况用球形聚乙烯风罩,其光谱反映范畴为 0.25 ~ 60 μm。这几种传感器正在通量不雅测中都有普遍的使用。因为分歧的丈量波 段和设想体例, CNR系列和 Q7.1 净辐射仪正在夜间的丈量成果有很大的分歧, 这 正在能量均衡研究中要加以留意。 (a) (b) (c) (d) 图3.9 (a)LI190SB光量子探头;(b)CNR-1净辐射仪;(c)CNR-2净辐射仪; (d)Q7.1净辐射仪(引自 Campbell Scientific Inc.) 3.2.2.5 土壤温度、热通量、水分、水势探头 土壤温度影响土壤呼吸,也影响动物的心理活性,因而需要持续测定。丈量 土壤温度的传感器有热电偶、热电阻和热敏温度计等。铜镍合金(T-type)热电偶 正在土壤温度丈量中常用, 其工做道理是铜镍一端相连放入待测土壤中,它们的另 一端放入不异的温度中就会有电势差, 由于这种温差取电势差有很是好的线性正 比关系,所以可通过测电压求温度。CS109(图3.10)则是热电阻类型温度传感器, 道理是电阻的阻值并不是原封不动的,当温度变化时,电阻也会发生改变,可通 过丈量电阻的改变大小求温度。 其电缆长度按照需要能够耽误至 300 m。 因为这 个设备外层包裹有铝制外壳,使传感器既能埋入土中,也能够完全浸入水里,因 此,也能够用于水温的丈量。温度丈量范畴为 -50 ~ 70 oC。土壤温度的测定 应尽可能地从地概况处起头到无日变化深度的土层, 并尽量正在数个空间点的多个 深度上埋设不雅测仪器。 地表土壤热通量大小暗示土壤和大气间的热互换强度。 由于土壤热通量取土 壤温度梯度成比例, 因而能够通过丈量垂曲温差来算得土壤热通量,但使用土壤 热通量板的方式更为简洁。 土壤热通量板一般通过向四周的土壤发射有纪律的电 压信号,操纵热电堆发生的电位差来丈量土壤热通量的大小,以电压形式输出。 普遍使用的土壤热通量板如 HFT3 (REBS,美国 ) 和 HFP01 (CSC,)。使 用简洁,传感器外壳采用特殊材料,可以或许抵当极端温湿度,埋正在地下几乎不需要 额外的。 因为土壤热通量的空间异质性,土壤热通量板应安拆正在研究区域具 有代表性的处所,并设多个反复。安拆时先挖一个竖曲的小坑,留意尽量连结土 壤原成分不被,把热通量板按照需要的深度(厂家保举为地面以下8 cm)安拆 正在没有被的土层中。 一般配套要有表层土壤水分探头,以及土壤温度探头或 者 Campbell 公司的 TCAV 平均温度探头,用于计较土壤热通量板以上土层的 热储(Shao et al, 2008)。 土壤水是动物接收水分的次要来历, 土壤水分对动物的光合感化和土壤呼吸 都有很大影响,因而,土壤水分的测定有主要意义。土壤含水量可暗示为体积含 水量和质量含水量两种, 二者间可通过土壤容沉来换算。土壤体积含水量凡是采 用 TDR (time domain reflectometry)测定, 其测定道理是通过测定电磁波正在土壤中 的时间或土壤夹杂物的表不雅介电, 按照体积含水量取时间或表不雅介 电间的关系式计较出土壤含水量。如 Campbell 公司的 CS616 土壤水分传 感器就是采用 TDR 测定,传感器包含两根 30 cm 长度不锈钢探针,通过将探 针插入土壤来进行丈量土壤的介电,从而算出含水量。安拆的时候,将探针 垂曲插入土壤中,能够测得土壤概况 30 cm 的含水量,以分歧角度将探针插入 土壤中则可测得分歧深度土层含水量。安拆时尽可能是两个探针平行,并尽量避 免其它传感器对 CS616 的影响。 测定土壤水势凡是用CS227土壤水势仪。土壤水势传感器可以或许丈量0.1至10 bars的土壤水势。当传感器探头的湿度添加时,其内电阻亦会随之添加,从而进 行丈量。 (a) (b) (c) (d) 图3.10 (a)CS107温度传感器; (b) HFP01土壤热通量板; (c)CS616土壤水分仪; (d)CS227土壤水势仪(引自 Campbell Scientific Inc.) 3.2.2.6 数据采集器 数据采集器(datalogger)是进行涡度协方差通量丈量中的数据记实设备, 能够 持续地记实和保留测定仪器输出的信号。高频通量数据采集,一般来说有利用数 据采集器的方式、 利用电脑的方式以及利用两者并用的方式。 具体利用哪种方式, 需要按照可操纵电源的品种(交换、曲流)和容量、数据收受接管的频次和方式、数据 所需要的回忆容量、能否操纵德律风网线和LAN等的通信功能等。 不雅测仪器上一般都备有模仿输出和数字输出两种选择, 能够将单一信号或两 种信号送到数据采集器中。因而,一般说来,数据采集过程有两品种型,即采集 传感器数字化后的模仿电压, 或者间接采集传感器输出的数字信号。采集测定仪 器的模仿电压输出信号时,能够采用数据采集器的单端(相对于地的一个电压测 量)或差分(电压输出的“高端”取“低端”)丈量, 将仪器输出的模仿电压(电流)信号, 输入到A/D转换器后,将所有信号同时变换成数字信号,再加以记实。一般能够 通过软件的体例选择量程, 为了充实操纵数据采集器的分辩率,丈量时电压必需 落正在设定的量程范畴内。采集测定仪器的数字信号输出时,数字I/O接口能够通 过法式来节制, 并组合成正在数据采集器内彼此的输入或输出。好比只利用一 台超声风速计测定能够利用这种方式,当利用多个测定仪器时,需要多个输 出信号能同时输出。 比来商用的超声风速计和红外阐发仪,都具有将本身输出信 号取其他丈量仪器的输出信号一路以数字信号体例输出的功能。 采用仪器数字输 出方式的长处是,抗电气干扰能力强,电缆的长度对测定没有影响。 数据采集器选择准绳是,能丈量传感器的范畴广,并恰当考虑可能的扩展; 选择取所选丈量仪器组合相婚配的具有脚够数量通道(channel)的数据采集器;能 答应正在必然的恶劣下工做, 好比正在宽温范畴内工做;可采用取计较机支撑的 软件操做且容易编程; 能基于时间或事务完成丈量和节制功能;整个系统中至多 有一台数据采集器可支撑同步丈量东西(synchronous device for measurement, SDM)并具备扩展通道能力; 有些坐点可能还能够考虑无线传输、短距专线拖曳、 多点调制解调器、卫星发射器接口以及TCP/IP以太网和谈。目前,正在全球各地的 通量塔中,常用的数据采集器包罗CSI CR3000,CR5000(图3.11)和 CR9000 等。 以 CR5000 为例,它有 8 个 10 Hz 的 EC 信号,每天可以或许存储大于50 M 的 数据量,所以CR5000一般要采用CF卡来记实这些数据,大小为512 M至 2 G。 CR5000比计较机更省电,耗电量小于1 W,而PC的耗电量为8-12 W。 数据采集器节制着丈量仪器采样的频次, 采样频次简直定取决于采集高频次 脉动的类型。仪器安拆的高度越低,需要采样的频次就越高(高频)。因而,涡度 相关系统正在草原中的采样频次要高于正在丛林中的采样频次。现实上,测定高度超 过20 m 时, 一般用的采样频次为5-10 Hz, 高度正在2-5 m 时, 采样频次为10-20 Hz。 操纵比力高的采样频次,能够防止高频部门的缺失,但被采集的数据量会增加。 图3.11 CSI CR5000 数据采集器外形图 (引自 Campbell Scientific Inc.) 3.2.3 通量数据处置 不雅测数据的处置是通量不雅测的环节过程,这一过程次要包罗数据采集、数据 储存、数据质量节制、坐标轴转换、通量校正、数据插补以及日和年标准的通量 计较等步调。针对通量数据处置的软件有多种,它们的次要计较过程见表3.3.1 表3.1 软件 仪器 TK2 CSAT3,US A-1,HS,R2 ,R3,ATI-K ,NUW,Yo ung;6262,7 000,7500, KH2O,AD C OP-2 数据预备 剔非常值 ; 块平均 ; 时 间延迟常 数 / 从动校 剔非常值 ; 块 平 均 ; filter 去趋 势 ; 时间延 剔非常值 ; linear 去趋 势; 时间延 迟校 剔非常值 ; 块平均 ; 去 趋向 ; 时间 延迟 / 剔非常值 ; filter/linear 去趋向 ; 块 平均 ; 时间 剔非常值 ; 块平均 ; 去 趋向 ; 时间 延迟 / 剔非常值 ; 块平均 ; 闭 时间延 迟校正 剔非常值; 块平均; 去 趋向 ; 时间延 迟 / 从动 涡度协方差软件运算过程比力(按照Mauder et al(2008)拾掇) ECPack R2,R3,CS AT3,KDT R90/TR61, 7500,KH2 O,Lyman-a Eddysoft R2,R3,You ng;6262,70 00,7500,A DC OP-2 EdiRE Any eth-flux R2,R3,HS; 6262,7500, FM-100,M onitorLabs, Scintrex LMA3 TUDD R2,R3,HS, USA-1;62 62,7000 EC_Processor R2,R3,CSAT 3;6262,7000, 7500 Alteddy R2,R3,W MPro,CSA T3,USA-1; 6262,7500, KH2O 正 迟 / 自 动校正 正 从动校正 延迟 / 从动校正 从动校正 校正 坐标扭转 平面拟合 /2 轴转换 2 轴转换 平面拟合 /2 轴/3 轴 转换 平面拟合 /2 轴/3 轴 转换 Schotanus et al(1983) Liu al(2006) et 平面拟合 /2 轴/3 轴 转换 Schotanus et al(1983) Liu al(2006) et 2 轴/3 轴转 换 3 轴转换 平 面 拟 合 /2 轴转换 Buoyancy Schotanus et al(1983) Liu al(2006) et Schotanus et al(1983) Schotanus et al(1983) - Schotanus et al(1983) Liu al(2006) et Schotanus et al (1983) Liu et al(2006) 氧气校正 Tanner et al(1993) Tanner et al(1993) Moore(198 6) Webb et al(1980) λ(T); cp=cons Tanner et al(1993) Moore(198 6) Webb et al(1980) λ(T); cp=cons - - - 高频丧失 Moore(198 6) Moore(198 6) Webb et al(1980) λ(T); cp=cons Webb et al(1980) λ(T); cp(cp,dry,q ) Webb et al(1980) λ(T); cp=cons Moore(198 6) Webb et al(1980) λ(T); cp=cons Webb et al(1980) λ(T); cp=cons WPL校正 Webb et al(1980) 计较 λ(T); cp(cp,dry,q ) 质量节制 稳态测定, 湍流特征 不确定因 子 统计误差 稳态测定, 湍流特征, 风区判定 稳态测定, 湍流特征, 风区判定 稳态测定, 湍流特征 夜间环节 u* 稳态测定, 湍流特征, u* 通量数据根基处置步调包罗求 2 轴、3 轴或者平面拟合系数、操纵求得的拟 合系数进行 TS 数据运算、求 u*、数据插补等过程。这里以 ECP 为例,进行一 下通量数据处置步调的引见。ECP 是基于 SAS 法式言语开辟的通量数据处置软 件, 是一个功能强大的处置 TS 数据的法式, 本软件的根基操做过程次要有两个: 一,对 TOA5-FLUX 数据求平面拟合系数;二,对 TOA5-TS 数据进行 WPL 校 正和平面拟合处置。下面将引见一下两个次要的操做步调。 (1) 求平面拟合系数。所用数据为半小时 online FLUX (.DAT, .TXT, .CSV) 数 据。 1 粘贴数据径并成立一个扩展名为.csv 的新文档 %let path=G:\hhhh\F\; %let dsn=TOA5_FLUX_20070528_20071030.csv; 2 让代码中的日期格局取 TOA5-FLUX 中的相分歧 sasdate=input(scan(dhms,1, ),yymmdd10.); 3 让代码中的变量名和 TOA5-FLUX 中的相对应 rec v1-v85。v1--?Fc, 暗示 TOA5-FLUX 中的第一个变量为 Fc 4 运转法式,即可获得平面拟合系数,用于下一步 EC-processor 运算。 (2) 平面拟合取 WPL 校正。 所用数据为 TOA5-TS 数据, 输出为半小时 Fc, LE 和 Hs。 1 粘贴数据径 %let path=G:\hhhh\F\; 2 输入拟合系数 %let b0=0.03953; %let b1=-0.00563; %let b2=0.08057; 3 firstobs=n暗示数据从第n行起头读取,obs暗示让模块只读取1000个察看数 firstobs=4;obs=1000 4 新转换的TOA5-FLUX数据储存的文本格局和内容 file &path.&dsn._flux.txt------文本格局 内容: date,Time,ustar,tau,ave_CO2,ave_H2O,ave_P,ave_Ts,ave_Tc,ave_U,ave_V,ave_W, Hs,co2wplLE,co2wplH,LE_leuning,Fc_leuning,Records,Stationarity_CO2W,Stationa rity_H2OW,Stationarity_TsW,sigma_u,sigma_w; put sasdate :date. sastime :time. ustarplanar tauplanar mixratio_co2m mixratio_h2om pressm ts_ckm ave_Tc um vm wm Hs_planar co2WplLEnew co2WplHnew LE_Leuningplanar Fc_Leuningplanar n1 statnry_co2w statnry_h2ow statnry_tsw sigmaurot sigmawrot; 5 读取TOA5-Flux数据 %planar(TOA5_TS_DATA_20070528_20070601.DAT); *%planar(ENTER_NEXT_FILE_NAME); 6 运转ECP-processor,将输出对TOA5-TS数据进行WPL校正和平面拟合处置后 的半小时Fc, LE 和 Hs数据。 接下来的步调为数据剔除和插补。分歧生态系统剔除尺度分歧,不怜悯形下 会用到分歧的数据插补方式,这里不做细致引见。 3.2.4 通量收集 跟着各地通量网坐的接踵成立, 分歧时空前提下的通量数据若何进行整合分 析、标准扩展并进一步进行数据挖掘显得越来越主要。为此,成立了全球及区域 性的联网不雅测收集。FLUXNET被称为区域收集的收集,整合全球陆地生态系统 通量不雅测坐点的CO2、H2O和能量的数据阐发。截止到2010年10月正在册不雅测坐点 达到500多个。几乎包罗了分布正在全球五个的的温带针叶林、阔叶林,热带 和北方针叶林、农田、草地、森林、湿地和冻地盘带等普遍的生态系统类型,纬 度涵盖了从北纬70度至南纬30度范畴。其次要职责是:①建立坐点特征根本数据 库;②供给具体坐点和区域收集通量数据可利用消息;③编译、归档和发布碳、 水和能量丈量数据;④为遥感产物供给评估消息,例如初级出产力、蒸发、倒映 率和能量接收等。 此中中国通量网和中美碳联盟均插手了FLUXNET。 中国通量网(ChinaFLUX) 的全称为中国陆地生态系统通量不雅测研究收集, 它是以中国科学院生态系统研究 收集为依托,对中国典型陆地生态系统取大气间CO2、水汽、能量通量的日、季 节、年际变化进行持久不雅测研究的收集。ChinaFLUX 成立于 2002 年,目前, 有跨越22个丛林、草地、农田坐连系野外植被、土壤心理生态学尝试对碳、水及 能量通量进行不雅测。 近几年来,跟着 ChinaFLUX 的敏捷成长,极大地拓展了 东亚区域通量不雅测的范畴。2007年正在中、日、韩三国的配合赞帮下,A3前瞻计 划项目启动,其方针就是基于ChinaFLUX、JapanFlux、KorFlux的碳水轮回合做 研究,量化东亚地域碳源/汇的分布取强度并认识碳轮回的天然及报酬驱动机制。 USCCC(US – China Carbon Consortium)成立于 2003 年,由中国和美国多家 科研机构、大学的科学家的生态系统生态学研究集体构成。取中国通量网分歧, USCCC 旨正在采用涡度协方差手艺分析摸索全球变化景象下受干扰生态系统过 程机制及变化趋向。到2011年,USCCC 曾经正在中国、、、河 南、上海、湖南、安徽、福建、广东等地域,以及美国俄亥俄、威斯康辛、康涅 狄格、、北卡罗来纳等州成立了50多个涡度协方差研究坐点,包罗分歧利 用和干扰强度草原、 人工杨树林及湿地和湖泊等多种生态系统类型。次要研究目 标是:①中国、美国典型植被受干扰生态系统过程动态研究;②受干扰生态系统 过程对全球变化的响应机制摸索;③受干扰生态系统过程时空款式变化预测。 这里引见的是目前国际上正正在敏捷成长并能够将数据整合共享的微景象形象学 丈量通量的方式,其它丈量通量的方式如:空气动力学方式、能量均衡/波文比 法以及前提取样法等, 感乐趣的读者能够参考《生态学家面对的挑和——问题取 路子》、《陆地生态系统通量不雅测的道理取方式》和《中国陆地生态系统碳通量 不雅测手艺及时空变化特征》(于贵瑞, 2006; 于贵瑞和孙晓敏, 2008; 陈吉泉 et al, 2005)等其它相关册本。 3.3 不变同位素手艺正在气体通量丈量中的使用 3.3.1 不变同位素概念取测定方式简介 同位素一类具有不异原子和质子数, 但分歧中子数的元素,同位素可分为稳 定性同位素和放射性同位素。 不变性同位素是天然存正在的不具有放射性的一类同 位素。 不变性同位素之间没有较着的化学性质不同,但其物理化学性质因质量上 的分歧常有细小差别,使反映物和生成物正在同位素构成上有所不同。不变同位素 这一特有的性质使不变同位素方式正在生态学和地球化学获得普遍的使用。 不变同位素包罗常量同位素 (common isotope) 和罕见同位素 (rare isotope) 。 遍及使用于生态学研究的不变同位素有氢(H),氧(O),碳(C)和氮(N) (表 1)。因为不变性同位素正在天然界中含量极低, 用绝对量表达同位素的差别 比力坚苦, 因而, 国际上利用品貌, 就是特定物质的同位素构成暗示为改物 质的不变同位素比率取国际尺度物质的比率(表 1)来暗示, 即: ?? X h ?? ? Xl h ? δX= ? ? ? ? ? ? ? ? ? sample ?Xh ? ? Xl ? ? ? ? ? s tan dard ? ? ? 1? × 1000 ? ? ? ? (1) 式中 X 为特定元素(例如 H,O,C,N),h 为沉同位素,l 为氢同位素。 表 3.2 生态学研究中次要不变同位素平均品貌和国际尺度物 元素 氢 碳 氮 氧 同位素 1 H 2 H(D) 12 C 13 C 14 N 15 N 16 O 17 O 18 O 天然品貌(%) 99.985 0.015 1.11 98.89 99.63 0.3663 99.76 0.04 0.20 尺度 SMOW PDB N2-atm. SMOW, PDB 注:SMOW-维也纳尺度海水;PDB-维也纳箭石;N2-atm-大气气体。 阐发不变同位素相对比率的仪器是不变同位素比率质谱议。不变同位素比率 质谱议由进样系统、离子源、质量阐发器、离子监测器和线 部门构成。 仪器构成图见图 1。不变同位素比率质谱议是按照同位素之间 m/e 值分歧而使同 位素发生分手, 进而得出同位素的相对比率。常见的不变同位素比率质谱议有德 国的 Finnigan 仪器公司发生的 Delta S, Delta MAT 系列的质谱仪和英国 VG 仪器 公司发生的 PRISM 系列质谱议。这些仪器钧具有较高的精确性,如碳和氮同位 素阐发的误差正在 0.1‰以内,氢同位素阐发的误差正在 1‰以内。跟着不变同位素 阐发手艺的成长, 质谱议和其他仪器的耦联使不变同位素阐发手艺获得很大的改 进。 目前比力常用的不变同位素比率质谱议有 Finnigan 的 DELTA MAT252 IRMS, DELTA MAT253 IRMS, DELTAplus ADVANTAGE, Finnigan DELTAplux XP GC-IRMS 以及 Micromass 的 Optima GC-IRMS 等(林等,2005) 图 3.12 不变同位素比率质谱议构成示企图 不变性碳同位素手艺线 年代 , Park 等 (1952) 碳同位素构成可用于区分动物的光合路子。 地球化学家 Craig (1953) 起首发觉了分歧植间碳同位素构成的差别。到 70 年代,动物间碳同位素组 成的遍及差别和碳同位素比值能普遍来区分分歧的光合路子类型。80 年代,澳大 利亚动物心理学家 Farquhar 等(1989)别离对光合感化过程中碳同位素效应机 制、 大气 CO2 同位素构成以及陆地 C3 动物光合代谢和水分操纵进行研究。 90 年 代后,碳同位素手艺普遍使用到生态学的各个范畴,由本来的单终身物相成长到 土壤、大气等非生物相以及根系-土壤和叶片-大气等生态界面层(郑兴波等, 2005)。近年来,不变同位素手艺正在动物心理生态学研究,生态系统生态学研究 和全球变化研究等范畴中获得了普遍的使用(例如 Ehleringer et al., 1993 ; Dawson et al., 2002)。本节内容次要引见不变同位素正在气体通量丈量(包罗光合做 用,土壤呼吸和生态系统的碳通量)的使用。 3.3.2 不变同位素手艺正在光合感化中的使用 动物光合感化固定二氧化碳(CO2)改变了动物碳和大气中 CO2 中碳同位素比 率(13C/12C)的变化,是天然界中发生碳同位素分馏的最主要的过程。同位素分馏 过程一是大气 CO2 通过叶片气孔向叶内扩散过程中的动力分馏,二是 CO2 进入 光合轮回合成无机物过程中的动力分馏。光合感化的次要路子(C3、C4 和 CAM) 通过改变 RuBP 羧化酶和 PEP 羧化酶的分歧比例导致碳同位素的大标准的分馏 (+ 30 ~ -6‰) , 从而导致了分歧光合感化路子的动物正在 δ13C 值上具有较着差别。 C3 动物 δ13C 的变化范畴为- 20‰ ~ - 35‰; C4 动物因为动物鞘细胞和叶肉细 胞正在 CO2 过程平分工明白,其光合相关酶的分布取 C3 动物分歧,δ13C 的变化 范畴为- 9‰ ~ - 17‰; CAM 动物 δ13C 的变化范畴为- 10‰ ~ - 22‰。 Bender(1968,1971),Farquhar 等(1989)和 Smith(1971)等最早提出操纵不变 碳同位素手艺区分 C3 动物和 C4 动物。按照 δ13C 值可用来辨别动物的光合感化 路子(OLeary,1981;Farquhar et al.,1989) 。 近年来,跟着不变碳同位素测定手艺的改良和提高,操纵做物不变碳同位素 变化差别来研究做物光合感化路子及要素对光合感化的影响,曾经成为一个 主要的目标和方式(刘微等,2008)。例如,李明财等(2004)通过对青藏高原 东部玛多县境内高寒地域 20 个科、38 个属、62 种动物叶片的不变性碳同位素的 测定表白,供试动物的不变性碳同位素比值(δ13 C)介于- 25.2‰~ - 28.6‰,说 明这 62 种动物均属于 C3 动物;唐海萍和刘书润(2001)对地域 280 余 种动物的不变碳同位素值进行查询拜访取阐发,研究成果发觉此中 82 种是 C4 动物, 198 种是 C3 动物。动物 δ13C 除取其本身的光合感化路子亲近相关外, 还受 的影响。李嘉竹等(2009)通过对贡嘎山东坡 C3 动物碳同位素构成(δ13C) 的系统研究和对 C4 动物分布的初步查询拜访,切磋了 C3 动物 δ13C 正在潮湿下随 海拔的变化纪律,以及要素对其的影响。同时还了 C4 动物正在贡嘎山东 坡随海拔的分布以及节制 C4 动物分布次要因子。刘小宁等(2010)研究了 动物叶片 δ13C 对海拔梯度响应的内正在机理,研究发觉随海拔变化的气压、温度、 降水(湿度) 、光照等因子和动物的叶片厚度、比叶沉 (LMA) 、氮含量、 气孔密度、 气孔导度等生物因子对高山动物 δ13C 的影响感化。 Miglietta 等 (1998) 和 Bednarz 等(1998)通过测定动物体 δ13C 含量研究了前提对光合感化的 影响程度,成果发觉,空气中 CO2 浓度升高和土壤肥力降低均可影响动物的光合 特征。因为 C3、C4 和 CAM 动物对因子有着分歧的需求,分歧光合感化途 径的动物对天气变化、因子以及养分机制的改变都有着分歧的响应,因而明 确分歧动物的光合感化路子正在动物生态学的研究中具有主要意义, 不变同位 素手艺为开展这方面的研究工做供给了一个便当的东西(林等,2005) 。 3.3.3 不变同位素手艺正在土壤呼吸的使用 土壤 CO2 气体是大气 CO2 的主要来历之一,土壤 CO2 气体的含量分布,来历 及其动力过程间接影响着大气 CO2 的浓度变化。土壤呼吸包罗根系呼吸感化、 土壤无机质的氧化感化(土壤异养呼吸和自养呼吸)和凋谢物的分化感化,丈量土 壤呼吸的通量正在第四章的内容论述,但若何区分土壤呼吸 CO2 的分歧组分是当 前手艺和方式的一个难点。跟着现代碳同位素研究手艺的提拔,使用同位从来研 究土壤 CO2 气体呼吸的分歧组分的来历曾经日趋成熟。不变碳同位素法的道理 就是根呼吸收土壤无机质的分化不存正在 CO2 的同位素分馏效应,各自发生 CO2 的 δ13C 值取各自的呼吸底物不异,而光合物、土壤无机质具有分歧的 δ13C 值, 按照各贡献源的 δ13C 值不同能够得出其贡献率。 按照土壤呼吸三种分歧组分 (即 根系呼吸,凋谢物分化和土壤无机质分化)之间同位素的差别,能够运不变用同 位素方式来阐发分歧呼吸成分的碳源。 连系碳和氧同位素, 有如下关系式 (Lin et al., 1999): δ13CR-soil = mδ13CR-root + nδ13CR-litter + (1-m-n) δ13CR-SOM δ18OR-soil = nδ18OR-litter + (1-n) δ18OR-topsoil (2) (3) 式中 δ13CR-soil 是总土壤呼吸 CO2 中 δ13C 值,m 是根系呼吸对总土壤呼吸贡献的 系数,n 是凋谢物分化对总土壤呼吸贡献的系数,(1-m-n) 是土壤无机质分化对 总土壤呼吸贡献的系数,δ13CR-root,δ13CR-root,和 δ13CR-SOM 别离是根系,凋谢物 和土壤无机质 δ13C 值,δ18OR-soil 是总土壤呼吸 CO2 中 δ18O 值,δ18OR-litter 是凋谢 物水中 δ18O 值,δ18OR-topsoil 是上层土壤水中 δ18O 值。 甲烷(CH4)是仅次于二氧化碳的最主要的温室气体,它对全球温室效应的贡 献达 20%。以 100 a 影响标准计,单甲烷的增温效应是二氧化碳的 25 倍。甲 烷排放是湿地土壤中甲烷的发生、氧化以及向大气传输三个过程彼此感化的结 果。目前,不变同位素手艺正在湿地甲烷过程的使用次要包罗:凋谢物和根系 的分化对甲烷发生的贡献和甲烷产活路子的差别阐发等。 根系或者凋谢物的 δ13C 值是决定土壤无机质 δ13C 值的次要要素。Tanner 等(1998)研究表白根系或者 凋谢物的 δ13C 值和土壤无机质 δ13C 值是线性关系。Cheng 等(2010)通过度析 凋谢物,土壤优良机和甲烷中 δ13C 值,发觉 C4 动物互花米草入侵到 C3 动物生 态系统 7 年后改变了土壤无机质的 δ13C 值,但没有改变甲烷中 δ13C 值。甲烷的 发生次要有两个路子:一是乙酸发生甲烷(CH3COOH → CH4 + CO2),二是由 CO2 还原发生甲烷 (CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O) 。 由乙酸路子发生的甲烷 δ13C-CH4 值比力富集(-30 ~ -60‰),由 CO2 还原路子发生甲烷 δ13C-CH4 值比力低 (-60 ~ -110‰),因而测定 δ13C-CH4 能够鉴定甲烷的产活路子(Conrad, 2005)。 3.3.4 不变同位素手艺正在生态系统-大气界面气体通量的使用 生态系统 CO2 互换的净通量取决于光合感化于土壤呼吸, 涡度协方差手艺 是间接丈量生物圈取大气间 CO2,CH4 等气体和水热通量的一种微景象形象学方式, 而不变同位素手艺连系涡度协方差法手艺能将生态系统冠层 CO2 或水的净通量 区分为分歧组分通量。以生态冠层取大气 CO2 互换为例,假设 FN 为净通量,光 合感化 CO2 接收为 FA, 土壤呼吸 CO2 为 FR, δN、δA 和 δR 别离为三者的同位 素构成,按照同位本质量均衡道理: FN = FA + FR FNδN = FAδA + FRδR (4) (5) 因而, 丈量出碳不变同位素参数, 就可以或许计较出通量 FA 和 FR。 例如, Yakir & Wang (1996)通过丈量 CO2 浓度,以及植被,土壤和 CO2 中碳不变同位素的值,将 农田生态系统 CO2 净互换区分为光合感化和呼吸,并量化了光合感化 接收和呼吸分歧程度的削减导致麦田生态系统 CO2 净接收的削减。Bowling et al. (2001)和 Zhang et al.(2006)正在 Yakir & Wang(1996)方式根本上,把群落冠 层光合感化短时间的碳同位素分馏感化考虑进去,成功将生态系统的 CO2 净交 换区分为光合感化和呼吸。 3. 4 基于激光手艺的微量气体通量丈量 近几年新近成长出了基于激光的微量气体丈量仪, 可以或许正在野外丈量 CH4, N2O 以及碳同位素和其他同位素气体。激光能被切确地调试到很窄的波段,从而切确 的丈量一些发射波段偏窄的气体。Campbell Scientific 最早开辟出来的 TGA100, 也被叫做可调试半导体激光(TDL)阐发仪。它的根基道理是操纵可调的红外激 光光源射向被测气体,操纵该气体很是窄的接收波段(~10-4 cm-1), 来丈量被吸 收的激光量取该气体浓度之间的关系,同时操纵已有的对尺度气体的激光接收 量,来读出被测气体的浓度。目前 TGA 的监测频次可达到 10-20 Hz, 丈量精 度可达到 ppb 程度, 因而能够用于涡度相关法系统,丈量很是微量的气体通量, 好比 CH4, N2O 以及同位素通量。 图 3.13 TGA100 (来自 Campbell Scientific) TGA 系统的比力坚苦, 次要需要液氮来降温。 唐剑武课题组当前正操纵 此系统同时监测 CH4, N2O 通量,发觉需要没隔三天添加液氮,所以不变的液氮 供应成为环节一环。 除了 TGA, 新近开辟出来的基于激光的微量气体丈量仪还包罗量子窜联激光 丈量仪(QCL,Aerodyne Research 公司) ,Los Gatos Research 公司的 N2O/CO 丈量仪,以及 Picarro 公司的 N2O 丈量仪。这些新一代的激光丈量仪不需要液氮 制冷,所以极大地降低了系统的成本和时间。可是到 2011 年,这些仪器还 处于系统调试阶段,没有大规模上市。 小结 本章引见的红外气体阐发法测定动物叶片取大气界面气体通量、 涡度协方差 法测定生态系统取大气界面的气体通量, 以及不变同位素手艺正在气体通量测定中 的使用, 并简要引见了一种新兴的气体通量测定手艺——激光手艺。这些方式是 目前正在陆地生态学研究中的通用方式或手艺,并且商品化的产物曾经比力成熟。 若是受研究前提的或研究目标、对象的特殊性,仍然能够考虑其他的研究方 法,好比用叶干沉法或氧电极法估算动物的光合感化速度;用空气动力学方式、 能量均衡/波文比法以及前提取样法估算生态系统碳、程度衡等。 参考文献 Baldocchi D D, Falge E, Gu L H, Olson R, Hollinger D, Running S, Anthoni P, Bernhofer C, Davis K, Evans R, Fuentes J, Goldstein A, Katul G, Law B, Lee X H, Malhi Y, Meyers T, Munger W, Oechel W, Paw U K T, Pilegaard K, Schmid H P, Valentini R, Verma S, Vesala T, Wilson K, and Wofsy S. 2001. FLUXNET: A new tool to study the temporal and spatial variability of ecosystem-scale carbon dioxide, water vapor, and energy flux densities. Bulletin of the American Meteorological Society, 82: 2415-2434. Bender M M.1968. Mass spectrometric studies of carbon-13 variation in corn and other grasses.Radiocarbon, 10: 468-472. Bender M M.1971.Variation in the 13 C/12C ratios of plants to the pathway of carbon dioxide fixation.Phytochemistry, 10: 1239-1244. Bowling D R, Tans P P, Monson R K. 2001. Partitioning net ecosystem carbon exchange with isotopic fluxes of CO2. Global Change Biology 7: 127–145 Cheng X, Luo Y, Xu, Q, Lin, G, Zhang, Q, Li B. 2010. Seasonal variation in CH4 emission and its 13 C-isotopic signature from Spartina alterniflora and Scirpus mariqueter soils on a growing estuarine island. Plant and Soil, 327: 85-94. Conrad R. 2005. Quantification of methanogenic pathways using stable carbon isotopic signatures: a review and a proposal. Chemical Geology, 36:739–752 Dawson T E, Mambelli S, Plamboeck A H, Templer P H, Tu K P .2002.Stable isotopes in plant ecology. Annual Review of Ecology and Systematics, 33:507-559. Ehleringer J R.1993.Variation in leaf carbon isotope discrimination in Encelia rinose:implications for growth,competition ,and drought survival. Oecologia, 95:340-346. Farquhar G D, Ehleringer J R, Hubick K T.1989.Carbon isotope discrimination and photosynthesis. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 40:503-537. Lin G, Ehleringer J R, Rygiewicz P T, Johnson M G, Tingey D T. 1999. Elevated CO2 and temperature impacts on different components of soil CO2 efflux in Douglas-fir terracosms. Global Change Biology 5, 157– categories of 13C/12C ratios for higher plants. Plant Physiology, 47: 380-384. Tanner B D, Swiatek E, and Greene J P. 1993. Density fluctuations and use of the krypton hygrometer in suce flux measurements. In: Allen R G. Management of irrigation and drainage systems: integrated perspectives. New York, American Society of Civil Engineers: 945-952. Tanner C C, Sukias J P S, Upsdell M P. 1998. Organic matter accumulation during maturation of gravel bed constructed wetlands treating rm dairy wastewaters. Water Research, 32: 3046-3054. Wilson K B, Goldstein A, Falge E, Aubinet M, Baldocchi D, Berbigier P, Bernhofer C, Ceulemans R, Dolman H, Field C, Grelle A, Ibrom A, Law B E, Kowalski A, Meyers T, Moncrieff J, Monson R, Oechel W, Tenhunen J, Valentini R, Verma S. 2002. Energy balance closure at FLUXNET sites. Agricultural and Forest Meteorology, 113: 223-243. Yakir D, Wang X F. 1996. Fluxes of CO2 and water between terrestrial vegetation and the atmosphere estimated from isotope measurement. Nature, 380: 515-517. Zhang J, Griffis T J, Baker J M. 2006. Using continuous stable isotope measurements to partition net ecosystem CO2 exchange. Plant, Cell and Environment, 29, 483-496. 陈吉泉, 李博, 马志军, 赵斌. 2005. 生态学家面对的挑和——问题取路子. :高档教育 出书社. 李嘉竹,王国安,刘贤赵,韩家懋,刘敏,柳晓娟. 2009. 贡嘎山东坡 C3 动物碳同位素构成及 C4 动物分布沿海拔高度的变化.中国科学, 10: 1387-1396. 李明财,易现,李来兴,张晓爱. 2004. 基于不变碳同位素手艺研究青藏高原东部高寒区植被 的光合型. 西部动物学报, 29: 1052-1056. 林, 黄建辉, 陈世平. 2005. 生态学中的不变同位素手艺. 正在 陈吉泉, 李博, 马志军, 赵 斌. 生态学家面对的挑和——问题取路子. :高档教育出书社. 刘微,吕豪豪,陈英旭,吴伟祥. 2008. 不变碳同位素手艺正在土壤-动物系统碳轮回中的使用. 使用生态学报,19: 674-680. , 唐海萍 , 刘书润 .2001. 地域的 C4 动物名录 . 大学学报(天然科学版) 32:431-438. 于贵瑞, 孙晓敏. 2008. 中国陆地生态系统碳通量不雅测手艺及时空变化特征. :科学出书 社. 于贵瑞. 2006. 陆地生态系统通量不雅测的道理取方式. :高档教育出书社. 郑兴波, 张岩, 顾广红. 2005. 碳同位素手艺正在丛林生态系统碳轮回研究中的使用. 生态学 , 24: 1334-1338.