箱式法技術(shù)

生態(tài)系統(tǒng)碳氮水交換研究不僅可用于精確測定生態(tài)系統(tǒng)的碳氮水收支，而且有助于改善區(qū)域和的碳循環(huán)、氮循環(huán)、水平衡模型以及預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)對變化的響應(yīng)和適應(yīng)，監(jiān)測碳氮源、匯的變化，為評估生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力及物質(zhì)通量變化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

       生態(tài)系統(tǒng)碳交換測量方法有三種：渦度相關(guān)（(eddy covariance)）、測樹學(xué)(biometry)和箱式法(chamber methods)。渦度相關(guān)法可連續(xù)、直接地測定生態(tài)系統(tǒng)尺度的凈碳交換，但不能直接區(qū)分總初級生產(chǎn)（GPP）和生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re），且場地要求嚴(yán)格，在某些氣象條件和時間段不可用。

箱式法作為一種簡單、快捷的觀測手段，通過遮光、排除植物或其地上部分等實驗手段，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。

大量的研究發(fā)現(xiàn)渦度相關(guān)法、測樹學(xué)法和箱式法在測量生態(tài)系統(tǒng)碳收支時結(jié)果差異很大。例如東北林大王興昌團(tuán)隊通過分析文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)EC法測定的NEP平均比測樹學(xué)法高25%，而EC法測定的的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，在同樣的尺度上對比研究，成為探究三種測量技術(shù)結(jié)果差異的途徑之一。

箱式法尺度

王迎紅等通過長期野外觀測土壤溫室氣體的實驗得出，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)宜使用65 cm × 65 cm × 90 cm的中大型采樣箱，草地生態(tài)系統(tǒng)宜采用40 cm × 40 cm × 25 cm的中型采樣箱[1]，生態(tài)系統(tǒng)的交換需要比觀測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結(jié)果隨機(jī)誤差大、時間代表性差的問題，后來出現(xiàn)了自動開閉的自動箱。

自動箱有2種，一種測量時覆蓋地表，測量完成后自動移動到側(cè)面，對測點無遮擋，但這種自動箱面積小、高度低，一般只能用于測量裸地的土壤呼吸，測量覆地的草本生態(tài)系統(tǒng)時因面積小代表性差。另外一種是帶框架的自動箱，不測量時無法打開，會影響測量點的氣體擴(kuò)散，影響測量精度。

自動箱底面積小、高度低 

帶框架的自動箱 無法打開(圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

iChamber 群落自動箱是澳作公司擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、自主研發(fā)、國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品，集六項設(shè)計于一體，無二的無框架、無立柱設(shè)計，高度隨植物生長可調(diào)、面積可達(dá)1平米、高度2米，可用于生態(tài)系統(tǒng)碳交換在線測量。

 S120型iChamber面積1M2（直徑1.2M），高度2.0米，可測量灌木、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)。

凈交換通量在線測量模式

 箱式法測量交換量有穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)2種測量模式[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，一般用于測量土壤呼吸；非穩(wěn)態(tài)測量技術(shù)通過單位時間內(nèi)透明箱內(nèi)氣體濃度變化計算凈交換量。

因箱效應(yīng)對測量精度的影響隨著箱體高度增大可明顯降低，所以在線測量凈交換量要采用面積大的高箱體。

 iChamber生態(tài)系統(tǒng)碳氮水交換在線測量系統(tǒng)在傳統(tǒng)的自動箱技術(shù)上，進(jìn)行了如下改進(jìn)：

箱體高度超過冠層

測量時，箱體自動升高，可達(dá)2米，可超過植被冠層，測量結(jié)束后，箱體高度自動下降。未測量時，測點和大田微氣候條件一致，箱體不改變測點的環(huán)境因子，無需象靜態(tài)箱法定期更換測量地點。

箱體高透光，直接測量凈交換量

透明箱體采用高透光率材料，測量時不影響植被的光合過程。也可選用非透明箱體只測量呼吸過程。因iChamber生態(tài)系統(tǒng)碳氮水交換在線測量系統(tǒng)可全時、自動測量，透明箱體可在夜間自動測量呼吸過程，確保觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

同步測量多種物質(zhì)

改變了過去觀測物質(zhì)種類單一、缺乏多種物質(zhì)組分集成觀測的情況，一臺分析儀同步測量CO_2、 N₂O、CH₄、H₂O、¹³C-CO₂、¹⁸O-CO₂ 六參數(shù)，可識別不同物質(zhì)排放過程之間的協(xié)同或消長關(guān)系。

高頻連續(xù)測量，測量精度高

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

數(shù)據(jù)記錄存儲

對箱體內(nèi)外的空氣溫濕度、土壤溫度、水分、光合有效輻射同步測量、記錄，用于交換通量校正計算和影響機(jī)制闡明。

參考文獻(xiàn)

1 王迎紅. 陸地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放觀測方法研究、應(yīng)用及結(jié)果比對分析[D]. 北京: 大氣物理研究所, 2005 [Wang YH. Chamber method measurement of greenhouse gas emissions from typical terrestrial ecosystems of China: method research, application and results discussion [D]. Beijing: Institute of atmospheric physics, Chinese Academy of Science, 2005]

2 溫學(xué)發(fā). 箱式通量觀測技術(shù)和方法的理論假設(shè)及其應(yīng)用進(jìn)展. ChinaFLUX第十四次通量觀測理論與技術(shù)培訓(xùn)