一種測定樹干呼吸及其¹³C的裝置和方法

一種測定樹干呼吸及其¹³C的裝置和方法
【專利摘要】本發明提出一種測定樹干呼吸及其13C的裝置，包括空氣吸入管路、二氧化碳過濾器、樹干氣室和碳同位素分析儀；所述樹干氣室的外形為長方體，長方體的頂面和底面中間開有供樹干穿過的圓形區域；樹干氣室相對的兩個側壁上各開有一個氣孔；所述二氧化碳過濾器的進氣孔連接所述空氣吸入管路，二氧化碳過濾器的出氣孔連接樹干氣室的一個氣孔，所述樹干氣室的另一個氣孔通過氣路管線連接所述碳同位素分析儀。采用本發明提出的裝置，可同時測定樹干呼吸產生的二氧化碳濃度值及其碳同位素的值，可以更為準確的表達兩者之間的函數關系。
【專利說明】
一種測定樹干呼吸及其13c的裝置和方法
技術領域
[0001] 本發明屬于分析測試領域，具體涉及一種利用同位素分析測定樹木呼吸的裝置和 方法。
【背景技術】
[0002] 樹干呼吸是森林生態系統碳循環的重要組成部分，約占森林生態系統總呼吸的12 ~42%。隨著近十幾年來經濟的高速發展，全球二氧化碳濃度以每年1.38-3.05ppm的速度 增加，作為全球碳循環的重要組成部分，樹干呼吸也已經成為研究熱點。目前區分生態系統 呼吸的方法很多，第一種是渦度相關技術與箱式法相結合，分別測定生態系統呼吸和土壤 呼吸，實現組分區分，但此種方法包含誤差較大，且箱式法測得土壤呼吸具有較大局限性， 箱式法所得土壤呼吸數據包括了自養呼吸和異養呼吸兩類，不能進一步進行區分;第二種 方法是渦度相關技術與森林調查中獲得的生態系統凈初級生產力相結合，分別估算自養呼 吸和異養呼吸，但是此類方法中，森林調查不僅費時費力，并且其時間尺度與測量精度與渦 度相關技術不一致，難以實現連續觀測，同時誤差較大;第三種方法是渦度相關技術與同位 素技術相結合，利用渦度相關技術測得生態呼吸值，同時利用穩定同位素技術測得生態系 統中各組分所占比例，根據比例對生態系統呼吸進行拆分，此種方法時間精度較高，數據準 確性也較好，為生態呼吸組分拆分提供了新的技術途徑。
[0003] 同位素技術在我國起步較晚，利用同位素技術對樹干呼吸研究較少，目前測量樹 干呼吸及其同位素多為分別測定，即使用一種方法測定樹干呼吸，同時對樹干進行取樣，分 析其同位素組成。
[0004] 目前樹干呼吸的方法較多，早期對于樹干呼吸的研究多采用離體測定方法，其原 理為從目標樹木上截取樣本，將其放置于二氧化碳測量裝置中，定時觀測其二氧化碳濃度 變化，以計算樣本呼吸通量。該方法優點為：隨取樣的部位及深度不同，可定量區分樹干不 同部位的呼吸通量，但是若取樣量不夠測定精度難以控制；同時，離體測定時，對植物活性 不可避免會造成影響，使研究結果產生誤差。目前測定樹干呼吸的一般性方法為采用紅外 線二氧化碳分析儀，比如改造使用Li-Cor6400便攜式光合作用測定儀或者Li-CorSlOO 土壤 呼吸測定儀，使其適用于測定樹干呼吸。該方法簡便易行，并且對樹木沒有損傷，適合野外 長期觀測。
[0005] 目前測定樹干同位素有兩種方法，一是離體觀測:對樹干韌皮部組織進行取樣，冷 凍保存，在實驗室進行處理，測得其可溶性糖中的 13C值，以此表征瞬時產生的二氧化碳;或 對木質部組織進行取樣，烘干處理，測得其干物質中的13C值，以此表征長期呼吸中的二氧化 碳，此類方法均以呼吸作用不會產生同位素分餾為前提，所測同位素值實際為光合作用產 生并運輸至樹干中的 13C值，同時離體測量將不可避免的對植物生理特征造成影響。第二種 方法是對樹干呼吸產生氣體進行收集采樣，在實驗室中分析其 13C值，以此表征收集氣體時 間段內其13C值，此方法是對樹干呼吸二氧化碳中同位素值的直接測定，結果較為準確，但是 在收集過程中容易產生誤差，對操作人員要求較高。
[0006] 綜上所述，目前樹干呼吸及其同位素研究較少，協同測定方法尚屬于空白階段，本 發明要解決的技術問題是，提供一種高時間精度下，協同測定樹干呼吸及其同位素組成的 裝置和方法。

【發明內容】

[0007] 針對現有技術存在的不足之處，本發明的目的是提出一種測定樹干呼吸及碳同位 素的裝置。
[0008] 本發明另一目的是提出一種測定樹干呼吸及碳同位素的方法。
[0009] 實現本發明上述目的的技術方案為：
[001 0] -種測定樹干呼吸及其13c的裝置，包括空氣吸入管路、二氧化碳過濾器、樹干氣室 和碳同位素分析儀；
[0011] 所述樹干氣室的外形為長方體，長方體的頂面和底面中間開有供樹干穿過的圓形 區域;樹干氣室相對的兩個側壁上各開有一個氣孔;所述二氧化碳過濾器的進氣孔連接所 述空氣吸入管路，二氧化碳過濾器的出氣孔連接樹干氣室的一個氣孔，所述樹干氣室的另 一個氣孔通過氣路管線連接所述碳同位素分析儀。
[0012] 其中，所述二氧化碳過濾器內填充有鈉石灰;所述空氣吸入管路為Teflon材料制 成。
[0013] 鈉石灰又稱堿石灰，是常用的干燥劑，此處填充于二氧化碳過濾器內，將空氣中的 二氧化碳吸收，保證進入樹干氣室的氣體不含有空氣中帶入的二氧化碳。空氣吸入管路的 Teflon材料既可以防腐，又不會帶入雜質。
[0014] 其中，所述樹干氣室的二個氣孔分別用于進氣和出氣，用于進氣的氣孔位于樹干 氣室一面側壁底部，用于出氣的氣孔位于相對的側壁頂部，兩個氣孔的間距最遠（即，位于 樹干氣室的對角線上）。
[0015] 其中，所述樹干氣室由形狀相同的兩個半室組合而成，組合的方式為用螺栓、夾板 緊固，兩個半室接觸的部位涂有粘接劑。
[0016] 本研究中，內置栗抽取氣體樣本速率為800ml/min，每個氣室抽氣5分鐘，故總共可 抽取4000cm 3氣體，若要連續觀測，需保證每次抽樣將氣室內C02氣體排凈，在下次采樣時，才 能保證均為新產生的C0 2氣體。
[0017] 進一步地，所述的樹干氣室高20~40cm，底邊為方形，其邊長大于目標樹直徑，氣 室套住樹干后，樹干和樹干氣室圍設的空間體積為2000~3000cm 3。
[0018] 進一步地，所述氣路管線上設置有水汽干燥器和濾塵塞，所述水汽干燥器內填充 有無水氯化鈣。
[0019] 其中，所述碳同位素分析儀設置有多路器，所述氣路管線通過多路器連接所述碳 同位素分析儀;所述碳同位素分析儀通過多路器還連接有2個標準氣瓶。
[0020] 其中，所述碳同位素分析儀采用光腔衰蕩光譜技術測量氣體樣品。例如LGR公司產 CCIA-36d-EP型同位素分析儀、Picarro公司產G2101-I型C02同位素分析儀等。
[0021] 使用光譜技術測定樣品內碳同位素比率的方法相較于同位素質譜分析技術，光譜 法大大提高了測量的時間精度，以及極大的降低了測定成本，使高時間精度下的連續觀測 成為了可能。
[0022] -種測定樹干呼吸及其13C的方法，采用本發明所述的裝置，包括步驟：
[0023] 1)樹干氣室固定在樹干上，樹干氣室與樹干接觸的地方涂以粘接劑，樹干氣室的 高度為所測樹木胸徑處，氣室中心距地面1.2~1.7米；
[0024] 同時，選取目標樹時盡量選擇胸徑處平滑、無傷痕樹干通直的樹木，便于求得樹干 呼吸面積，計算樹干呼吸速率，減小誤差。
[0025] 2)測定開始前，檢查二氧化碳過濾器中，鈉石灰試劑有無變色反應(鈉石灰變色說 明已吸收足量二氧化碳，為保證實驗精確，需更換新的鈉石灰試劑）；檢查水汽過濾系統中， 無水氯化鈣試劑有無變色反應，若變色，則需及時更換；
[0026] 3)開啟碳同位素分析儀，用標準氣體校準；
[0027] 4)測定前，檢查設備運行正常且密閉連接，打開二氧化碳測量裝置，使系統內空氣 流動，排除樹干氣室內部剩余空氣所造成的誤差，此時不收集數據，待碳同位素分析儀顯示 的數據穩定(表示氣室內原有氣體排凈后），開始測定氣室里的二氧化碳濃度，獲得樹干呼 吸及其同位素值的相關數據。
[0028] 所述標準氣體的選擇可以為：標準氣體為⑶2體積濃度398.6ppm、13C同位素比率 (S13C值)為13 · 27%〇，和C02體積濃度396 · 6ppm、13C同位素比率(δ13(：值)為29 · 66%〇兩種。
[0029]其中，對樹干氣室內的氣體測定利用多路器，測定1~6根樹干上的1~6個樹干氣 室內的氣體，每個氣室測定時間為5分鐘，其中前2分鐘用于穩定氣路，對后3分鐘的測定進 行記錄，完成一輪測定后用標準氣體進行一次校準。
[0030] 本發明的有益效果在于：
[0031] 采用本發明提出的裝置，可同時測定樹干呼吸速率及其碳同位素的值，可以更為 準確的表達兩者之間的函數關系。
[0032] 本發明裝置所設置的呼吸氣室，不僅保證了樹干呼吸組織的活性，同時隔離空氣， 裝置所測二氧化碳通量均為氣室內樹干呼吸產生，極大的減小誤差，有利于更精確的研究 樹干呼吸變化。
[0033] 將呼吸氣室設計為透明箱體，可以對被測部分樹干的生理特征進行觀測，以防產 生誤差影響結果。
[0034] 本發明裝置，采用基于光譜技術的LGR二氧化碳測量儀，可進行實時觀測，時間精 度最高可到秒，進行極大地提升了觀測頻度，對樹干呼吸通量的實時變化進行觀測研究。
[0035] 本發明所公開的方法，操作簡單，適合野外長期觀測，且均為儀器自動觀測，極大 的節省人力物力。
[0036] 若同時應用多路器，更可以同時測量多株樹木，進一步提高測定森林生態系統樹 木樹干呼吸通量的準確度。
【附圖說明】
[0037]圖1為本發明裝置的設置示意圖。
[0038] 圖2為本發明裝置的樹干氣室示意圖。
[0039] 圖3為本發明裝置的二氧化碳過濾器示意圖。
[0040] 圖中，1為空氣吸入管路，2為二氧化碳過濾器，3為氣孔，4為樹干氣室，5為水汽干 燥器，6為濾塵塞，7為多路器，8為多路器管線，9為同位素分析儀，10為測定標準木。
【具體實施方式】
[0041] 現以以下最佳實施例來說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。實施例中，如無 特殊說明，所使用的設備和方法均為所屬領域常規的設備和方法。
[0042] 實施例中，所用同位素分析儀為LGR公司產CCIA-36d-EP型同位素分析儀。
[0043] 實施例1:
[0044]以下以對一個測定標準木的樹干呼吸和13C測定為例來說明本發明。
[0045] 本研究實驗樣地位于北京林業大學實驗林場，選取20m X 20m側柏純林標準樣地， 林分密度為1500株每畝，平均胸徑14.6cm，平均樹高8.6m，樹干氣室安置于目標樹胸徑處， 在樣地內選取目標樹6棵，分別測定其胸徑，按其胸徑大小定制樹干氣室，確保氣室其氣體 空間體積低于3000cm 3 〇
[0046]如圖1，設置測定樹干呼吸及其13C的裝置，包括空氣吸入管路1、二氧化碳過濾器2、 樹干氣室4和碳同位素分析儀9;
[0047]如圖2和圖3,樹干氣室4的外形為長方體，高20cm，地面為正方形、邊長大于樹木胸 徑;長方體的頂面和底面中間開有供樹干穿過的圓形區域;樹干氣室相對的兩個側壁上各 開有一個氣孔3;二氧化碳過濾器2的進氣孔連接空氣吸入管路1，二氧化碳過濾器的出氣孔 連接樹干氣室的一個氣孔，所述樹干氣室的另一個氣孔通過氣路管線連接所述碳同位素分 析儀。樹干氣室的二個氣孔分別用于進氣和出氣，用于進氣的氣孔位于樹干氣室一面側壁 底部，用于出氣的氣孔位于相對的側壁頂部，兩個氣孔的間距最遠。氣路管線上設置有水汽 干燥器5和濾塵塞6，所述水汽干燥器內填充有無水氯化鈣。
[0048]其中，二氧化碳過濾器內填充有鈉石灰;所述空氣吸入管路為Teflon材料制成。樹 干氣室是將兩個半室套在測定標準木10的樹干外，用螺栓、夾板緊固，兩個半室接觸的部位 涂有玻璃膠。樹干氣室與樹干接觸的地方也涂有玻璃膠。
[0049] 樹干氣室底邊為20cm正方形，高20cm。對于胸徑為17.9cm的標準木，氣室內氣體空 間體積為2967.0cm3。樣地內各樹木安裝氣室后圍設的空間體積在2000~3000cm3之間。
[0050] 所述碳同位素分析儀設置有多路器7,所述氣路管線通過多路器連接所述碳同位 素分析儀;多路器管線8連接有2個標準氣瓶。多路器管線8還可連接6個樹干呼吸測試裝置。
[0051] 測定開始前，檢查二氧化碳過濾器中，鈉石灰試劑有無變色反應;檢查水汽過濾系 統中，無水氯化鈣試劑有無變色反應，若變色，則需及時更換；
[0052]開啟碳同位素分析儀，用標準氣體校準，所述標準氣體為⑶2體積濃度398.6ppm、 13C同位素比率（δ13(：值）為13.27%。，和〇)2體積濃度396.6??111、 13(：同位素比率013(：值）為 29.66%。兩種;測定前，檢查設備運行正常且密閉連接，打開二氧化碳測量裝置，使系統內空 氣流動，排除氣室內部剩余空氣所造成的誤差，此時不收集數據，待氣室內原有氣體排凈后 (數據顯示穩定)記錄數據，利用碳同位素測量系統測定氣室里的二氧化碳濃度獲得樹干呼 吸及其同位素值的相關數據。利用多路器，分別測定不同樹干氣室內的氣體，每個氣室測定 時間為5分鐘，其中前2分鐘用于穩定氣路，對后3分鐘的測定進行記錄，完成一輪測定后用 標準氣體進行一次校準。本研究采用LGR公司產8通道多路器，為保證測量準確性，除去標定 碳同位素儀使用2通道外，其余6通道均接入樹干氣室進行測量。6組數據區平均值。
[0053]樹干呼吸速率的計算
[0054] 本研究中，樹木安裝氣室后圍設的空間體積在2000~3000cm3之間。以標準木10為 例，其樹干氣室體積V=(1 2-jtR2) · h=(202-3Tl7.92) · 20 = 2967.0cm3，LGR內置栗進氣速率 為800ml/min，每個氣室進樣時間為5分鐘，因此，每次測定的進樣體積大于樹干氣室體積， 樹干呼吸二氧化碳不會在氣室內殘留，滿足連續觀測條件。
[0055]所得數據如表1所示。
[0056]表1:樹干呼吸數據 [0057]
[0058]以上的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進 行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通工程技術人員對本發明的技術方 案作出的各種變型和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種測定樹干呼吸及其13c的裝置，其特征在于，包括空氣吸入管路、二氧化碳過濾 器、樹干氣室和碳同位素分析儀； 所述樹干氣室的外形為長方體，長方體的頂面和底面中間開有供樹干穿過的圓形區 域;樹干氣室相對的兩個側壁上各開有一個氣孔;所述二氧化碳過濾器的進氣孔連接所述 空氣吸入管路，二氧化碳過濾器的出氣孔連接樹干氣室的一個氣孔，所述樹干氣室的另一 個氣孔通過氣路管線連接所述碳同位素分析儀。2. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述樹干氣室的二個氣孔分別用于進氣和 出氣，用于進氣的氣孔位于樹干氣室一面側壁底部，用于出氣的氣孔位于相對的側壁頂部， 兩個氣孔的間距最遠。3. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述樹干氣室由形狀相同的兩個半室組合 而成，組合的方式為用螺栓、夾板緊固，兩個半室接觸的部位涂有粘接劑。4. 根據權利要求3所述測定樹干呼吸及碳同位素的裝置，其特征在于，所述的樹干氣室 高20~40cm，底面為方形，其邊長大于目標樹干直徑，氣室套住樹干后，樹干和樹干氣室圍 設的空間體積為2000~3000cm 3 〇5. 根據權利要求1~4任一所述測定樹干呼吸及碳同位素的裝置，其特征在于，所述二 氧化碳過濾器內填充有鈉石灰;所述空氣吸入管路為Teflon材料制成;所述氣路管線上設 置有水汽干燥器和濾塵塞，所述水汽干燥器內填充有無水氯化鈣。6. 根據權利要求1~4任一所述測定樹干呼吸及碳同位素的裝置，其特征在于，所述碳 同位素分析儀設置有多路器，所述氣路管線通過多路器連接所述碳同位素分析儀;所述碳 同位素分析儀通過多路器還連接有2個標準氣瓶。7. 根據權利要求1~4任一所述的裝置，其特征在于，所述碳同位素分析儀采用光腔衰 蕩光譜技術測量氣體樣品。8. -種測定樹干呼吸及其13C的方法，采用權利要求1~7任一所述的裝置，其特征在于， 包括步驟： 1) 樹干氣室固定在樹干上，樹干氣室與樹干接觸的地方涂以粘接劑，樹干氣室的高度 為所測樹木胸徑處，氣室中心距地面1.2~1.7米； 2) 測定開始前，檢查二氧化碳過濾器中，鈉石灰試劑有無變色反應;檢查水汽過濾系統 中，無水氯化鈣試劑有無變色反應，若變色，則需及時更換； 3) 開啟碳同位素分析儀，用標準氣體校準； 4) 測定前，檢查設備運行正常且密閉連接，打開二氧化碳測量裝置，使系統內空氣流 動，排除樹干氣室內部剩余空氣所造成的誤差，此時不收集數據，待碳同位素分析儀顯示的 數據穩定，開始測定氣室里的二氧化碳濃度，獲得樹干呼吸及其同位素值的相關數據。9. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述標準氣體為C02體積濃度398.6ppm、13C同 位素比率為13.27%。，和C0 2體積濃度396.6ppm、13C同位素比率為29.66%。兩種。10. 如權利要求8或9所述的方法，其特征在于，利用多路器，測定1~6根樹干上1~6個 樹干氣室內的氣體，每個氣室測定時間為5分鐘，其中前2分鐘用于穩定氣路，對后3分鐘的 測定進行記錄，完成一輪測定后用標準氣體進行一次校準。
【文檔編號】G01N33/00GK105973817SQ201610306271
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】余新曉, 李瀚之, 賈國棟, 孫佳美, 路偉偉, 劉自強, 徐曉梧
【申請人】北京林業大學