PRI-8600D雙循環(huán)復(fù)路系統(tǒng)在土壤呼吸測量方面的應(yīng)用

瀏覽次數(shù)：908　發(fā)布日期：2024-3-4　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

土壤呼吸中¹³C的天然豐度可以為研究土壤-植物大氣圈系統(tǒng)中的碳動力學(xué)提供有力的工具，并對大氣δ¹³C產(chǎn)生很大影響，因?yàn)樗沁M(jìn)入大氣的最大CO₂通量之一。大氣δ¹³C可以進(jìn)一步反映陸地生態(tài)系統(tǒng)的分餾，為生物圈-大氣CO₂交換提供有價(jià)值的示蹤劑。此外，使用穩(wěn)定同位素¹³C作為示蹤劑是劃分土壤呼吸成分的極好方法，因?yàn)樗梢栽趯ν寥拉h(huán)境干擾最小的情況下識別釋放的CO₂的來源。如果由于缺乏δs數(shù)據(jù)而導(dǎo)致陸地呼吸的同位素組成參數(shù)化不正確，基于呼吸過程中陸地同位素分餾常數(shù)的生態(tài)系統(tǒng)和全球碳循環(huán)模型可能會給出不正確的結(jié)果。在現(xiàn)有的δs研究中，最常用的方法是使用靜態(tài)封閉土壤室，在選定的時(shí)間間隔從中收集空氣樣本，并通過同位素比質(zhì)譜儀測定進(jìn)行后分析。在這些實(shí)驗(yàn)中，樣品采集的頻率固有地受到燒瓶采集和離線質(zhì)譜分析所需的時(shí)間和精力的限制。因此，最佳測量時(shí)間對于獲得日、月或年平均δs非常重要。

基于此，中國科學(xué)院地理科學(xué)與自然資源研究所溫學(xué)發(fā)等研究人員采用非穩(wěn)態(tài)條件下在線連續(xù)多通道雙循環(huán)觀測系統(tǒng)，在中國西北的灌溉玉米生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行了Rs和δs的原位連續(xù)測量。研究過程中，基于連續(xù)和高頻（1Hz）測量，研究Rs和δs在日、月和季節(jié)時(shí)間尺度上的最佳測量時(shí)間，量化Rs和Δs的最佳測量頻率，以在季節(jié)時(shí)間尺度下達(dá)到一定的準(zhǔn)確度（±10%、±20%或±30%）。從而評估生長季節(jié)土壤呼吸CO₂（Rs）及其δ¹³C（δs）值以及土壤溫度（ST）和土壤含水量（SWC）的最佳測量時(shí)間和頻率。

研究發(fā)現(xiàn)，盡管在生長季節(jié)，Rs和δs通常隨著非生物和生物因素的變化而表現(xiàn)出明顯的日變化和季節(jié)變化，但在9:00–10:00或此時(shí)（如9:00–11:00）的窗口中測得的Rs和Δs通常與日平均值沒有顯著差異。因此，如果研究人員無法直接測量晝夜模式，建議將這些時(shí)間尺度作為氣候和植物類型相似地區(qū)的最佳測量時(shí)間。這項(xiàng)研究的結(jié)果為未來在其他灌溉農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中使用非連續(xù)測量提供了指導(dǎo)，可用于選擇最佳測量時(shí)間并在保證一定精度的同時(shí)降低測量頻率。

試驗(yàn)方案及設(shè)備

下圖是整套系統(tǒng)的示意圖。整個(gè)方案由1）分析模塊；2）采樣模塊；3）控制模塊和4）校準(zhǔn)模塊構(gòu)成。整體采用多通道雙循環(huán)的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)待測氣體既能快速周轉(zhuǎn)，又能互不干擾，并且將死體積降至最低水平。下圖中藍(lán)色線條代表的氣路循環(huán)為整套系統(tǒng)的大循環(huán)，氣體在呼吸室和控制系統(tǒng)內(nèi)快速循環(huán)，能實(shí)時(shí)反饋氣體濃度的變化。黃色線條代表的氣路循環(huán)為小循環(huán)，從大循環(huán)中取分析儀需要的氣體流量進(jìn)行分析檢測，測試完成的氣體再次送回循環(huán)氣路。

原位多通道雙循環(huán)觀測系統(tǒng)示意圖
（std1, std2, std3：標(biāo)準(zhǔn)氣體；MV：3通電磁閥；OF：溢流；V：流量控制閥；P：KNF泵；F：過濾器）

1、降低每一個(gè)呼吸室的關(guān)閉速度，最大限度減少呼吸室蓋緊過程因空氣下壓產(chǎn)生的土壤呼吸測量的不確定性，保證數(shù)據(jù)測量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

2、縮短每個(gè)循環(huán)周期的測量時(shí)間，尤其有利于土壤呼吸通量較低需要延長單個(gè)呼吸室測量時(shí)間，以及單次循環(huán)土壤呼吸室較多的情況。

3、有利于提高流速較慢分析儀的響應(yīng)時(shí)間。

4、雙泵交替工作有利于延長泵的使用壽命。

土壤空間異質(zhì)性強(qiáng)，即便是同一區(qū)塊相同土壤類型的土壤呼吸，其通量差異性也非常大�？茖W(xué)家在進(jìn)行土壤呼吸研究時(shí)，通常需要在空間、時(shí)間和氣體種類上進(jìn)行多維度的組合研究，才能更好地解釋土壤呼吸的內(nèi)在機(jī)制。基于此，普瑞億科研發(fā)了PRI-8600D 多通道土壤呼吸（群落光合）測量系統(tǒng)，能為上述研究提供時(shí)間順序上、不同位點(diǎn)土壤呼吸循環(huán)測量解決方案。

PRI-8600D雙循環(huán)復(fù)路系統(tǒng)是普瑞億科潛心研發(fā)多年的土壤呼吸測量多路系統(tǒng)，具有發(fā)明專利（專利號：ZL201710784488.5），并在科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目支持下，于2023年完成最新一輪的升級。升級完成后，相對其他廠家的同類產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢：

1）具有雙循環(huán)氣路設(shè)計(jì)：設(shè)有奇數(shù)組和偶數(shù)組兩個(gè)分組，每組均包含1個(gè)一體化的匯流排和1一個(gè)循環(huán)泵，并通過電磁閥組連接在一起交替為分析儀主機(jī)提供氣源。兩組復(fù)路系統(tǒng)交替工作，在前一個(gè)呼吸室測量結(jié)束前，次一個(gè)呼吸室開始工作，并在前一個(gè)呼吸室測量結(jié)束時(shí)，切入第二個(gè)呼吸室進(jìn)行測量。

2）升級高度集成的采集匯流排、雙路雙循環(huán)匯流排、標(biāo)樣匯流排，極大的減少了分析氣路的“死體積”；而模塊化的設(shè)計(jì)也大大降低了氣路泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，保證了測量結(jié)果穩(wěn)定可靠。

3）升級每個(gè)通道內(nèi)置的過濾器材質(zhì)為SUS304，提高了整機(jī)的氣密性和穩(wěn)定性，保障了整套系統(tǒng)能靠運(yùn)行。

4）升級工業(yè)級電控邏輯板，即使在極端的工況下，設(shè)備也能穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。MODBUS RTU的RS485通訊為客戶大范圍遠(yuǎn)距離應(yīng)用提供了可能。

5）具有三路標(biāo)準(zhǔn)氣接口，這可以實(shí)現(xiàn)高校準(zhǔn)頻率需要的分析儀時(shí)間在線校準(zhǔn)，比如光譜同位素分析儀。

6）升級的氣電混裝定制化接頭和線纜，設(shè)備更簡潔/美觀和可靠；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)較小尺寸的主機(jī)箱連接不少于32個(gè)土壤呼吸室。

7）標(biāo)配一個(gè)RS-232、一個(gè)RS-485 通訊接口，為一個(gè)復(fù)路系統(tǒng)駁接多個(gè)氣體分析儀提供可能（可根據(jù)客戶應(yīng)用，拓展RS-232、RS-485和TTL通訊）。

8）具有WIFI接口，可以連接觸控設(shè)備進(jìn)行測量參數(shù)配置；具有雙網(wǎng)口，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)自動上傳和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)跟蹤。

9）可以同時(shí)接駁土壤呼吸明室/土壤呼吸暗室/大容量群落光合室等。

10）若只需要CO₂ H₂O測量，分析儀可以內(nèi)嵌到一個(gè)主機(jī)箱內(nèi)。

8600-2012 全自動土壤呼吸測量暗室具有發(fā)明專利（專利號：ZL202021501088.2），該呼吸室升級了氣電混裝的線纜結(jié)構(gòu)，升級土壤呼吸的防水等級至IP66，升級呼吸室多層采樣裝置，設(shè)備簡潔、美觀、可靠。

8600-2012 具有動壓平衡裝置，通過科學(xué)的設(shè)計(jì)，既能保證呼吸室內(nèi)大氣壓于外界大氣壓的平衡，也能在一定限度內(nèi)消除外界風(fēng)速對呼吸室內(nèi)氣體的擾動，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。配合PRI-8600D雙循環(huán)，8600-2012關(guān)閉呼吸室的速率可以很低，最大限度消除其對土壤呼吸的擾動。