开顶式气室控制大气co

开顶式气室控制大气co

1农田生态系统研究近年来，随着人类活动的增多，全球气候变化（全球climat变革）变得越来越激烈。其中,由于人类使用矿石燃料及生产水泥等工业活动的激增,使得近地层大气成分的组成和含量发生变化,尤其是大气CO2浓度不断上升及其所造成的“温室效应”(Greenhouseeffect)。已有研究表明,大气CO2浓度已从工业革命前的270μl·L-1上升到目前的350μl·L-1,预计到21世纪中叶将达到550μl·L-1,21世纪末达到700μl·L-1。众所周知,CO2是植物进行光合的原材料。大气CO2浓度增加必然对农作物(尤其是C3植物)的生长发育和产量产生重要的影响,以及由此而导致的对植食性害虫及其天敌的发生所造成的影响。研究大气CO2浓度升高对农田生态系统的影响(主要包括对农作物、植食性害虫及其天敌三级营养层次之间相互关系的影响),需要在一个稳定的已知CO2浓度环境中进行。造成和保持这种环境,需要有一套功能良好的试验装置。纵观国内外有关开展这方面研究的试验装置,气室(Chamber)是一个很好的装置。从第一个气室问世(1896年由Schroeder和Schmitz-Dumant首次发明)至今,在100多年的发展历史中,气室经历了密闭式静态气室、密闭式动态气室和开顶式动态气室3个阶段。当前,开顶式动态气室仍为研究大气痕量气体浓度变化对农业和生态系统影响研究的主要试验装置之一。在吸收国外已投入使用的典型开顶式气室优点的基础上,尤其是借鉴国内设计使用的此类装置,设计了三套开顶式气室,用于研究大气CO2浓度升高对农业生产、害虫发生和天敌利用的影响。气室位于北京东燕郊市北爱科技实验中心(116°47′E,35°57′01″N)院内。2结构和组成该装置由CO2气源,CO2浓度控制系统和开顶式气室三大部分组成。其中,开顶式气室又由换气扇,框架、室壁和底座4部分组成(图1)。2.1所需容器以普通钢瓶(ϕ×h=35cm×150cm)作为供气容器,CO2纯度为95%。通过CO2减压表(压力范围为0～16MPa)和塑料气管(ϕ10mm)将CO2气体送入开顶式气室。2.2向co浓度测定方法由红外CO2测控仪(Ventostat8102,TelaireCompany,USA)自动监测和控制开顶式气室内CO2的浓度。测控仪的控制参数如下,CO2浓度测定范围为0～10000μl·L-1,控制范围为0～2000μl·L-1,分辨率为1μl·L-1,反应时间<60s,年度漂移≤10μl·L-1,标定期为5年,工作环境温度为0～50℃,空气相对湿度(RH)为0～90%,通过菜单操作可随时设定试验地点的海拔高度和要求的CO2浓度水平。该系统为自动控制系统,可自动控制气室内的CO2浓度,每20min自动记录1次CO2浓度值和气室内的温、湿度。系统的线路图见图2。2.3打开顶层气室2.3.1透光性好目前,国内外使用的开顶式气室室壁材料有塑料薄膜(聚氯乙烯、聚乙烯和聚四氟乙烯等)和玻璃钢瓦等。塑料薄膜透光性好、价格便宜,但易老化,大风天(尤其是华北地区春、秋季沙尘暴天气)易破裂等缺点,不宜使用。玻璃钢瓦结实耐用,但透光性能低,也不适用。本气室选用2.5mm透明玻璃为室壁材料,具有透光性好、不易老化、清洗方便、抗风等优点。与王春乙等设计的开顶式气室(室壁材料也为无色透明玻璃,厚度为3mm)相比,透光性能更好。2.3.2气室收缩口设计气室框架为铁结构,正八边形,高2.56m,每边长为1.61m,相当于直径为4.20m的柱体结构。整个气室体积约为21m3。为了减少外部气流从气室顶部侵入,正八边形框架顶部增加一个45°收缩口。收缩口高0.56m,每边长1.07m。气室南面一侧开一个高1.80m,宽0.80m的门,便于试验人员进出气室。为了防止外界昆虫进入气室和阻止气室内试验昆虫迁出气室,实验过程中在气室顶部覆盖80目纱网。2.3.3双上体空间为了使CO2气体能均匀进入气室,特在气室底部做一底座。底座中空,也为正八边形,边长2.01m,高1.00m。底座顶部铺以长条形木板(宽×高=10cm×5cm),木板间留有空隙(5mm宽),以便CO2气体从气室底部进入气室。2.3.4通风量、通风能力换气扇作为开顶式气室的通风换气装置,在CO2浓度控制过程中起着十分重要的作用。气室应满足每分钟2～3次的换气要求,因此,该气室通风量要求达到42～63m3·min-1。气室底座每边装一台换气扇(0.235m3·s-1),共7台(南面一侧因建水泥台阶便于开门未安装)。每个气室通风换气能力为14～113m3·min-1。满足气室的通风换气要求。3打开顶层通风室的co浓度3.1气室内cod的分布和分布试验空间内CO2浓度的水平分布和垂直分布特征是该类试验的主要技术参数之一(表1,2)。气室内CO2分布越均匀,试验的结果越可靠。为此,于3月7日～9日,在3个气室内同一高度分别在东西南北中方位各设5点,东西南北距中央点1m,共设0.45(盆高,作为作物地面高度),1.00和1.50m3个高度。CO2浓度控制为750μl·L-1。结果表明,气室内CO2浓度的水平分布和垂直分布都是非常均匀的。0.45,1.00,1.50m三个高度水平,东、南、西、北、中五点的CO2浓度间差异不大,单因子方差分析不显著(P>0.98)。由F值(F0.45m>F1.0m>F1.5m)可得,随着高度的增加,CO2浓度的水平分布越均匀。而气室内,东、南、西、北、中5个方位CO2在0.45,1.00,1.50m三个高度CO2浓度间,经单因子方差分析差异不显著,F≤1.44。3.2cod的浓度2003年3月11日～6月21日,做了大气CO2浓度升高对春小麦(Triticumaestivum,克旱50),麦长管蚜(Sitobionavenae),异色瓢虫(Leisaxyridis)和蚜茧蜂(Aphidiusavenae)三级营养层次之间相互作用关系的影响研究。1个对照(只通风而不通CO2气体),2个高CO2浓度处理(550和750μl·L-1)和1个农田本底浓度(麦田自然状况下CO2浓度)。气室内放置盆(φ×h=35cm×45cm)栽春小麦,54盆·气室-1,50株·盆-1,罩笼(80目纱网)。3月11日播种,3月24～25日出苗,4月10日定株(50株·盆-1),4月15日通气,5月17日接种麦长管蚜(20头无翅成蚜·盆-1,30盆·气室-1),6月19日结束通气,6月21日收获。由于CO2主要作用于植物的光合作用,550和750μl·L-1CO2浓度对植物和昆虫的直接影响(如对呼吸代谢的影响)甚微。在节约通气成本而又不影响试验的前提下,通气时间按当地“晨昏梦影”时间为准。晨昏梦影计算见翟保平等提出的计算公式。在每个气室中央1.50m处测定CO2浓度。CO2的控制情况见图3和表3。可知不同CO2浓度处理的气室内CO2的日变化和时变化都很稳定。由CO2浓度日变化的变异系数可见,两个高CO2浓度处理(550和750μl·L-1)的气室内,CO2浓度的日变化的变异系数都低于对照和本底,时变化的变异系数也都低于对照。说明该类设备的CO2浓度长时间控制性能十分稳定。4打开顶部的气室温度和湿度4.1温、湿度分布3月1～11日,3个气室内各样点放置干温、湿度周记仪,取8:00～17:00时每20min记录一次样点的温、湿度,重复3次,每天共计30次,其平均值作为该日的温、湿度。开顶式气室内温、湿度的水平分布和垂直分布都十分均匀(表4、5)。0.45,1.00和1.50m三个高度,东、南、西、北、中五点的日平均温、湿度经单因子方差分析(One-wayANOVA)无差异(温度为P=1.00;相对湿度为P≥0.99)。气室内温、湿度的垂直分布的均匀性较水平分布差,但东、南、西、北、中五点日均温度经单因子方差分析(One-wayANOVA)也无差异(温度为P≥0.70;相对湿度为P≥0.12)。4.2温度和湿度变化试验期间,取4月15日至6月19日的日均温、湿度(图4)。气室内温度较田间自然情况下的温度高,且随着CO2浓度的升高,温度增加(图4a)。750和550μl·L-1CO2浓度的气室内温度分别比对照和大田提高0.8、2.0℃和0.5、1.7℃;相对湿度也分别提高了0.56%、1.33%和0.38%、0.95%(图4b)。可见,大气CO2浓度升高可增温、增湿。但经方差分析(One-wayANOVA)处理间差异都不显著(温度为P=0.13;相对湿度为P=0.11)。可知气室的通风换气系统成效显著。5气室内的cod-ro试验研究该气室是在借鉴国内外同类设备的基础上设计制造而成的。参照丁一汇等提出的开顶式气室的要求(表6),该气室的室壁由2.5mm厚的无色透明玻璃构成,使透光率更高,又便于清洗;通风换气系统的通风量可达14～113m3·min-1,即每分钟最大换气达5次之多,满足了每分钟2～3次的换气要求;铁框架使得气室的造价低廉、结实耐用;通过CO2浓度测控系统,实现了气室内CO2浓度的自动控制,节省了人力、降低了通气成本。此外,通过试验测试得出,气室内的CO2浓度、温度、湿度等环境参数的水平分布和垂直分布都十分均匀,试验期间两个高CO2浓度处理的CO2变异系数都低于对照和农田本底环境。可见,该套装置的性能达到甚至超过了国内外设计并投入使用的开顶式气室。当然,作为一种试验手段,开顶式气室也有其自身的弊端。如气室内的温、湿度和风等环境因素易形成梯度;室壁材料对阳光有一定的吸收、折射和散射等作用,使得透光率有所降低;此外,气室内植