基于理想气体状态方程的同化箱设计与碳通量测定

张仁懿，袁建立，艾得协措，徐当会

（兰州大学生态学院／草地与农业生态系统国家重点实验室，兰州 730000）

0 引言

二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等气体的通量是动物学、植物学、土壤学以及生态学相关研究常用的测量指标，对研究生物（动植物、微生物等）能量代谢及物质循环具有重要意义。当前测量气体通量的方法主要有涡度相关法［1］、同化箱法［2-3］以及气袋采样-色谱分析法［4-6］，其中同化箱法因具有便携、快速等特性，在大田实验的相关研究中广泛使用。同化箱法利用气体分析器测定箱内的气体浓度，以一定时间内浓度变化量（如闭路式的土壤呼吸仪）或参比-样品室浓度差异（如开路式的光合仪）来计算气体通量。在昆虫、鸟类及哺乳动物的呼吸速率测量［7-8］、植物的光合／呼吸／蒸腾测量［2，9］、土壤微生物的气体通量测量［10］以及野外群落温室气体通量的原位测量［3，11］等相关研究中，均涉及同化箱的制作或使用。

科研人员利用同化箱法测定气体通量获得了大量的科研成果。然而，同化箱的实际应用仍普遍存在系统体积难以精确、快速确定的问题，例如：①科研工作者往往忽略被测对象（动物、植物、土壤样品及其容器等）自身的体积，置入受测对象后同化箱系统的实际作用体积将变小，导致气体通量测量值被高估；②同化箱系统的实际体积由多个组分构成，对同化箱体积的精确计算造成困难，或将耗费大量的时间或精力，降低科研工作的效率和测量结果的可靠性。同化箱系统的实际体积一般可由下式精确计算：V＝Va+Vt+Vb-Vs，式中：V为实际体积；Va为分析器气体体积；Vt为管路体积；Vb为同化箱容积；Vs为被测对象体积。虽然Vb和Vt可以在测量前计算，但Va和Vs的精确计算难度较大。例如，分析器模块需要气泵驱动，气泵前后管路和分析器内部空气存在正压或负压，使Va难以精确确定；被测对象的形状往往不规则，测量和计算其体积Vs费时费力。

为了提高通量测量的效率及通量结果的精确度，亟需改进同化箱系统的设计及使用方法，以满足快速、精确地确定实际体积（或等效体积）的需求。本文以碳通量的测定为例，基于理想气体状态方程［12］的原理对同化箱法进行了改进。

1 方法原理

闭路式同化箱注入已知浓度C'（μmol·mol-1）和已知体积V'（m3）的二氧化碳，混匀后将导致体系中二氧化碳浓度上升。根据阿伏加德罗定律的原理，通过测量二氧化碳浓度增量ΔC（μmol·mol-1）即可计算同化箱系统的体积：V＝V'×C'／ΔC。

温度、压强恒定的封闭系统中，所有空气符合理想气体状态方程：

式中：p为压强（Pa）；V为气体体积（m3）；T为温度（K）；n为体系中气体的物质量（mol）；R为摩尔气体常数（8.314 J／（mol·K））。

连续测量体系中的二氧化碳浓度，对二氧化碳浓度和时间作图，求出二氧化碳变化斜率k（μmol·mol-1·s-1），则整个体系的二氧化碳通量Flux为（μmol·s-1）：

2 同化箱设计

同化箱系统的设计如图1 所示。同化箱由顶盖、密封垫和箱体组成，顶盖包括气体注射孔、气路接头和混匀风扇（如箱体体积小可省略）；箱体由毛细管与外界相通以平衡内外气压。箱体通过顶盖的气路接头与二氧化碳分析器连接，管路串联空气过滤器避免分析器受污染。箱体进气端延长管路便于箱体内空气充分混匀。

图1 同化箱系统的设计

本文使用的二氧化碳分析器为美国LICOR 公司生产的LI-850，该型号分析器内置气泵，气路流速为750 mL／min，分析器腔体体积Va≈15 mL，与本文所述方法相关的测量指标包括干二氧化碳浓度C和气压p，最大测量频率为2 Hz。温度T使用额外的温度计测量，因受测对象无明显的产热效应，本例以室温代替。同化箱箱体及顶盖以透明亚克力材料（厚4 mm）制作，箱体外径20 cm、高30 cm，密封垫厚2 mm，分析器与箱体之间的管路（4 mm ×6 mm）长度约150 cm，计算出箱体体积Vb≈8.739 L，管路体积Vt≈20 mL。忽略被测物体和箱体内配件的体积，则V1＝Va+Vt+Vb-Vs＝15 +20 +8 739 -0 ＝8 774 mL，相应的通量记为Flux1。

3 同化箱应用

根据同化箱的体积参数，在确保二氧化碳增量不显著影响受测对象的生理生态指标的前提下，往同化箱系统注入3.00 mL（V' ＝3 ×10-6m3）的二氧化碳（纯度99.9%，即C' ＝0.999 mol／L）。根据预实验数据，体系到达平衡状态后（即斜率稳定，约需30 s，通过LI-850 配套软件实时查看二氧化碳变化曲线）开始计时并记录数据（记录频率设置为1 Hz）；记录数据约60 s，用注射器通过穿板接头的注入孔注入二氧化碳；继续记录至约130 s数据，注入后约10 s内即恢复平衡；对前60 s 的数据进行回归，并将斜率k用于平衡后（约70 s后）的曲线拟合。本文测定了3 种情况下的实际体积V2和实际通量Flux2，测定通量时的外界气压p＝84.139 kPa，绝对温度T＝300.15 K。

（1）同化箱内未放置被测对象，通量趋于0（见图2）。根据图中所示数据：

图2 同化箱内受测对象为零通量时的二氧化碳浓度变化曲线

（2）同化箱内被测对象为盆栽蒲公英时（含植物的花盆、土壤等，直径13 cm×高13 cm，同时使用植物生长灯补光照射，见图3）。

图3 同化箱内被测对象为盆栽蒲公英时的二氧化碳变化曲线

根据图中所示数据：

（3）同化箱内被测对象为无活体植物的花盆时（花盆内盛有土壤，直径13 cm×高13 cm，见图4）。

图4 同化箱内被测对象为无植物花盆时二氧化碳浓度变化曲线

根据图中所示数据：

以上通量测量案例显示，同化箱法测量二氧化碳通量的过程中，被测对象的体积对测量结果影像较大，通量高估量与被测对象的体积成正比（见表1）。本文改进的同化箱及通量测量方法在保持通量测量结果基本不变，即二氧化碳变化曲线斜率保持一致的前提下，快速计算同化箱系统的实际体积或等效体积，从而获取精确的通量结果，尤其适用于受测物体形状不规则、草地表面不平整以及存在大量疏松材料（等效体积）等情况下的测量，提高了不同样品或处理梯度间的可比性。

表1 改进同化箱前后的系统体积及通量

本文设计的同化箱系统仅是一个应用实例，在不改变基本测定原理的基础上，科研人员实际使用过程中可以根据已有条件对系统进行改造，如更改同化箱的形状、增加控温除湿模块、使用其他型号分析器等。

4 结语

本文基于阿伏加德罗定律和理想气体状态方程的原理，对闭路的同化箱系统进行了改进，设计并测试了实际（等效）体积和二氧化碳通量的速测方法。该装置及方法在保持被测对象正常生理、生态过程的前提下，能够快速、精确地确定体系中的有效作用体积，解决了同化箱中受测对象体积难以精确测定的问题，使通量测量（如植物净光合、微生物分解、动植物及土壤的呼吸等）的结果更加科学，适用于实验室内培养、温室控制实验以及野外原位测量等测量环境。