專利名稱：一種能同時(shí)測(cè)定植被群體輻射溫度和光合作用的冠層葉室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于同時(shí)測(cè)定植被群體紅外輻射溫度和光合作用的冠層葉 室。冠層葉室與光合作用測(cè)定儀連接，根據(jù)冠層葉室內(nèi)C02、H2O的濃度變化來(lái)測(cè)定植被群 體的碳水通量，葉室內(nèi)安裝有連接筆記本電腦的紅外測(cè)溫儀的微型傳感頭，在測(cè)定群體碳 水通量時(shí)，同步測(cè)定并自動(dòng)記錄植被冠層群體的紅外輻射溫度，為植被群體冠層的輻射溫 度對(duì)植被群體的光合作用的影響機(jī)理及其模型研究提供科學(xué)依據(jù)，屬于生物學(xué)研究?jī)x器領(lǐng) 域。
技術(shù)背景遙感能在瞬時(shí)獲取地表“面狀”分布的技術(shù)手段漸漸受到生態(tài)學(xué)家的日益關(guān)注，以 遙感為主要數(shù)據(jù)源的碳循環(huán)遙感估算模式已經(jīng)被國(guó)際社會(huì)所接受，基于遙感的碳循環(huán)研究 已經(jīng)成為目前碳循環(huán)研究的重要方法。利用遙感來(lái)估算凈第一生產(chǎn)力一般采用M0nteith(1972，1977)提出的光能利用 模式即植被吸收的光合有效輻射“IPAR” (Intercepted Photosynthetically Active Radiation)乘以某種植被的光能利用率ε，即:NPP = IPARX ε這里1 41 是地表光合有效輻射“？々1 ”( 110忉8711讓6衍03117Active Radiation) 和植被冠層吸收的光合有效輻射的比率“FPAR”(Frection of Photosynthetically Active Radiation absorbed by thecanopy)的乘積，即I PAR = PAR X FPAR。ε 是生態(tài)系統(tǒng)的最 大光能利用率ε ^與溫度、水分和大氣中CO2濃度等光合作用限制因子的乘積，即ε = ε 0 X f (T) X f (W) X f (CO2)式中ε ^是最佳環(huán)境下的最大光能利用率，f (T)、f (W)和f (CO2)分別是光合作用 中的溫度、水分和大氣CO2濃度的限制函數(shù)。目前，遙感的NPP模型中，溫度對(duì)光合作用限制的計(jì)算模型中的T是氣溫，是基于 氣象站點(diǎn)監(jiān)測(cè)的氣溫值，并通過(guò)內(nèi)插將“點(diǎn)狀”測(cè)量數(shù)據(jù)擴(kuò)展到不同尺度的區(qū)域。那么，利 用這樣一個(gè)氣溫觀測(cè)值以及相應(yīng)函數(shù)進(jìn)行溫度限制，會(huì)由于以下問(wèn)題而給NPP的估算帶來(lái) 誤差第一，直接影響植被光合作用的溫度不是氣溫，而是植被體本身的溫度。第二，在估算 NPP時(shí)所使用的氣溫不能準(zhǔn)確反映植被光合作用體和其表面的溫度。第三，即使是氣溫，不 同的時(shí)間尺度模型的選擇上存在很大的差異。第四，氣溫的區(qū)域代表性問(wèn)題，縣級(jí)氣象站點(diǎn) 一般都坐落在縣城，百葉箱中獲得氣溫值相對(duì)于野外陸地生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)代表性可能也比較 差。而且相對(duì)區(qū)域尺度來(lái)說(shuō)，氣象站點(diǎn)的分布非常有限，尤其是森林和草原生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域， 站點(diǎn)很少。只利用有限站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)不同插值方法獲得，這種內(nèi)插或外延技術(shù)可能 會(huì)給氣溫帶來(lái)的誤差會(huì)傳遞并累計(jì)在NPP估算結(jié)果中。而衛(wèi)星遙感探測(cè)的溫度是地表輻射 溫度，對(duì)植被冠層來(lái)說(shuō)正好是植被表層輻射溫度。和氣溫相比這個(gè)溫度更能反映光合作用 的植被本體溫度。而且，衛(wèi)星遙感能瞬時(shí)獲取大區(qū)域和連續(xù)分布的植被溫度，彌補(bǔ)了利用氣 溫值計(jì)算NPP的不足。[0009]植被的輻射溫度與光合作用的關(guān)系以及對(duì)光合作用的影響過(guò)程，需要開展野外測(cè) 量實(shí)驗(yàn)來(lái)探討。其中溫度的非接觸測(cè)量，實(shí)際上就是利用輻射計(jì)的測(cè)量與溫度的反演過(guò)程， 其基本的反演原理與衛(wèi)星遙感溫度類似，但目標(biāo)更均一，大氣的影響相對(duì)簡(jiǎn)單。在輻射溫度 觀測(cè)的同時(shí)，開展光合作用的測(cè)量，對(duì)研究輻射溫度變化與光合作用變化的關(guān)系至關(guān)重要。對(duì)于光合作用的測(cè)量，LI-6400便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)代表了當(dāng)今國(guó)際上植物 葉片光合作用測(cè)量?jī)x器的最高水平，是世界著名生理塵態(tài)儀器制造商LI-COR公司的尖端 產(chǎn)品。由于單一葉片的植物光合作用代表性有限，可以通過(guò)LI-6400連接自定義葉室開展 群體光合作用的測(cè)量。而植株群體冠層的輻射溫度測(cè)量可以利用輻射計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)。問(wèn)題是利 用現(xiàn)有的自定義葉室測(cè)定群體光合和利用輻射計(jì)測(cè)定植被群體冠層的輻射溫度不可能完 全同步，勢(shì)必會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)較大的誤差，因此如何利用自定義葉室測(cè)定光合作用的同 時(shí)同步測(cè)定植被冠層的輻射溫度成為問(wèn)題的焦點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問(wèn)題為了克服現(xiàn)有的自定義冠層葉室不能對(duì)植株群體的輻射溫度和光合作用同步測(cè) 量的不足，本實(shí)用新型提供一種冠層葉室，在測(cè)定光合作用的同時(shí)，能夠方便、準(zhǔn)確地對(duì)植 被群體冠層的紅外輻射溫度進(jìn)行同步地自動(dòng)測(cè)定和記錄。這種葉室造價(jià)低廉，密封性好，制 作簡(jiǎn)單，接駁容易，簡(jiǎn)單實(shí)用，操作方便等特點(diǎn)。本發(fā)明專利解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是本實(shí)用新型提出的能同時(shí)測(cè)定植被群體輻射溫度和光合作用的冠層葉室，由正方 體的通量箱和土壤基座兩部分組成。上部為通量箱，是測(cè)量主體，下部為土壤基座，埋于土 體，用于上部葉室和被測(cè)定植被之間結(jié)合部(土壤)的密封作用。正方體通量箱規(guī)格為 50CmX50CmX50Cm(根據(jù)所測(cè)定植物的高度規(guī)格可以適當(dāng)加大或縮小)，用無(wú)色透明的有 機(jī)玻璃作為材料，厚度3-5mm。葉室的5個(gè)面封閉(四側(cè)面及頂面)，一面(下部)開放， 用于覆蓋實(shí)驗(yàn)材料。通量箱兩相對(duì)的側(cè)壁上設(shè)有把手，方便箱體搬動(dòng)。另一側(cè)壁上留有9 個(gè)直徑大小不同的圓孔(用于與Li-Cor 6400的適配器相連)，圓孔的大小、孔間距離與 Li-Cor 6400的9864-174適配器的氣孔和螺絲孔相同。適配器與箱體之間加密封墊圈。在 安裝適配器的側(cè)壁上，通過(guò)一圓形孔裝有一 E型熱電偶，用于測(cè)定通量箱內(nèi)部氣溫，測(cè)定數(shù) 據(jù)由光合作用測(cè)定儀自動(dòng)記錄。在通量箱的頂壁通過(guò)圓形孔和螺紋桿在通量箱內(nèi)安裝兩個(gè) 小型風(fēng)扇和一個(gè)紅外測(cè)溫儀的微型傳感頭。風(fēng)扇(為計(jì)算機(jī)機(jī)箱散熱用的普通風(fēng)扇)對(duì)角 形安裝，根據(jù)植被高度通過(guò)螺紋桿調(diào)節(jié)風(fēng)扇高度，風(fēng)扇大小可視植被灌層高低而定，目的是 使冠層葉室內(nèi)的氣體迅速混合均勻。紅外溫度探頭安裝在通量箱連接適配器的側(cè)壁內(nèi)，根 據(jù)植被生長(zhǎng)狀況通過(guò)萬(wàn)能調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)其方位、高度和角度，以便更精確地測(cè)定植被群體冠 層的紅外輻射溫度。紅外測(cè)溫儀與筆記本電腦連接，通過(guò)設(shè)定記錄間隔時(shí)間，可以和光合作 用儀測(cè)定數(shù)據(jù)同步對(duì)植被群體的表面輻射溫度進(jìn)行記錄。土壤基座由鋁合金或不銹鋼薄材 制成，土壤基座有一扁平基座，基座寬5mm，框架的高為8cm，長(zhǎng)、寬均為50cm，土壤底座的上 口與通量箱的底部開口完全吻合。通量箱的基部和土壤基座上都貼有單面密封膠條，強(qiáng)化 冠層葉室的密封性。使用時(shí)基座埋于地下，與測(cè)定植物所在的土壤表面持平。所有需電設(shè) 施均由外部的12V電源供電。[0015]上述通量箱內(nèi)，所述紅外測(cè)溫儀的光學(xué)分辨率為2 1，包括兩部分微型傳感頭 和分離電盒，具有三種可選的數(shù)字接口(USB，RS232或RS485)。通過(guò)按鍵和帶有IXD顯示 的智能操作面板，可以方便的設(shè)置和調(diào)節(jié)基本參數(shù)。該裝置可以用來(lái)測(cè)定草坪、草地、花卉、地被植物、蔬菜、糧食作物、小灌木等各種 植物冠層的紅外輻射溫度、群體光合、呼吸和蒸騰作用，解決了在測(cè)定碳通量的同時(shí)，不能 同步測(cè)定紅外輻射溫度的問(wèn)題。為利用遙感技術(shù)研究輻射溫度與植被群體的碳水通量間的 關(guān)系模型提供科學(xué)依據(jù)。本實(shí)用新型的有用效果是，可以在測(cè)定植株群體光合速率的同時(shí)，同步測(cè)定植株 冠層紅外輻射溫度，測(cè)定數(shù)據(jù)通過(guò)電腦自動(dòng)記錄，方便快捷。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型。

圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型通量箱的立體圖；圖3是本實(shí)用新型通量箱的俯視圖；圖4是本實(shí)用新型土壤底座的立體圖；圖5是本實(shí)用新型土壤底座的俯視圖；圖1-5中，1為通量箱，2為紅外測(cè)溫儀的微型傳感頭，3為萬(wàn)能調(diào)節(jié)支架，4為風(fēng) 扇，5為把手，6為三個(gè)氣孔，7為四個(gè)螺絲孔，8為E型熱電偶，9為單面密封膠條，10為土壤基座。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)一步描述。本發(fā)明的冠層葉室結(jié)構(gòu)如圖1所示，由正方體的通量箱1和土壤基座10兩大部分 組成。通量箱1的四周側(cè)壁和頂壁由透明的有機(jī)玻璃制成，以保證冠層葉室的透光性。箱 體頂壁通過(guò)3個(gè)圓孔和螺紋桿安裝兩個(gè)小型風(fēng)扇和一個(gè)紅外輻射溫度探頭。風(fēng)扇4對(duì)角線 安裝，根據(jù)植被的生長(zhǎng)狀況通過(guò)螺紋桿調(diào)節(jié)風(fēng)扇高度，風(fēng)扇為家用電腦上的普通小風(fēng)扇。紅 外測(cè)溫儀的微型傳感頭安裝在一萬(wàn)能調(diào)節(jié)器上，根據(jù)植被的高度、蓋度通過(guò)萬(wàn)能調(diào)節(jié)器調(diào) 節(jié)探頭的方位、高度和角度，用以測(cè)定植株群體冠層的紅外輻射溫度。紅外溫度探頭和電腦 連接，通過(guò)設(shè)定記錄間隔時(shí)間，可以和光合作用儀測(cè)定數(shù)據(jù)同步進(jìn)行記錄。通量箱1兩相對(duì) 的側(cè)壁上設(shè)置一對(duì)把手5，另一側(cè)壁上安裝有E型熱電偶8，與光合作用儀相連測(cè)定通量箱 內(nèi)部的氣溫，熱電偶旁邊有三個(gè)氣孔6，四個(gè)螺絲孔7，用于與光合作用儀的適配器相連。土 壤基座10用不銹鋼薄材或鋁合金制成，上口與通量箱1底壁的開口完全重合，以保證冠層 葉室內(nèi)氣體的密閉性，通量箱的基部和土壤底座的基座上貼有一層單面密封膠條9。在測(cè)定前一周將土壤基座10插入栽有待測(cè)植物的土壤中，插入土壤深度要求基 座表面與測(cè)定植被的地表高度一致，一般為8cm。使用時(shí)，將li-6400光合儀的9864-174適 配器與通量箱相連，適配器與通量箱的側(cè)壁間加有一層與適配器大小一致的墊圈，然后將 自制的E型熱電偶、光合有效輻射(PAR)傳感器與光合作用儀相連；同時(shí)將紅外測(cè)溫儀通 過(guò)USB接口與電腦連接，打開配置軟件，設(shè)置好比輻射率、記錄時(shí)間間隔等參數(shù)。測(cè)定時(shí)，將風(fēng)扇啟動(dòng)、紅外測(cè)溫儀連接好后，雙手握住把手抬起通量箱，緩緩將通量箱放置在土壤基座 上，確保通量箱各側(cè)面與土壤基座之間完全接觸，沒(méi)有間隙，通量箱與外界空氣隔絕良好， 待通量箱內(nèi)氣體平衡后即可測(cè)定植物群體的光合作用、呼吸作用、蒸騰作用和植物群體冠 層的輻射溫度等指標(biāo)。數(shù)據(jù)采集器設(shè)定為每IOS記錄一次紅外CO2分析儀和紅外輻射溫度 的讀數(shù)。 本實(shí)用新型的冠層葉室成本低廉，密封性好，接駁容易，操作簡(jiǎn)單，與光合作用測(cè) 定儀一起，可以用來(lái)測(cè)定草坪、草地、花卉、地被植物、蔬菜、糧食作物、小灌木等各種植物冠 層的紅外輻射溫度、碳水通量等技術(shù)參數(shù)，解決了在測(cè)定碳通量的同時(shí)，不能同步測(cè)定紅外 輻射溫度的問(wèn)題，為開展植被輻射溫度與光合作用的關(guān)系模型的研究提供了可能。
權(quán)利要求一種能同時(shí)測(cè)定植被群體輻射溫度和光合作用的冠層葉室，其特征是，它由正方體的通量箱和土壤基座兩部分組成，通量箱的四周側(cè)壁和頂壁用無(wú)色透明的有機(jī)玻璃制成，下部開放；通量箱兩相對(duì)的側(cè)壁上設(shè)有把手，一側(cè)壁上有直徑大小不等的圓形孔，與光合作用儀的適配器相連；在安裝適配器的側(cè)壁上，通過(guò)一圓形孔裝有一熱電偶；在通量箱的頂壁通過(guò)圓形孔和螺紋桿在通量箱內(nèi)安裝兩個(gè)小型風(fēng)扇和一個(gè)紅外測(cè)溫儀的微型傳感頭；土壤基座由鋁合金或不銹鋼薄材制成，通量箱的基部和土壤底座的基座上各有一層單面密封膠條。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種能同時(shí)測(cè)定植被群體輻射溫度和光合作用的冠層葉室，其 特征在于所述通量箱為長(zhǎng)、寬、高均為50cm的正方體；所述土壤基座有一扁平基座，基座寬 5mm，框架的高為8cm，長(zhǎng)、寬均為50cm，土壤底座的上口與通量箱的底部開口完全吻合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種能同時(shí)測(cè)定植被群體輻射溫度和光合作用的冠層葉室，其特 征在于所述通量箱側(cè)壁上的3個(gè)大孔為氣孔，四角的4個(gè)小孔為固定螺絲孔，圓孔的大小、 孔間距離與Li-Cor 6400的9864-174適配器的圓孔直徑、距離相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的一種能同時(shí)測(cè)定植被群體輻射溫度和光合作用的冠層葉室，其特 征在于所述紅外測(cè)溫儀的光學(xué)分辨率為2 1，包括兩部分微型傳感頭和分離電盒，具有 USB, RS232或RS485三種可選的數(shù)字接口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的一種能同時(shí)測(cè)定植被群體輻射溫度和光合作用的冠層葉室，其特 征在于所述通量箱側(cè)壁上的熱電偶為E型。
專利摘要一種能同時(shí)測(cè)定植被群體輻射溫度和光合作用的冠層葉室，它由底面開放、5面封閉的正方體的通量箱(1)和土壤基座(10)2部分組成。通量箱是冠層葉室的主體，用于覆蓋測(cè)定植被，基座起葉室和下部土壤之間的密封作用。箱體和基座用透明的有機(jī)玻璃和不銹鋼薄板制作，通量箱可以與Li-Cor 6400的9864-174適配器連接，連接適配器的箱壁上安有一熱電偶(8)，另兩個(gè)側(cè)面安裝搬動(dòng)把手(5)，箱體頂面，通過(guò)3個(gè)圓孔和螺紋桿安裝兩個(gè)小型風(fēng)扇(4)和一個(gè)紅外輻射溫度探頭(2)。這種裝置密封性好，接駁容易，造價(jià)低廉，結(jié)合Li-Cor6400可以對(duì)植被群體的輻射溫度和碳通量進(jìn)行同步測(cè)定，為研究植被輻射溫度對(duì)光合作用的影響機(jī)理及其模型提供科學(xué)依據(jù)。
文檔編號(hào)G01N33/00GK201674820SQ20092026712
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者嚴(yán)俊霞, 李洪建, 陳良富 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所