開頂式氣室控制大氣co

開頂式氣室控制大氣co

1農田生態(tài)系統(tǒng)研究近年來，隨著人類活動的增多，全球氣候變化（全球climat變革）變得越來越激烈。其中,由于人類使用礦石燃料及生產水泥等工業(yè)活動的激增,使得近地層大氣成分的組成和含量發(fā)生變化,尤其是大氣CO2濃度不斷上升及其所造成的“溫室效應”(Greenhouseeffect)。已有研究表明,大氣CO2濃度已從工業(yè)革命前的270μl·L-1上升到目前的350μl·L-1,預計到21世紀中葉將達到550μl·L-1,21世紀末達到700μl·L-1。眾所周知,CO2是植物進行光合的原材料。大氣CO2濃度增加必然對農作物(尤其是C3植物)的生長發(fā)育和產量產生重要的影響,以及由此而導致的對植食性害蟲及其天敵的發(fā)生所造成的影響。研究大氣CO2濃度升高對農田生態(tài)系統(tǒng)的影響(主要包括對農作物、植食性害蟲及其天敵三級營養(yǎng)層次之間相互關系的影響),需要在一個穩(wěn)定的已知CO2濃度環(huán)境中進行。造成和保持這種環(huán)境,需要有一套功能良好的試驗裝置?？v觀國內外有關開展這方面研究的試驗裝置,氣室(Chamber)是一個很好的裝置。從第一個氣室問世(1896年由Schroeder和Schmitz-Dumant首次發(fā)明)至今,在100多年的發(fā)展歷史中,氣室經歷了密閉式靜態(tài)氣室、密閉式動態(tài)氣室和開頂式動態(tài)氣室3個階段。當前,開頂式動態(tài)氣室仍為研究大氣痕量氣體濃度變化對農業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)影響研究的主要試驗裝置之一。在吸收國外已投入使用的典型開頂式氣室優(yōu)點的基礎上,尤其是借鑒國內設計使用的此類裝置,設計了三套開頂式氣室,用于研究大氣CO2濃度升高對農業(yè)生產、害蟲發(fā)生和天敵利用的影響。氣室位于北京東燕郊市北愛科技實驗中心(116°47′E,35°57′01″N)院內。2結構和組成該裝置由CO2氣源,CO2濃度控制系統(tǒng)和開頂式氣室三大部分組成。其中,開頂式氣室又由換氣扇,框架、室壁和底座4部分組成(圖1)。2.1所需容器以普通鋼瓶(?×h=35cm×150cm)作為供氣容器,CO2純度為95%。通過CO2減壓表(壓力范圍為0～16MPa)和塑料氣管(?10mm)將CO2氣體送入開頂式氣室。2.2向co濃度測定方法由紅外CO2測控儀(Ventostat8102,TelaireCompany,USA)自動監(jiān)測和控制開頂式氣室內CO2的濃度。測控儀的控制參數(shù)如下,CO2濃度測定范圍為0～10000μl·L-1,控制范圍為0～2000μl·L-1,分辨率為1μl·L-1,反應時間<60s,年度漂移≤10μl·L-1,標定期為5年,工作環(huán)境溫度為0～50℃,空氣相對濕度(RH)為0～90%,通過菜單操作可隨時設定試驗地點的海拔高度和要求的CO2濃度水平。該系統(tǒng)為自動控制系統(tǒng),可自動控制氣室內的CO2濃度,每20min自動記錄1次CO2濃度值和氣室內的溫、濕度。系統(tǒng)的線路圖見圖2。2.3打開頂層氣室2.3.1透光性好目前,國內外使用的開頂式氣室室壁材料有塑料薄膜(聚氯乙烯、聚乙烯和聚四氟乙烯等)和玻璃鋼瓦等。塑料薄膜透光性好、價格便宜,但易老化,大風天(尤其是華北地區(qū)春、秋季沙塵暴天氣)易破裂等缺點,不宜使用。玻璃鋼瓦結實耐用,但透光性能低,也不適用。本氣室選用2.5mm透明玻璃為室壁材料,具有透光性好、不易老化、清洗方便、抗風等優(yōu)點。與王春乙等設計的開頂式氣室(室壁材料也為無色透明玻璃,厚度為3mm)相比,透光性能更好。2.3.2氣室收縮口設計氣室框架為鐵結構,正八邊形,高2.56m,每邊長為1.61m,相當于直徑為4.20m的柱體結構。整個氣室體積約為21m3。為了減少外部氣流從氣室頂部侵入,正八邊形框架頂部增加一個45°收縮口。收縮口高0.56m,每邊長1.07m。氣室南面一側開一個高1.80m,寬0.80m的門,便于試驗人員進出氣室。為了防止外界昆蟲進入氣室和阻止氣室內試驗昆蟲遷出氣室,實驗過程中在氣室頂部覆蓋80目紗網(wǎng)。2.3.3雙上體空間為了使CO2氣體能均勻進入氣室,特在氣室底部做一底座。底座中空,也為正八邊形,邊長2.01m,高1.00m。底座頂部鋪以長條形木板(寬×高=10cm×5cm),木板間留有空隙(5mm寬),以便CO2氣體從氣室底部進入氣室。2.3.4通風量、通風能力換氣扇作為開頂式氣室的通風換氣裝置,在CO2濃度控制過程中起著十分重要的作用。氣室應滿足每分鐘2～3次的換氣要求,因此,該氣室通風量要求達到42～63m3·min-1。氣室底座每邊裝一臺換氣扇(0.235m3·s-1),共7臺(南面一側因建水泥臺階便于開門未安裝)。每個氣室通風換氣能力為14～113m3·min-1。滿足氣室的通風換氣要求。3打開頂層通風室的co濃度3.1氣室內cod的分布和分布試驗空間內CO2濃度的水平分布和垂直分布特征是該類試驗的主要技術參數(shù)之一(表1,2)。氣室內CO2分布越均勻,試驗的結果越可靠。為此,于3月7日～9日,在3個氣室內同一高度分別在東西南北中方位各設5點,東西南北距中央點1m,共設0.45(盆高,作為作物地面高度),1.00和1.50m3個高度。CO2濃度控制為750μl·L-1。結果表明,氣室內CO2濃度的水平分布和垂直分布都是非常均勻的。0.45,1.00,1.50m三個高度水平,東、南、西、北、中五點的CO2濃度間差異不大,單因子方差分析不顯著(P>0.98)。由F值(F0.45m>F1.0m>F1.5m)可得,隨著高度的增加,CO2濃度的水平分布越均勻。而氣室內,東、南、西、北、中5個方位CO2在0.45,1.00,1.50m三個高度CO2濃度間,經單因子方差分析差異不顯著,F≤1.44。3.2cod的濃度2003年3月11日～6月21日,做了大氣CO2濃度升高對春小麥(Triticumaestivum,克旱50),麥長管蚜(Sitobionavenae),異色瓢蟲(Leisaxyridis)和蚜繭蜂(Aphidiusavenae)三級營養(yǎng)層次之間相互作用關系的影響研究。1個對照(只通風而不通CO2氣體),2個高CO2濃度處理(550和750μl·L-1)和1個農田本底濃度(麥田自然狀況下CO2濃度)。氣室內放置盆(φ×h=35cm×45cm)栽春小麥,54盆·氣室-1,50株·盆-1,罩籠(80目紗網(wǎng))。3月11日播種,3月24～25日出苗,4月10日定株(50株·盆-1),4月15日通氣,5月17日接種麥長管蚜(20頭無翅成蚜·盆-1,30盆·氣室-1),6月19日結束通氣,6月21日收獲。由于CO2主要作用于植物的光合作用,550和750μl·L-1CO2濃度對植物和昆蟲的直接影響(如對呼吸代謝的影響)甚微。在節(jié)約通氣成本而又不影響試驗的前提下,通氣時間按當?shù)亍俺炕鑹粲啊睍r間為準。晨昏夢影計算見翟保平等提出的計算公式。在每個氣室中央1.50m處測定CO2濃度。CO2的控制情況見圖3和表3?？芍煌珻O2濃度處理的氣室內CO2的日變化和時變化都很穩(wěn)定。由CO2濃度日變化的變異系數(shù)可見,兩個高CO2濃度處理(550和750μl·L-1)的氣室內,CO2濃度的日變化的變異系數(shù)都低于對照和本底,時變化的變異系數(shù)也都低于對照。說明該類設備的CO2濃度長時間控制性能十分穩(wěn)定。4打開頂部的氣室溫度和濕度4.1溫、濕度分布3月1～11日,3個氣室內各樣點放置干溫、濕度周記儀,取8:00～17:00時每20min記錄一次樣點的溫、濕度,重復3次,每天共計30次,其平均值作為該日的溫、濕度。開頂式氣室內溫、濕度的水平分布和垂直分布都十分均勻(表4、5)。0.45,1.00和1.50m三個高度,東、南、西、北、中五點的日平均溫、濕度經單因子方差分析(One-wayANOVA)無差異(溫度為P=1.00;相對濕度為P≥0.99)。氣室內溫、濕度的垂直分布的均勻性較水平分布差,但東、南、西、北、中五點日均溫度經單因子方差分析(One-wayANOVA)也無差異(溫度為P≥0.70;相對濕度為P≥0.12)。4.2溫度和濕度變化試驗期間,取4月15日至6月19日的日均溫、濕度(圖4)。氣室內溫度較田間自然情況下的溫度高,且隨著CO2濃度的升高,溫度增加(圖4a)。750和550μl·L-1CO2濃度的氣室內溫度分別比對照和大田提高0.8、2.0℃和0.5、1.7℃;相對濕度也分別提高了0.56%、1.33%和0.38%、0.95%(圖4b)?？梢?大氣CO2濃度升高可增溫、增濕。但經方差分析(One-wayANOVA)處理間差異都不顯著(溫度為P=0.13;相對濕度為P=0.11)?？芍獨馐业耐L換氣系統(tǒng)成效顯著。5氣室內的cod-ro試驗研究該氣室是在借鑒國內外同類設備的基礎上設計制造而成的。參照丁一匯等提出的開頂式氣室的要求(表6),該氣室的室壁由2.5mm厚的無色透明玻璃構成,使透光率更高,又便于清洗;通風換氣系統(tǒng)的通風量可達14～113m3·min-1,即每分鐘最大換氣達5次之多,滿足了每分鐘2～3次的換氣要求;鐵框架使得氣室的造價低廉、結實耐用;通過CO2濃度測控系統(tǒng),實現(xiàn)了氣室內CO2濃度的自動控制,節(jié)省了人力、降低了通氣成本。此外,通過試驗測試得出,氣室內的CO2濃度、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的水平分布和垂直分布都十分均勻,試驗期間兩個高CO2濃度處理的CO2變異系數(shù)都低于對照和農田本底環(huán)境?？梢?該套裝置的性能達到甚至超過了國內外設計并投入使用的開頂式氣室。當然,作為一種試驗手段,開頂式氣室也有其自身的弊端。如氣室內的溫、濕度和風等環(huán)境因素易形成梯度;室壁材料對陽光有一定的吸收、折射和散射等作用,使得透光率有所降低;此外,氣室內植