一种测定作物群体不同高度处光合速率、呼吸速率和温室气体排放的装置的制作方法

本实用新型涉及农业生态作物经济效益和生态效益综合评估技术领域，具体涉及一种测定作物群体不同高度处光合速率、呼吸速率和温室气体排放的装置及方法。

背景技术：

近年来，耕地面积不断减少，但粮食需求逐年增加，而作物产量80％以上最终来源于光合作用将光能转化为化学能。但C3植物最大光能转化效率约为4.6％，C4植物为6％，而目前田间植物的光能转化效率全生育期平均仅有0.5％，远低于理论上的最高值。因此，提高光能转化效率是提高作物生物量和产量的切实可行的途径之一。

目前，在农业生产中碳氮的投入和输出严重不平衡，导致了作物根区环境恶化，土壤养分过剩，增加温室气体排放，作物生殖生长和营养生长不协调等一系列生态和农业生产问题；另外，农业生产也是温室气体的重要排放源，农业CO2排放量占人类总排放量14％，N2O和CH4分别占84％和47％。因此，动态监测农田温室气体排放和作物光合作用间的关系，关注经济效益的同时衡量生态效益，进一步协调经济效益和生态效益关系，协助低碳农业或绿色农业的发展有重要意义。

自上世纪80年代-90年代，农业资源高效高产的农业生产理念开始从作物单株水品转向作物群体水平，研宄对光合作用的测量已经从单个叶片水平到评估整个冠层或群体水平，测量手段也都不仅关注单个叶片的测量，更关注作物冠层或群体的光合速率、呼吸速率和蒸腾速率等。到目前为止，一些学者设计研发了一些作物冠层或者群体光合速率、呼吸速率和蒸腾速率的测量同化箱。而在大田环境下，由于作物的种植方式不同，整个作物群体上、中和下层的光照、温度、湿度、O2浓度、CO2浓度、CH4浓度和N2O 浓度明显不同，很难详细或系统评估某种种植模式的经济效益和生态效益，并且目前也缺乏一种可以检测或充分衡量农田经济效益和生态效益的综合评估装置，这极大地阻碍了低碳农业或绿色农业发展研宄的进展。

中国农大的李明和施生锦(2006)研发了开路式作物群体光合与蒸散连续测定系统；台州学院和中科院寒区旱区研宄所的高松等(2011)采用Licor公司的L1-8100土壤碳通量测量仪结合北京力高泰公司定做的同化箱对荒漠植物梭梭的群体光合进行了研宄。宋青峰与朱新广(2015)研发了一种气体通量测量系统，可以利用感应探头测定自制同化箱内气体浓度信号。

但是，国内外学者设计开发的群体同化箱设计仅考虑到作物整个群体的光合速率和呼吸速率，没有考虑作物群体上、中和下层的光合速率、呼吸速率、光照、温度、湿度、 O2浓度以及温室气体(CO2浓度、CH4浓度和N2O浓度)的变化，同时也没有考虑到光合速率、呼吸速率以及温室气体排放间的关系。

技术实现要素：

为解决上述现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种测定作物群体不同高度处光合速率、呼吸速率和温室气体排放的装置及方法，该装置结构简单，使用方便，制造成本低。

该方法依托于该装置，操作方便，能测定作物群体不同高度处的光合速率和呼吸速率(一方面检测O2的变化，另一方面检测CO2的变化)，测定结果准确可靠。

实现本实用新型上述目的所采用的技术方案为：

一种测定作物群体不同高度处光合速率、呼吸速率和温室气体排放的装置，包括测试箱，还包括第一支杆、第二支杆、第三支杆、3N个检测组件、侧面遮光板和顶部遮光板和信号采集器，测试箱包括顶盖、箱体和底座，所述的顶盖有透明顶盖和人工光源顶盖两种，透明顶盖顶部外面表上设有第一遮光板固定件，人工光源顶盖顶部不透光，人工光源顶盖顶部内表面上安装有人工光源，箱体顶部和底部均开口，箱体顶部上设有与顶盖底部相配合的第一凹槽，箱体内壁沿箱体高度的方向均匀、对称开设有多对风扇安装槽，各风扇安装槽内安装有风扇，箱体内壁上对称安装有一对支撑架，第一支杆和第二支杆的中间部分均弯曲，第三支杆为直杆，第一支杆、第二支杆、第三支杆的两端分别通过可拆卸地方式固定在两支撑架上，第一支杆、第二支杆、第三支杆在竖直方向上等间距分布，第三支杆位于箱体竖直方向的对称面上，第一支杆和第二支杆在竖直方向的投影关于第三支杆在竖直方向的投影对称，每个检测组件包括光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器，第一支杆、第二支杆和第三支杆上分别均匀固定安装N个检测组件，箱体外侧壁上设有第二遮光板固定件，底座呈中空状，底座顶部和底部均开口，底座顶部设有与箱体底部配合的第二凹槽，底座底部设有多个入土脚，人工光源、各检测组件中的光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、 CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器以及各风扇分别与信号采集器电连接。

支撑架包括连接竖板，连接竖板的高度小于箱体的高度，连接竖板固定安装于箱体内壁上，连接竖板沿竖直方向开设有滑槽，第一支杆的两端分别连接有第一限位短杆，第二支杆的两端分别连接有第二限位短杆，第三支杆的两端分别连接有第三限位短杆，第一限位短杆、第二限位短杆以及第三限位短杆的长度均大于滑槽的宽度，第一支杆的两端及两第一限位短杆分别穿过两滑槽，第一支杆的两端通过两第一限位短杆分别固定在两连接竖板上，第二支杆的两端及两第二限位短杆分别穿过两滑槽，第二支杆的两端通过两第二限位短杆分别固定在两连接竖板上，第三支杆的两端及两第三限位短杆分别穿过两滑槽，第三支杆的两端通过两第三限位短杆分别固定在两连接竖板上。

滑槽的一侧设有沿竖直方向延伸的刻度线。

支撑架还包括支撑竖板，支撑竖板的高度等于连接竖板的高度，支撑竖板的一侧与箱体内壁连接，支撑竖板与连接竖板连接，两连接竖板相互平行，两第一限位短杆分别垂直于第一支杆的两端部，两第二限位短杆分别垂直于第二支杆的两端部，两第三限位短杆分别垂直于两第三支杆的两端部，第一支杆、第二支杆和第三支杆所在的平面均垂直于连接竖板。

第一支杆、第二支杆和第三支杆的高度依次减小，第一支杆、第二支杆的中间弯曲部分呈“︹”状，第一支杆、第二支杆和第三支杆的两端部均设有压紧螺母，第一支杆、第二支杆和第三支杆的两端分别通过压紧螺母加强固定在两连接竖板上。

所述的箱体、顶盖和底座均呈方形，所述的支撑架为折形板，两支撑竖板的一侧分别与箱体同一对角面上的竖直方向的两侧棱连接，两支撑竖板的另一侧分别与两连接竖板连接。

第一凹槽和第二凹槽均为回形槽，第一凹槽和第二凹槽的横截面为U形。

第一遮光板固定件为两U形槽，两U形槽分别设置于光源顶盖顶部外表面两相对的边沿上，两U形槽的开口相对，两U形槽顶部中央分别设有两提手，第二遮光板固定件为螺栓，箱体各侧壁外表面上的四个角上分别设有四个螺纹盲孔。

所述的N为3，第一支杆和第二支杆上的3个检测组件分别位于其中间弯曲部分上，且第一支杆、第二支杆和第三支杆上的3个检测组件分别位于其长度的2/5、3/5和4/5 处。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果和优点在于：

1、该装置结构简单，制造成本低廉，安装和拆卸方便，而且该装置功能多样，适合在农业生态方向科学研究。

2、相比其他群体光合速率测定装置和方法，该装置和方法不仅可以测定整个作物群体和群体上、中和下层光合速率，也可以利用双系统检(O2检测系统和CO2检测系统) 测群体不同高度处群体光合速率，细化了作物群体光合速率测定，提高了作物群体光合速率测定的准确性。

3、相比其他作物群体呼吸速率测定装置和方法，该装置和方法不仅可以测定整个作物群体呼吸速率，也可以测定作物群体上、中和下层呼吸速率，细化了作物群体呼吸速率的测定方法，提高了作物群体呼吸速率测定的准确性。

4、相比其他温室气体测定装置和方法，该装置和方法不仅可以测定土壤温室气体排放，也可以测定整个作物群体和作物群体上、中和下层温室气体排放，细化了作物群体温室气体排放测定方法，提高了作物群体温室气体排测定的准确性。

5、顶盖和底座采用水封的方式进行密封，不仅操作简单，而且密封性能好。

附图说明

图1为测定作物群体不同高度处光合速率、呼吸速率和温室气体排放的装置的结构示意图(当顶盖为透明顶盖时，且有些部件已省略)。

图2为箱体的结构示意图。

图3为人工光源顶盖的结构示意图。

图4为底座的结构示意图。

图5为第一支杆的结构示意图。

图6为支撑架的结构示意图。

其中，1-箱体、2-底座、3-透明顶盖、4-人工光源顶盖、5-第一支杆、6-第二支杆、 7-第三支杆、8-信号采集器、9-人工光源、10-刻度线、11-第一凹槽、12-风扇、13-检测组件、14-第二凹槽、15-入土脚、16-连接竖板、17-支撑竖板、18-滑槽、19-第一限位短杆、20-第二限位短杆、21-第三限位短杆、22-刻度线、23-压紧螺母、24-U形槽、25- 螺纹盲孔、26-提手。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的测定作物群体不同高度处光合速率、呼吸速率和温室气体排放的装置进行详细说明。

本实用新型提供的测定作物群体不同高度处光合速率、呼吸速率和温室气体排放的装置的结构如图1所示，该装置包括测试箱、第一支杆5、第二支杆6、第三支杆7、3N 个检测组件13、侧面遮光板和顶部遮光板、信号采集器8和两支撑架。本实施例1中， N等于3，设置9个检测组件，为了保证测得的数据具有统计学意义，准确可靠。每个检测组件13包括光照传感器(TPG-24-G)、温湿度传感器(TPJ-20-L)、O2传感器 (FKT/MK-O2)、CO2传感器(FKT/MK-CO2)、N2O传感器(FKT/MK-N2O)和CH4传感器(FKT/MK-CH2)。

测试箱为方形箱，包括顶盖、箱体1和底座2，信号采集器8设置于箱体1的外侧壁上，或者单独放置也可以。

所述的顶盖有透明顶盖3和人工光源顶盖4两种。透明顶盖3采用有机玻璃，透明顶盖顶部外表面两相对的边沿上分别设有U形槽28，两U形槽28的开口相对，两U 形槽28顶部中央分别设有两提手30。人工光源顶盖4顶部不透光，如图3所示，人工光源顶盖4顶部内表面上安装有人工光源9，本实施例中，人工光源光照强度可调节范围为200Lx-2000Lx。

如图2所示，箱体1呈正方体状，本实施例中，箱体长宽高均为120cm，箱体采用有机玻璃制作。箱体1顶部和底部均开口，箱体1顶部上设有与顶盖底部相配合的第一凹槽11，第一凹槽为回形槽，第一凹槽11的横截面呈U形。箱体内壁沿箱体高度的方向均匀、对称开设有多对风扇安装槽，本实施例中，箱体内壁顶部和底部分别开设有一对风扇安装槽，各风扇安装槽内安装有风扇12。箱体1各侧壁外表面上的四个角上分别设有四个螺纹盲孔25。

如图4所示，底座2呈中空状，底座2顶部和底部均开口，底座顶部设有与箱体底部配合的第二凹槽14，第二凹槽14为回形槽，第二凹槽的横截面呈U形。底座底部设有多个锋利的入土脚15，可以通过入土脚轻松将底座压按入土壤中。

顶部遮光板呈方形，顶部遮光板的面积大于或等于透明顶盖的面积，将顶部遮光板相对的两边沿插入两U形槽24中，便可将顶部遮光板固定在透明顶盖正上方，完全遮住从透明顶盖照射入的阳光。

侧面遮光板有四块，侧面遮光板的面积大于或等于箱体侧壁的面积，四块遮光板分别通过螺栓固定安装于箱体四个侧壁外表面的外侧，完全遮住从箱体四个侧壁照射入的阳光。

如图5所示，第一支杆5和第二支杆6的中间部分呈“︹”状，第三支杆7为直杆。第一支杆5、第二支杆6和第三支杆7的两端部均设有压紧螺母23。第一支杆5的两端分别连接有第一限位短杆19，两第一限位短杆19分别垂直于第一支杆5的两端部，第二支杆6的两端分别连接有第二限位短杆20，两第二限位短杆20分别垂直于第二支杆 6的两端部，第三支杆7的两端分别连接有第三限位短杆21，两第三限位短杆21分别垂直于两第三支杆7的两端部，第一限位短杆19、第二限位短杆20以及第三限位短杆 21的长度均大于滑槽18的宽度。

如图6所示，支撑架为折形板，支撑架包括支撑竖板17和连接竖板16，支撑竖板17的高度等于连接竖板16的高度，连接竖板16的高度小于箱体1的高度。连接竖板 16沿竖直方向开设有滑槽18，滑槽18的一侧设有沿竖直方向延伸的刻度线10，设置刻度线的目的是方便确定第一支杆、第二支杆和第三支杆的高度。

两支撑竖板17的一侧分别与箱体1同一对角面上的竖直方向的两侧棱连接，两支撑竖板17的另一侧分别与两连接竖板16连接，两连接竖板16相互平行。第一支杆5的两端及两第一限位短杆19分别穿过两滑槽18，第一支杆5的两端通过两第一限位短杆 19和压紧螺母23分别固定在两连接竖板16上。第二支杆6的两端及两第二限位短杆 20分别穿过两滑槽18，第二支杆6的两端通过两第二限位短杆20和压紧螺母23分别固定在两连接竖板16上。第三支杆7的两端及两第三限位短杆21分别穿过两滑槽18，第三支杆7的两端通过两第三限位短杆21和压紧螺母23分别固定在两连接竖板16上。第一支杆5、第二支杆6和第三支杆7所在的平面均垂直于连接竖板。第一支杆5、第二支杆6和第三支杆7在竖直方向等间距分布，且第一支杆5、第二支杆6和第三支杆 7的高度依次减小，第三支杆7位于箱体竖直方向的对称面上，第一支杆5和第二支杆 6在竖直方向的投影关于第三支杆7在竖直方向的投影对称。将第一支杆、第二支杆和第三支杆中间部位在竖直方向的投影错开，避免第二支杆和第三支杆上的光照传感器的光照被第一支杆遮住，从而影响光照传感器测量结果的准确性。

第一支杆5、第二支杆6和第三支杆7上分别安装3个检测组件，第一支杆和第二支杆上的3个检测组件分别位于其中间弯曲部分上，且第一支杆、第二支杆和第三支杆上的3个检测组件分别位于其长度的2/5、3/5和4/5处，各检测组件的安装时应避免光照传感器的光照被遮住。

人工光源、各检测器件中的光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、 N2O传感器、和CH4传感器以及各风扇分别与信号采集器8相连接。

利用上述的测定作物群体不同高度处光合速率、呼吸速率和温室气体排放的装置进行测定抽穗期(株高约60cm-70cm)小麦群体上、中和下层的光合速率、呼吸速率、光照、温度、湿度、O2浓度以及温室气体(CO2浓度、CH4浓度和N2O浓度)浓度的变化，具体测试方法如下：

1、装置的放置与安装：

1.1、在测试田地中选好测试地点，通过入土脚将底座插入土中，按入底座时尽量让底座各侧边落于空行，避免从小麦分蘖中按下去，影响小麦植株正常生长，底座入土深度最好8cm-10cm为宜；

1.2、先将9个检测组件分别均匀安装于第一支杆、第二支杆和第三支杆的中间部分上，确保第一支杆和第二支杆上的3个检测组件分别位于其中间弯曲部分上，且第一支杆、第二支杆和第三支杆上的3个检测组件分别位于其长度的2/5、3/5和4/5处，各检测组件的安装时应避免光照传感器的光照被遮住。

1.3、向第二凹槽中注入水，将箱体底部插入第二凹槽中并水封，使待测试的作物群体植株包围在箱体中，根据作物群体植株的高度调节第一支架、第二支架和第三支架的高度，第一支架、第二支架和第三支架的高度可方便通过滑槽以及刻度线随意调整，第一支架的高度为作物群体植株的平均株高的3/4，第二支架的高度为作物群体植株的平均株高的2/4，第三支架的高度为作物群体植株的平均株高的1/4，在安装各支杆和箱体时尽量不要弄折小麦植株，保持箱体内部小麦自然生长；

2、测定自然光源条件下整个作物群体的光合速率、光照、温度、湿度以及温室气体排放：

开启箱体内的各风扇、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器以及信号采集器，并向第一凹槽中加入水，1～2min后查看信号采集器，待箱体内部作物群体上、中和下层温度、湿度、O2浓度以及温室气体浓度混匀至同一水平时，选用透明顶盖，将透明顶盖的底部插入第一凹槽中并水封，再开启箱体的各风扇、光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器以及信号采集器，并设置信号采集器每10s记录一次各光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器的数据，共记录3min；

3、测定自然光源条件下作物群体的上、中和下层光合速率、光照、温度、湿度以及温室气体排放：

先打开透明顶盖，开启箱体内的各风扇、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、 N2O传感器和CH4传感器以及信号采集器，并向第一凹槽中加入水，1～2min后查看信号采集器，待箱体内部作物群体上、中和下层温度、湿度、O2浓度以及温室气体浓度混匀至同一水平时，然后选用透明顶盖，将透明顶盖的底部插入第一凹槽中并水封，再打开信号采集器以及各光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器，并设置信号采集器每10s记录一次各光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器的数据，共记录3min；

4、测定整个作物群体的呼吸速率、温度、湿度以及温室气体排放：

先打开透明顶盖，开启箱体内的各风扇、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器以及信号采集器，并向第一凹槽中加入水，同时将顶部遮光板通过两U形槽固定安装在透明顶盖的正上方，将四块侧面遮光板通过螺栓分别固定在箱体四个侧壁的外侧，1～2min后查看信号采集器，待箱体内部作物群体植株的上、中和下层温度、湿度、O2浓度以及温室气体浓度混匀至同一水平时，然后选用透明顶盖，将透明顶盖的底部插入第一凹槽中并水封，再打开信号采集器以及各风扇、温湿度传感器、 O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器，并设置信号采集器每10s记录一次各温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器的数据，共记录 3min；

5、测定作物群体上、中和下层的呼吸速率、温度、湿度以及温室气体排放：

先打开透明顶盖，开启箱体内的各风扇、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、 N2O传感器和CH4传感器以及信号采集器，并向第一凹槽中加入水，1～2min后查看信号采集器，待箱体内部作物群体上、中和下层温度、湿度、O2浓度以及温室气体浓度混匀至同一水平时，然后选用透明顶盖，将透明顶盖的底部插入第一凹槽中并水封，再打开信号采集器以及各温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器，并设置信号采集器每10s记录一次各温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器的数据，共记录3min；

6、测定人工光源条件下，不同光照强度下整个作物群体的光合速率、光照、温度、湿度以及温室气体排放：

6.1、先打开透明顶盖，开启箱体内的各风扇、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器以及信号采集器，并向第一凹槽中加入水，1～2min后查看信号采集器，待箱体内部作物群体上、中和下层温度、湿度、O2浓度以及温室气体浓度混匀至同一水平时，然后选用人工光源顶盖，将人工光源顶盖的底部插入第一凹槽中并水封，调整光照强度至A1LX，再打开信号采集器以及各风扇、光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器，并设置信号采集器每10s 记录一次各光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器的数据，共记录3min；

6.2、先打开人工光源顶盖，开启箱体内的各风扇、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器以及信号采集器，并向第一凹槽中加入水，1～2min 后查看信号采集器，待箱体内部作物群体上、中和下层温度、湿度、O2浓度以及温室气体浓度混匀至同一水平时，然后选用人工光源顶盖，将人工光源顶盖的底部插入第一凹槽中并水封，调整光照强度至A2LX，再打开信号采集器以及各风扇、光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器，并设置信号采集器每10s记录一次各光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和 CH4传感器的数据，共记录3min；

7、测定人工光源条件下，不同光照强度下作物群体上、中和下层的光合速率、光照、温度、湿度以及温室气体排放：

7.1、开启箱体内的各风扇器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器以及信号采集器，并向第一凹槽中加入水，1～2min后查看信号采集器，待箱体内部作物群体植株的上、中和下层温度、湿度、O2浓度以及温室气体浓度混匀至同一水平时，然后选用人工光源顶盖，将人工光源顶盖的底部插入第一凹槽中并水封，调整光照强度至A11LX，再打开信号采集器以及各光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器，并设置信号采集器每10s记录一次各光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器的数据，共记录3min；

7.2、先打开人工光源顶盖，开启箱体内的各风扇、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器以及信号采集器，并向第一凹槽中加入水，1～2min 后查看信号采集器，待箱体内部作物群体植株的上、中和下层温度、湿度、O2浓度以及温室气体浓度混匀至同一水平时，然后选用人工光源顶盖，将人工光源顶盖的底部插入第一凹槽中并水封，调整光照强度至A12LX，再打开信号采集器以及各光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器，并设置信号采集器每 10s记录一次各光照传感器、温湿度传感器、O2传感器、CO2传感器、N2O传感器和CH4传感器的数据，共记录3min。