一种测定树干呼吸及其¹³C的装置和方法

一种测定树干呼吸及其¹³C的装置和方法
【专利摘要】本发明提出一种测定树干呼吸及其13C的装置，包括空气吸入管路、二氧化碳过滤器、树干气室和碳同位素分析仪；所述树干气室的外形为长方体，长方体的顶面和底面中间开有供树干穿过的圆形区域；树干气室相对的两个侧壁上各开有一个气孔；所述二氧化碳过滤器的进气孔连接所述空气吸入管路，二氧化碳过滤器的出气孔连接树干气室的一个气孔，所述树干气室的另一个气孔通过气路管线连接所述碳同位素分析仪。采用本发明提出的装置，可同时测定树干呼吸产生的二氧化碳浓度值及其碳同位素的值，可以更为准确的表达两者之间的函数关系。
【专利说明】
一种测定树干呼吸及其13c的装置和方法
技术领域
[0001] 本发明属于分析测试领域，具体涉及一种利用同位素分析测定树木呼吸的装置和 方法。
【背景技术】
[0002] 树干呼吸是森林生态系统碳循环的重要组成部分，约占森林生态系统总呼吸的12 ~42%。随着近十几年来经济的高速发展，全球二氧化碳浓度以每年1.38-3.05ppm的速度 增加，作为全球碳循环的重要组成部分，树干呼吸也已经成为研究热点。目前区分生态系统 呼吸的方法很多，第一种是涡度相关技术与箱式法相结合，分别测定生态系统呼吸和土壤 呼吸，实现组分区分，但此种方法包含误差较大，且箱式法测得土壤呼吸具有较大局限性， 箱式法所得土壤呼吸数据包括了自养呼吸和异养呼吸两类，不能进一步进行区分;第二种 方法是涡度相关技术与森林调查中获得的生态系统净初级生产力相结合，分别估算自养呼 吸和异养呼吸，但是此类方法中，森林调查不仅费时费力，并且其时间尺度与测量精度与涡 度相关技术不一致，难以实现连续观测，同时误差较大;第三种方法是涡度相关技术与同位 素技术相结合，利用涡度相关技术测得生态呼吸值，同时利用稳定同位素技术测得生态系 统中各组分所占比例，根据比例对生态系统呼吸进行拆分，此种方法时间精度较高，数据准 确性也较好，为生态呼吸组分拆分提供了新的技术途径。
[0003] 同位素技术在我国起步较晚，利用同位素技术对树干呼吸研究较少，目前测量树 干呼吸及其同位素多为分别测定，即使用一种方法测定树干呼吸，同时对树干进行取样，分 析其同位素组成。
[0004] 目前树干呼吸的方法较多，早期对于树干呼吸的研究多采用离体测定方法，其原 理为从目标树木上截取样本，将其放置于二氧化碳测量装置中，定时观测其二氧化碳浓度 变化，以计算样本呼吸通量。该方法优点为：随取样的部位及深度不同，可定量区分树干不 同部位的呼吸通量，但是若取样量不够测定精度难以控制；同时，离体测定时，对植物活性 不可避免会造成影响，使研究结果产生误差。目前测定树干呼吸的一般性方法为采用红外 线二氧化碳分析仪，比如改造使用Li-Cor6400便携式光合作用测定仪或者Li-CorSlOO 土壤 呼吸测定仪，使其适用于测定树干呼吸。该方法简便易行，并且对树木没有损伤，适合野外 长期观测。
[0005] 目前测定树干同位素有两种方法，一是离体观测:对树干韧皮部组织进行取样，冷 冻保存，在实验室进行处理，测得其可溶性糖中的 13C值，以此表征瞬时产生的二氧化碳;或 对木质部组织进行取样，烘干处理，测得其干物质中的13C值，以此表征长期呼吸中的二氧化 碳，此类方法均以呼吸作用不会产生同位素分馏为前提，所测同位素值实际为光合作用产 生并运输至树干中的 13C值，同时离体测量将不可避免的对植物生理特征造成影响。第二种 方法是对树干呼吸产生气体进行收集采样，在实验室中分析其 13C值，以此表征收集气体时 间段内其13C值，此方法是对树干呼吸二氧化碳中同位素值的直接测定，结果较为准确，但是 在收集过程中容易产生误差，对操作人员要求较高。
[0006] 综上所述，目前树干呼吸及其同位素研究较少，协同测定方法尚属于空白阶段，本 发明要解决的技术问题是，提供一种高时间精度下，协同测定树干呼吸及其同位素组成的 装置和方法。

【发明内容】

[0007] 针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的是提出一种测定树干呼吸及碳同位 素的装置。
[0008] 本发明另一目的是提出一种测定树干呼吸及碳同位素的方法。
[0009] 实现本发明上述目的的技术方案为：
[001 0] -种测定树干呼吸及其13c的装置，包括空气吸入管路、二氧化碳过滤器、树干气室 和碳同位素分析仪；
[0011] 所述树干气室的外形为长方体，长方体的顶面和底面中间开有供树干穿过的圆形 区域;树干气室相对的两个侧壁上各开有一个气孔;所述二氧化碳过滤器的进气孔连接所 述空气吸入管路，二氧化碳过滤器的出气孔连接树干气室的一个气孔，所述树干气室的另 一个气孔通过气路管线连接所述碳同位素分析仪。
[0012] 其中，所述二氧化碳过滤器内填充有钠石灰;所述空气吸入管路为Teflon材料制 成。
[0013] 钠石灰又称碱石灰，是常用的干燥剂，此处填充于二氧化碳过滤器内，将空气中的 二氧化碳吸收，保证进入树干气室的气体不含有空气中带入的二氧化碳。空气吸入管路的 Teflon材料既可以防腐，又不会带入杂质。
[0014] 其中，所述树干气室的二个气孔分别用于进气和出气，用于进气的气孔位于树干 气室一面侧壁底部，用于出气的气孔位于相对的侧壁顶部，两个气孔的间距最远（即，位于 树干气室的对角线上）。
[0015] 其中，所述树干气室由形状相同的两个半室组合而成，组合的方式为用螺栓、夹板 紧固，两个半室接触的部位涂有粘接剂。
[0016] 本研究中，内置栗抽取气体样本速率为800ml/min，每个气室抽气5分钟，故总共可 抽取4000cm 3气体，若要连续观测，需保证每次抽样将气室内C02气体排净，在下次采样时，才 能保证均为新产生的C0 2气体。
[0017] 进一步地，所述的树干气室高20~40cm，底边为方形，其边长大于目标树直径，气 室套住树干后，树干和树干气室围设的空间体积为2000~3000cm 3。
[0018] 进一步地，所述气路管线上设置有水汽干燥器和滤尘塞，所述水汽干燥器内填充 有无水氯化钙。
[0019] 其中，所述碳同位素分析仪设置有多路器，所述气路管线通过多路器连接所述碳 同位素分析仪;所述碳同位素分析仪通过多路器还连接有2个标准气瓶。
[0020] 其中，所述碳同位素分析仪采用光腔衰荡光谱技术测量气体样品。例如LGR公司产 CCIA-36d-EP型同位素分析仪、Picarro公司产G2101-I型C02同位素分析仪等。
[0021] 使用光谱技术测定样品内碳同位素比率的方法相较于同位素质谱分析技术，光谱 法大大提高了测量的时间精度，以及极大的降低了测定成本，使高时间精度下的连续观测 成为了可能。
[0022] -种测定树干呼吸及其13C的方法，采用本发明所述的装置，包括步骤：
[0023] 1)树干气室固定在树干上，树干气室与树干接触的地方涂以粘接剂，树干气室的 高度为所测树木胸径处，气室中心距地面1.2~1.7米；
[0024] 同时，选取目标树时尽量选择胸径处平滑、无伤痕树干通直的树木，便于求得树干 呼吸面积，计算树干呼吸速率，减小误差。
[0025] 2)测定开始前，检查二氧化碳过滤器中，钠石灰试剂有无变色反应(钠石灰变色说 明已吸收足量二氧化碳，为保证实验精确，需更换新的钠石灰试剂）；检查水汽过滤系统中， 无水氯化钙试剂有无变色反应，若变色，则需及时更换；
[0026] 3)开启碳同位素分析仪，用标准气体校准；
[0027] 4)测定前，检查设备运行正常且密闭连接，打开二氧化碳测量装置，使系统内空气 流动，排除树干气室内部剩余空气所造成的误差，此时不收集数据，待碳同位素分析仪显示 的数据稳定(表示气室内原有气体排净后），开始测定气室里的二氧化碳浓度，获得树干呼 吸及其同位素值的相关数据。
[0028] 所述标准气体的选择可以为：标准气体为⑶2体积浓度398.6ppm、13C同位素比率 (S13C值)为13 · 27%〇，和C02体积浓度396 · 6ppm、13C同位素比率(δ13(：值)为29 · 66%〇两种。
[0029]其中，对树干气室内的气体测定利用多路器，测定1~6根树干上的1~6个树干气 室内的气体，每个气室测定时间为5分钟，其中前2分钟用于稳定气路，对后3分钟的测定进 行记录，完成一轮测定后用标准气体进行一次校准。
[0030] 本发明的有益效果在于：
[0031] 采用本发明提出的装置，可同时测定树干呼吸速率及其碳同位素的值，可以更为 准确的表达两者之间的函数关系。
[0032] 本发明装置所设置的呼吸气室，不仅保证了树干呼吸组织的活性，同时隔离空气， 装置所测二氧化碳通量均为气室内树干呼吸产生，极大的减小误差，有利于更精确的研究 树干呼吸变化。
[0033] 将呼吸气室设计为透明箱体，可以对被测部分树干的生理特征进行观测，以防产 生误差影响结果。
[0034] 本发明装置，采用基于光谱技术的LGR二氧化碳测量仪，可进行实时观测，时间精 度最高可到秒，进行极大地提升了观测频度，对树干呼吸通量的实时变化进行观测研究。
[0035] 本发明所公开的方法，操作简单，适合野外长期观测，且均为仪器自动观测，极大 的节省人力物力。
[0036] 若同时应用多路器，更可以同时测量多株树木，进一步提高测定森林生态系统树 木树干呼吸通量的准确度。
【附图说明】
[0037]图1为本发明装置的设置示意图。
[0038] 图2为本发明装置的树干气室示意图。
[0039] 图3为本发明装置的二氧化碳过滤器示意图。
[0040] 图中，1为空气吸入管路，2为二氧化碳过滤器，3为气孔，4为树干气室，5为水汽干 燥器，6为滤尘塞，7为多路器，8为多路器管线，9为同位素分析仪，10为测定标准木。
【具体实施方式】
[0041] 现以以下最佳实施例来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中，如无 特殊说明，所使用的设备和方法均为所属领域常规的设备和方法。
[0042] 实施例中，所用同位素分析仪为LGR公司产CCIA-36d-EP型同位素分析仪。
[0043] 实施例1:
[0044]以下以对一个测定标准木的树干呼吸和13C测定为例来说明本发明。
[0045] 本研究实验样地位于北京林业大学实验林场，选取20m X 20m侧柏纯林标准样地， 林分密度为1500株每亩，平均胸径14.6cm，平均树高8.6m，树干气室安置于目标树胸径处， 在样地内选取目标树6棵，分别测定其胸径，按其胸径大小定制树干气室，确保气室其气体 空间体积低于3000cm 3 〇
[0046]如图1，设置测定树干呼吸及其13C的装置，包括空气吸入管路1、二氧化碳过滤器2、 树干气室4和碳同位素分析仪9;
[0047]如图2和图3,树干气室4的外形为长方体，高20cm，地面为正方形、边长大于树木胸 径;长方体的顶面和底面中间开有供树干穿过的圆形区域;树干气室相对的两个侧壁上各 开有一个气孔3;二氧化碳过滤器2的进气孔连接空气吸入管路1，二氧化碳过滤器的出气孔 连接树干气室的一个气孔，所述树干气室的另一个气孔通过气路管线连接所述碳同位素分 析仪。树干气室的二个气孔分别用于进气和出气，用于进气的气孔位于树干气室一面侧壁 底部，用于出气的气孔位于相对的侧壁顶部，两个气孔的间距最远。气路管线上设置有水汽 干燥器5和滤尘塞6，所述水汽干燥器内填充有无水氯化钙。
[0048]其中，二氧化碳过滤器内填充有钠石灰;所述空气吸入管路为Teflon材料制成。树 干气室是将两个半室套在测定标准木10的树干外，用螺栓、夹板紧固，两个半室接触的部位 涂有玻璃胶。树干气室与树干接触的地方也涂有玻璃胶。
[0049] 树干气室底边为20cm正方形，高20cm。对于胸径为17.9cm的标准木，气室内气体空 间体积为2967.0cm3。样地内各树木安装气室后围设的空间体积在2000~3000cm3之间。
[0050] 所述碳同位素分析仪设置有多路器7,所述气路管线通过多路器连接所述碳同位 素分析仪;多路器管线8连接有2个标准气瓶。多路器管线8还可连接6个树干呼吸测试装置。
[0051] 测定开始前，检查二氧化碳过滤器中，钠石灰试剂有无变色反应;检查水汽过滤系 统中，无水氯化钙试剂有无变色反应，若变色，则需及时更换；
[0052]开启碳同位素分析仪，用标准气体校准，所述标准气体为⑶2体积浓度398.6ppm、 13C同位素比率（δ13(：值）为13.27%。，和〇)2体积浓度396.6??111、 13(：同位素比率013(：值）为 29.66%。两种;测定前，检查设备运行正常且密闭连接，打开二氧化碳测量装置，使系统内空 气流动，排除气室内部剩余空气所造成的误差，此时不收集数据，待气室内原有气体排净后 (数据显示稳定)记录数据，利用碳同位素测量系统测定气室里的二氧化碳浓度获得树干呼 吸及其同位素值的相关数据。利用多路器，分别测定不同树干气室内的气体，每个气室测定 时间为5分钟，其中前2分钟用于稳定气路，对后3分钟的测定进行记录，完成一轮测定后用 标准气体进行一次校准。本研究采用LGR公司产8通道多路器，为保证测量准确性，除去标定 碳同位素仪使用2通道外，其余6通道均接入树干气室进行测量。6组数据区平均值。
[0053]树干呼吸速率的计算
[0054] 本研究中，树木安装气室后围设的空间体积在2000~3000cm3之间。以标准木10为 例，其树干气室体积V=(1 2-jtR2) · h=(202-3Tl7.92) · 20 = 2967.0cm3，LGR内置栗进气速率 为800ml/min，每个气室进样时间为5分钟，因此，每次测定的进样体积大于树干气室体积， 树干呼吸二氧化碳不会在气室内残留，满足连续观测条件。
[0055]所得数据如表1所示。
[0056]表1:树干呼吸数据 [0057]
[0058]以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进 行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方 案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
【主权项】
1. 一种测定树干呼吸及其13c的装置，其特征在于，包括空气吸入管路、二氧化碳过滤 器、树干气室和碳同位素分析仪； 所述树干气室的外形为长方体，长方体的顶面和底面中间开有供树干穿过的圆形区 域;树干气室相对的两个侧壁上各开有一个气孔;所述二氧化碳过滤器的进气孔连接所述 空气吸入管路，二氧化碳过滤器的出气孔连接树干气室的一个气孔，所述树干气室的另一 个气孔通过气路管线连接所述碳同位素分析仪。2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述树干气室的二个气孔分别用于进气和 出气，用于进气的气孔位于树干气室一面侧壁底部，用于出气的气孔位于相对的侧壁顶部， 两个气孔的间距最远。3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述树干气室由形状相同的两个半室组合 而成，组合的方式为用螺栓、夹板紧固，两个半室接触的部位涂有粘接剂。4. 根据权利要求3所述测定树干呼吸及碳同位素的装置，其特征在于，所述的树干气室 高20~40cm，底面为方形，其边长大于目标树干直径，气室套住树干后，树干和树干气室围 设的空间体积为2000~3000cm 3 〇5. 根据权利要求1~4任一所述测定树干呼吸及碳同位素的装置，其特征在于，所述二 氧化碳过滤器内填充有钠石灰;所述空气吸入管路为Teflon材料制成;所述气路管线上设 置有水汽干燥器和滤尘塞，所述水汽干燥器内填充有无水氯化钙。6. 根据权利要求1~4任一所述测定树干呼吸及碳同位素的装置，其特征在于，所述碳 同位素分析仪设置有多路器，所述气路管线通过多路器连接所述碳同位素分析仪;所述碳 同位素分析仪通过多路器还连接有2个标准气瓶。7. 根据权利要求1~4任一所述的装置，其特征在于，所述碳同位素分析仪采用光腔衰 荡光谱技术测量气体样品。8. -种测定树干呼吸及其13C的方法，采用权利要求1~7任一所述的装置，其特征在于， 包括步骤： 1) 树干气室固定在树干上，树干气室与树干接触的地方涂以粘接剂，树干气室的高度 为所测树木胸径处，气室中心距地面1.2~1.7米； 2) 测定开始前，检查二氧化碳过滤器中，钠石灰试剂有无变色反应;检查水汽过滤系统 中，无水氯化钙试剂有无变色反应，若变色，则需及时更换； 3) 开启碳同位素分析仪，用标准气体校准； 4) 测定前，检查设备运行正常且密闭连接，打开二氧化碳测量装置，使系统内空气流 动，排除树干气室内部剩余空气所造成的误差，此时不收集数据，待碳同位素分析仪显示的 数据稳定，开始测定气室里的二氧化碳浓度，获得树干呼吸及其同位素值的相关数据。9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述标准气体为C02体积浓度398.6ppm、13C同 位素比率为13.27%。，和C0 2体积浓度396.6ppm、13C同位素比率为29.66%。两种。10. 如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，利用多路器，测定1~6根树干上1~6个 树干气室内的气体，每个气室测定时间为5分钟，其中前2分钟用于稳定气路，对后3分钟的 测定进行记录，完成一轮测定后用标准气体进行一次校准。
【文档编号】G01N33/00GK105973817SQ201610306271
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】余新晓, 李瀚之, 贾国栋, 孙佳美, 路伟伟, 刘自强, 徐晓梧
【申请人】北京林业大学