[发明专利]一种测定植物冠层光合、呼吸、蒸腾或/和土壤呼吸、蒸发的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种测定植物冠层光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发的方法及其装置，通过测定植物冠层在光照、黑暗以及相应裸地情况下不同箱体内CO₂、H₂O浓度的变化，测定植物冠层的光合、呼吸、蒸腾和土壤的呼吸、蒸发，实现对农田净初级生产力中植物光合、植物呼吸、土壤呼吸各项以及农田蒸散中植物蒸腾、土壤蒸发的测定与拆分，属于生物学和地学研究方法和仪器领域。

技术背景

光合作用是绿色植物利用光能将CO₂和水等无机物合成有机物并释放氧气的过程；蒸腾作用是水分从活的植物体表面(主要是叶子)以水蒸汽状态散失到大气中的过程；土壤呼吸是指土壤产生和向大气释放CO₂的过程；土壤蒸发是土壤水分从土壤表面扩散到大气的过程；植物的呼吸作用是植物维持自身生命活动消耗有机物并向大气释放CO₂的过程。植物光合作用是陆地生态系统生产力形成与演化的基础，植物生产力水平的高低，直接反映其为人类生存提供产品的能力，土壤呼吸对大气CO₂浓度变化有着重要影响。土壤呼吸发生的任何变化都将进一步影响到全球的碳循环，因此植物的光合、呼吸与土壤呼吸是决定陆地生态系统碳平衡的主要因子，直接影响全球碳循环过程。蒸散作用是水分在土壤-植物-大气系统运移的驱动力，直接影响生态系统水热平衡。植物水分利用效率的高低取决于光合作用碳同化和农田水分蒸散作用两个耦合过程。准确测定植物冠层光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发可以为净生态系统生产力、总生态系统生产力的估算以及植物蒸腾、土壤蒸发的定量区分提供依据，也作为提高植物水分利用效率、发展节水农业研究的重要生理基础。可以测定其中一项或多项的测定方法主要有：

涡度相关法：是随着微气象学理论地进步而发展起来的一种方法。该方法利用涡度相关系统测定的CO₂通量和生态系统蒸散。其中CO₂通量测定依赖对其脉动的捕捉而获得，生态系统蒸散则通过地气系统能量平衡计算出潜热通量LE，再由公式ET＝LE/L＝LE/(2500-2.4t)计算得到。该方法也是对气体交换的瞬时测定，但由于可以对生态系统气体交换进行连续自动测定，也可以捕捉生态系统气体交换特征的时空变化特征。该方法是对生态系统整体行为的测定，克服了对个体测定所带来的误差。但该方法只能定点测定通量塔所在的生态系统，不能移动，测定得到的数据是生态系统CO₂和水汽的净交换量，不能实现对植物冠层群体光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发各个组分的拆分。同时，由于涡度相关系统测定依赖于均一广阔的下垫面，测定数据也是整个生态系统行为的综合体现，因此不能用于个体植株和部分小群体光合、蒸腾等的测定。

红外气体分析法：通常是采用光合-蒸腾仪测定植物瞬时的光合速率和蒸腾速率。随着红外技术的发展，红外气体分析法在叶片气体交换测定中的应用也越来越广泛。目前比较常用的有ADC公司的LCA-III型、LCA-IV型，美国LICOR公司的LI-6200和LI-6400，CID公司的CI-301PS、CI-510和CI-310。红外气体分析法具有原理可靠、测量较准确、灵敏度高、反应速率快、响应时间短，可快速跟踪CO₂和水汽浓度的变化、不破坏植株材料、易实现自动化、智能化的优点。其缺点是得到的水分利用效率只代表某特定时间内植物部分叶片的行为。该缺点的产生在于上述光合-蒸腾仪的叶室是根据阔叶植物的单个叶片来设计的，不能满足测定不同种类、叶片形状以及群体条件下植物光合-蒸腾的要求。为了测定植物的群体光合，PP Systems科学仪器公司采用透明聚乙烯的圆柱状大口杯倒扣起来制成简易的冠层叶室，但由于密封性差、气路易受影响等原因，给测定结果带来极大误差。上海交通大学发明了一种冠层叶室，用于测定植物冠层群体光合作用，该叶室为静态叶室，不能连续测定，不能实现对植物冠层群体光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发各个组分的拆分。

此外，氧电极法可以测定叶绿体的光合能力，静态或动态气室法可以测定土壤呼吸，蒸渗仪法、波文比法可以测定生态系统蒸散。但这些方法不能或者不能同时测定植物冠层群体光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发，也不能实现对植物冠层群体光合、呼吸、蒸腾和土壤呼吸、蒸发各个组分的拆分。

发明内容