開頂式氣室控制大氣co

開頂式氣室控制大氣co

1農(nóng)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(chǎn)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(yīng)”(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(yù)計到21世紀(jì)中葉將達到550μl·L-1,21世紀(jì)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(nóng)作物(尤其是C3植物)的生長發(fā)育和產(chǎn)量產(chǎn)生重要的影響,以及由此而導(dǎo)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響(主要包括對農(nóng)作物、植食性害蟲及其天敵三級營養(yǎng)層次之間相互關(guān)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。縱觀國內(nèi)外有關(guān)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(jīng)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(dāng)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(nóng)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(chǔ)上,尤其是借鑒國內(nèi)設(shè)計使用的此類裝置,設(shè)計了三套開頂式氣室,用于研究大氣CO2濃度升高對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、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(nèi)。2結(jié)構(gòu)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(nèi)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(yīng)時間<60s,年度漂移≤10μl·L-1,標(biāo)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(shè)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(nèi)的CO2濃度,每20min自動記錄1次CO2濃度值和氣室內(nèi)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(nèi)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(fēng)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(jié)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(fēng)等優(yōu)點。與王春乙等設(shè)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(shè)計氣室框架為鐵結(jié)構(gòu),正八邊形,高2.56m,每邊長為1.61m,相當(dāng)于直徑為4.20m的柱體結(jié)構(gòu)。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(cè)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(nèi)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(fēng)量、通風(fēng)能力換氣扇作為開頂式氣室的通風(fēng)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(yīng)滿足每分鐘2～3次的換氣要求,因此,該氣室通風(fēng)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(cè)因建水泥臺階便于開門未安裝)。每個氣室通風(fēng)換氣能力為14～113m3·min-1。滿足氣室的通風(fēng)換氣要求。3打開頂層通風(fēng)室的co濃度3.1氣室內(nèi)cod的分布和分布試驗空間內(nèi)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(shù)參數(shù)之一(表1,2)。氣室內(nèi)CO2分布越均勻,試驗的結(jié)果越可靠。為此,于3月7日～9日,在3個氣室內(nèi)同一高度分別在東西南北中方位各設(shè)5點,東西南北距中央點1m,共設(shè)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(jié)果表明,氣室內(nèi)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(nèi),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(jīng)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(guān)系的影響研究。1個對照(只通風(fēng)而不通CO2氣體),2個高CO2濃度處理(550和750μl·L-1)和1個農(nóng)田本底濃度(麥田自然狀況下CO2濃度)。氣室內(nèi)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(jié)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(dāng)?shù)亍俺炕鑹粲啊睍r間為準(zhǔn)。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(nèi)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(nèi),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(shè)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(nèi)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(fù)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(nèi)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(jīng)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(nèi)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(jīng)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(nèi)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(nèi)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)。可見,大氣CO2濃度升高可增溫、增濕。但經(jīng)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(fēng)換氣系統(tǒng)成效顯著。5氣室內(nèi)的cod-ro試驗研究該氣室是在借鑒國內(nèi)外同類設(shè)備的基礎(chǔ)上設(shè)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(gòu)成,使透光率更高,又便于清洗;通風(fēng)換氣系統(tǒng)的通風(fēng)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(jié)實耐用;通過CO2濃度測控系統(tǒng),實現(xiàn)了氣室內(nèi)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(nèi)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(nóng)田本底環(huán)境?？梢?該套裝置的性能達到甚至超過了國內(nèi)外設(shè)計并投入使用的開頂式氣室。當(dāng)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(nèi)的溫、濕度和風(fēng)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(nèi)植