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關(guān)于氣體緩沖器的若干問題

閱讀:5491        發(fā)布時間:2011/11/14
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關(guān)于氣體緩沖器的若干問題

 
*,在采用二氧化碳氣體交換法測定葉片光合速率時,大多數(shù)人認為要在引入的氣源和光合儀的進氣口之間接一“氣體緩沖器”。對緩沖器的置備,有多種設(shè)計方法。本文就“緩沖器”設(shè)計的意義、方法和效果等問題進行討論。
 
(一)光合速率測量時,為什么要求氣源中[CO2](二氧化碳濃度)必須穩(wěn)定
 
在使用氣體交換法測定葉片光合速率時,計算光合速率的簡單公式如下:
 

公式中Pn(為光合速率)與流量(F)和葉面積(A)有關(guān)。當FA設(shè)定后,可以視為常數(shù)。公式中的[CO2]參考氣[CO2]葉室氣是計算光合速率的兩個重要參數(shù)。目前,普遍采用非擴散紅外CO2分析儀測定二氧化碳濃度。如采用兩個分析器同時測量,可稱之為“雙分析器同步測量”;如采用一個分析器先后測量,可稱之為“單分析器分步測量”。后者,用一個CO2分析器,采用氣路切換的方法,先測量氣源中的[CO2]參考氣,再切換到葉室氣路中測量葉室出氣口的[CO2]葉室氣。但該方法有一個前提,即要求進入葉室的氣體與先一步直接測量的[CO2]參考氣數(shù)值不變。也就是說,在一次光合速率測量全過程中,氣源中[CO2]參考氣濃度穩(wěn)定不變,這樣才能得到正確的Δ[CO2],即[CO2]參考氣[CO2]葉室氣值。如果進入葉室的[CO2]比先前測得的[CO2]參考氣濃度升高,就加大了Δ[CO2],無形中使計算出的Pn值變大;反之,如進入葉室的[CO2]比先前測得的[CO2]參考氣降低,就減小了Δ[CO2]值,使計算得到的Pn值變小。

這就是為什么要求引入光合儀進氣口的氣源[CO2] 參考氣必須穩(wěn)定的道理。

采用“雙分析器同步測量”[CO2]參考氣[CO2]葉室氣,無需要求氣源穩(wěn)定。從理論上講,不考慮其它影響因素,兩個CO2分析器可以隨時反映出正確的Δ[CO2]值。因為,公式中需要的是Δ[CO2]值,進入?yún)⒈仁业?/span>[CO2]升高時,進入葉室的[CO2]值也會相應加大,而且是同步上升的;進入?yún)⒈仁业?/span>[CO2]降低時,進入葉室的[CO2]值也會相應減小,而且是同步下降的。所謂同步,不但是時間上一致,而且升降的高低值也是一樣的。所以,不會影響Δ[CO2]發(fā)生變化。

既然“雙分析器同步測量”獲取Δ[CO2]可以避免[CO2]波動對計算Pn值的影響,為什么許多光合儀還保留“單分析器分步測量”方法?這是一個非常值得思考和研究的問題。它不屬于本文所討論的范圍。

  
(二)氣源中[CO2]不穩(wěn)定對光合速率測定值有多大影響
 
在上一題討論中,我們引用了光合速率計算公式:
 
上式中為設(shè)定的定值,Pn值與Δ[CO2]成正比例關(guān)系。顯然Pn的誤差與Δ[CO2]的誤差有關(guān)。我們可以粗略地估算Δ[CO2]的誤差對Pn值誤差的影響。

例如:由于參考氣中[CO2]出現(xiàn)波動,在進行[CO2]參考氣測量時,和之后進入葉室時的[CO2],先后有1ppm變化,就會使Δ[CO2]增加或減小1ppm。在Δ[CO2]1ppm誤差時,Δ[CO2]值為5ppm,則引起的Pn值相對誤差為1/5,約20%。如果Δ[CO2]值為10ppm,則引起的Pn值誤差為1/10,即約有10%的誤差。如果Δ[CO2]20ppm,則Pn值誤差為5%。

又如,在上述舉例中,如果參考氣中[CO2]變動只有0.5ppm,那么,在光合速率測定時,如果Δ[CO2]分別為5、1020ppm時,由于氣源CO2濃度波動引起了Δ[CO2]誤差為0.5ppm,則形成的Pn值誤差將分別是10%5%2.5%。

在上個世紀的80年代初,由于便攜式CO2分析器的精度較差,那時的光合儀(包括商品生產(chǎn)的和實驗室組裝的)只能采用閉路測量,而且經(jīng)驗要求,使葉室中[CO2]要有40ppm的下降(Δ[CO2])為,為的就是減小Pn的誤差。盡管如此,在商品光合儀廣告宣傳資料中,儀器的技術(shù)參數(shù)也只能提供Pn值誤差為10%。(現(xiàn)在幾乎沒有廠家再提供該項技術(shù)參數(shù)了)。

在生理生態(tài)學研究工作中,使用目前各類光合儀測定葉片光合速率,可能引起的誤差原因很多,但一般說來,Pn值綜合誤差能達到5%應該是可能和允許的誤差值。為此,要盡可能地從各個方面減小可能產(chǎn)生的Pn值的誤差。如減少取樣樣本之間的差異、減小儀器本身的器差、減小觀測使用的誤差等。減小氣源的波動引起的誤差是其中一個方面,我們應設(shè)法盡量減少由于氣源中CO2濃度的波動引起“單分析器分步測量”法產(chǎn)生的Δ[CO2]誤差,從而減小Pn值的相對誤差。

順便提一下,為了減小由于氣源中[CO2]波動引起Pn值的相對誤差,增加Δ[CO2]是很有效的方法。目前“流行”的利用人工光源增加光合速率,提高Δ[CO2]是一種方法,但它在生理生態(tài)研究工作中有很大限制,甚至在大多數(shù)情況下,不盡合理;增加葉面積A,在同樣的光合速率下時,也可以加大Δ[CO2];適當?shù)販p小流量,也可以提高Δ[CO2]值,而基本不影響光合速率的測定。而提高Δ[CO2]值的方法不但在克服[CO2]氣源不穩(wěn)定時有作用,在減少各種儀器誤差和使用誤差等影響時也很有效。

 
(三)什么樣的氣源會出現(xiàn)[CO2]不穩(wěn)定的現(xiàn)象
 

在使用“單分析器分步測量”的光合儀進行光合速率測量時,氣源的穩(wěn)定非常重要。在多數(shù)情況下,光合速率測定的不穩(wěn)定原因,往往是忽視了氣源的穩(wěn)定性。

接光合儀進氣口的導氣軟管的進氣端所處位置,就是氣源所在地。氣源所在地空氣中的[CO2]波動大小決定了氣源的穩(wěn)定性。下列原因可以造成氣源的不穩(wěn)定:

1.導氣軟管的進氣口放在地面上,由于土壤呼吸,會使貼地氣層[CO2]產(chǎn)生波動。

2.導氣軟管的進氣口放在草叢或樹冠中,植物的光合和呼吸會使空氣中[CO2]產(chǎn)生波動。

3.在貼進冠層的氣層內(nèi),或冠層上方,也會使空氣中的[CO2]也產(chǎn)生波動。

4.在觀測點附近有煙囪、汽車行駛或有人群乃至單人行走時,由于有CO2釋放,在其下風向,[CO2]會產(chǎn)生很大波動。

5.觀測人員位于氣源的上風向操作時,觀測人員呼出的[CO2]會擴散到氣源處。

6.在室內(nèi)觀測,將導氣管伸向窗外時,如距窗口太近,尤其是放在窗口的上部位置時,室內(nèi)[CO2]較高的氣流,沿窗口上沿流出時,會導致氣源CO2明顯不穩(wěn)定。

7.在室內(nèi)觀測,將導氣管伸向窗外,而對應樓下房間的窗戶開著,室內(nèi)有人,尤其是有大量學生上課時,氣源[CO2]的變動較大。

8.其它。

由于CO2是無色的氣體,所以,我們不易觀察到它的流動和變化狀況。其實空氣中的任何氣體在流動過程中,對某一定點位置而言,其濃度都會有變化。就像一股股煙、塵、霧團,我們?nèi)庋鬯姷降哪菢印T诖髿饬鲃又?,不時地會有由某些CO2源如燃燒、動物呼吸釋放出CO2,或由CO2吸收物質(zhì)如植物、水面吸收掉CO2,自然就會使空氣中[CO2] 變化。這種變化有大小不同的周期和變幅。

根據(jù)我們的實際應用要求,如果[CO2]的變化緩慢,周期很長(>2分鐘),而在1~2分鐘內(nèi)緩慢地單向變化0.5ppm或更小時,而光合觀測時Δ[CO2]大于10ppm時,它所引起的Pn值誤差應該可以滿足生理生態(tài)學的實際要求。如果在1~2分鐘內(nèi)短周期的快速變化且變幅在1ppm以下,乃至0.5ppm時,也可滿足一般植物生理生態(tài)學的實際要求。

空氣中CO2濃度不穩(wěn)定是的,穩(wěn)定是相對的。我們要做的事情是把空氣中的CO2變動,通過緩沖器控制在“允許的范圍”之內(nèi)。而所能允許的該變動的大小,還要與其它因素相配合才能進行科學的判斷。

 
(四)緩沖器的設(shè)計
 

為了消除空氣中CO2濃度的波動,使進入光合儀的空氣中[CO2]參考氣室穩(wěn)定,“氣體緩沖器”是目前光合測量儀器普遍采用的方法。

雅欣理儀科技有限公司,根據(jù)本公司研制生產(chǎn)的系列光合儀產(chǎn)品特點,綜合考慮三方面的因素,一是氣源CO2波動的變幅與周期;二是氣路系統(tǒng)中的流量;三是緩沖器的容積而設(shè)計了配置較為合理的“氣體緩沖器”方案。

1.主要材料

    緩沖室體積:1.53.0

    緩沖室空氣混合:選用與容積尺寸相適應的直流風扇。

    緩沖室材料:不吸收水分、不吸附CO2的不銹鋼材料或其它代用品。

    進、出氣接口:選用封閉良好、連接方便的銅質(zhì)接氣嘴。并配合緩沖器內(nèi)氣流狀況,進行合理的定位。

2.工作原理

將外界氣源由導氣軟管引入緩沖器,在風扇的攪動下與緩沖器內(nèi)原有的氣體混合,再從緩沖器出口引出后,引入到光合儀上的進氣口。當進入緩沖器的氣源氣中[CO2] 有較大的波動時,經(jīng)與緩沖器內(nèi)原有氣體充分攪拌混合后,使出氣口氣體中CO2濃度變?yōu)檩^小的波動,該波動控制在我們測量光合速率所能允許的范圍之內(nèi)。

 
(致用戶:如果您有什么見解,請與我們,共同探討)

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