单株尺度气体交换观测研究

单株树木CO2和H2O交换的研究对森林生态系统碳水循环的深入理解具有重要意义，而目前尚未有使用可靠、操作简便、商品化的成熟观测系统直接应用于单株尺度气体交换观测。 本研究基于国内外常用的美国LI-COR公司生产的Li-6400便携式光合仪，自行设计制作了两套箱式气体交换观测系统：闭路箱式气体交换观测系统和开路箱式气体交换观测系统。对这两套系统进行了调试和评价后，利用这两套系统，以长白山红松针阔叶林主要优势种水曲柳（Fraxinus mandshurica）为试验材料，探讨了单株CO2和H2O交换的日变化特征，并与单叶尺度气体交换结果进行了对比分析。主要结论有： 1）本研究设计制作的闭路和开路箱式气体交换观测系统具有经济实用，适用范围广、改造方便和操作简单等特点。实现了单株树木CO2和H2O气体浓度的同时观测，且能自动采集和存储数据，能够自动监测箱体空气温度、空气相对湿度、光合有效辐射和大气压等环境因子。 2）闭路箱式气体交换观测系统密闭性较好，但在测定过程中箱内气温和相对湿度会升高，其上升速率随着外界气温的升高而增加。基于仪器响应和环境控制等方面的考虑，该系统在应用时实际观测时间为200s，除去20s的混合响应时间，使用180s的数据。该系统环境控制标准为：箱内外温差 <3℃, 箱内外相对湿度差< 10%。 3）开路箱式气体交换观测系统在测定时箱内的环境因子与箱外接近，箱内外的气温和相对湿度差异都很小，与外界气温平均相差1℃以内，相对湿度的最大差异也仅为8.53%。确定开路系统的观测时间为600s，在数据处理过程中需要出气口气体浓度数据进行延迟处理。 4）冠层不同位置叶片的气体交换速率日变化特征为：垂直方向上，由下至上三个层次叶片的平均气体交换速率表现为第三层 >第一层 >第二层；水平方向上，东西南北四个方位叶片的平均净CO2交换速率表现为南向叶>西向叶>北向叶>东向叶，而平均H2O交换速率为西向叶> 南向叶>北向叶>东向叶。不同层次和不同方位叶片的气体交换日变化曲线的走势主要与光合有效辐射PAR和饱和水汽压差VPD的日变化有关，另外还与各叶片氮含量的差异也有关系。 5）闭路和开路箱式气体交换系统对水曲柳单株气体交换速率的日变化观测表明：两套系统内的环境因子基本得到了有效控制，但开路系统优于闭路系统。两套系统测定的单株尺度气体交换速率日变化趋势与各自当天的光合有效辐射变化相同，这与单叶尺度的气体交换表现一致。另外，单株尺度的CO2交换速率与光合有效辐射存在双曲线关系，而该尺度的H2O交换速率与PAR存在线性关系