关于气体缓冲器的若干问题
众所周知，在采用二氧化碳气体交换法测定叶片光合速率时，大多数人认为要在引入的气源和光合仪的进气口之间接一“气体缓冲器”。对缓冲器的置备，有多种设计方法。本文对“缓冲器”设计的意义、方法和效果等问题进行讨论。
（一） 光合速率测量时，为什么要求气源中[CO2]必须稳定
（二） 气源中[CO2]不稳定对光合速率测定值有多大影响
（三） 什么样的气源会出现[CO2]不稳定的现象
（四） 缓冲器的设计
（一）光合速率测量时，为什么要求气源中[CO2]必须稳定
在使用气体交换法测定叶片光合速率时，计算光合速率的简单公式如下：
公式中.jpg) 为与流量（F）和叶面积（A）有关系的参数，当其设定后，可以视为常数。公式中的[CO2]，目前，普遍采用非扩散红外CO2分析仪测定。其中 [CO2]参考气和[CO2]叶室气（也叫样本气）如采用两个分析器分别测量，可称之为双分析器同步测量；也可以采用一个分析器先后测量，可称之为单分析器分步测量。后者用一个CO2分析器采用气路切换的方法，先测量[CO2]参考气；再切换到叶室气路中测量叶室出气口的[CO2]叶室气。这种方法有一个前提，即要求进入叶室的气体与先一步直接测量的[CO2]参考气数值一定。即要求在此次光合速率测量全过程中，[CO2]参考气浓度稳定不变。这样才能得到正确的Δ[CO2]。如果进入叶室的[CO2]比先前测得的[CO2]参考气浓度升高，就加大了Δ[CO2]，无形中使计算出的Pn值变大；反之，如进入叶室的[CO2]比先前测得的[CO2]参考气降低，就减小了Δ[CO2]值，使计算得到的Pn值变小。
这就是为什么要求引入光合仪进气口的气源[CO2]必须稳定的道理。
采用双分析器同步测量[CO2]参考气和[CO2]叶室气，无需要求气源稳定，从理论上讲，不考虑其它影响因素，两个CO2分析器可以随时反映出正确的Δ[CO2]值。因为，公式中需要的是Δ[CO2]值，进入参比室的[CO2]升高时，进入叶室的[CO2]值也会相应加大，而且是同步上升；进入参比室的[CO2]降低时，进入叶室的[CO2]值也会相应减小，而且是同步下降。所谓同步，不但是时间上一致，而且升降的高低值也是一样的。所以，不会影响Δ[CO2]发生变化。
既然双分析器同步测量获取Δ[CO2]可以避免[CO2]波动对计算Pn值的影响？为什么许多光合仪还保留单分析器分步测量方法？这是一个非常重要的问题。它不属于缓冲器问题讨论范围，我们将另立题目讨论。
（二）气源中[CO2]不稳定对光合速率测定值有多大影响
在上一题讨论中，我们引用了光合速率计算公式：
上式中.jpg) 为设定的定值，Pn值与Δ[CO2]成正比例关系。显然Pn的误差与Δ[CO2]的误差有关。我们可以粗略地估算Δ[CO2]的误差对Pn值误差的影响。
例如：由于参考气[CO2]出现波动，在进行[CO2]参考气测量时，和进入叶室时，先后有1ppm变化，就会使Δ[CO2]增加或减小1ppm。在Δ[CO2]有1ppm误差时，如Δ[CO2]值为5ppm，则引起的Pn值误差为1/5，约20%。如果Δ[CO2]值为10ppm，则引起的Pn值误差为1/10，即约有10%的误差。如果Δ[CO2]为20ppm，则Pn值误差为5%。
又如，在上述举例中，如果参考气[CO2]变动只有0.5ppm，那么，在光合速率测定时，如果Δ[CO2]分别为5、10、20ppm时，由于气源CO2浓度波动引起了Δ[CO2]误差为0.5ppm，形成的Pn值误差将分别是10%，5%和2.5%。
在生理生态学研究工作中，使用目前各类光合仪测定叶片光合速率，可能引起的误差原因很多，但一般说来，Pn值综合误差能达到5%应该是可能和允许的误差值。为此，要尽可能地从各个方面减小可能产生的误差。如减少取样样本之间的差异、减小仪器本身的器差、减小观测使用的误差等。减小气源的波动引起的误差是其中一个方面，我们应设法尽量减少由于气源中CO2浓度的波动，引起单分析器分步测量产生的Δ[CO2]误差，从而减小Pn值的误差。
顺便提一下，为了减小由于气源中[CO2]波动引起Pn值的相对误差，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]是一种方法，但它在生理生态研究工作中有很大限制，甚至大多数情况下，不尽合理；增加叶面积A，在同样的光合速率下时，也可以加大Δ[CO2]；适当地减小流量，也可以提高Δ[CO2]值，而基本不影响光合速率的测定。提高Δ[CO2]值的方法不但在克服[CO2]气源不稳定时有作用，在减少仪器误差等影响时也很有效。
（三）什么样的气源会出现[CO2]不稳定的现象
在使用单分析器分步测量的光合仪进行光合速率测量时，气源的稳定非常重要。在多数情况下，光合速率测定的不稳定原因，往往是忽视了气源的稳定性。
接光合仪进气口导气软管的进气端所处位置，就是气源所在地。气源所在地空气中的[CO2]波动与否决定了气源的稳定性。下列原因可以造成气源的不稳定：
1．进气口放在地面上，土壤呼吸受风的影响，风的阵性，会使贴地气层[CO2]产生波动。
2．进气口放在草丛或树冠中，植物的光合和呼吸会使空气中[CO2]产生波动。
3．在农田上方，在贴进冠层的气层内，空气中的[CO2]也会有波动。
4．在观测点附近有烟囱、汽车行驶或有人群乃至单人行走时，由于有CO2释放，在其下风向[CO2]会产生很大波动。
5．观测人员位于气源的上风向操作时，观测人员呼出的[CO2]会扩散到气源处。
6．在室内观测，将导气管伸向窗外时，如距窗口太进，尤其是放在窗口的上部位置时，室内[CO2]较高的气流沿窗口上沿流出时，会导致气源CO2明显不稳定。
7．在室内观测，将导气管伸向窗外，而对应楼下房间的窗户开着，室内又有人，尤其是有大量学生上课时，气源[CO2]的变动较大。
8．其它等等。
由于CO2是无色的气体，所以，我们不易观察到它的流动和变化状况。其实空气中的任何气体在流动过程中，对某一定点位置而言，其浓度都会有变化。就像一股股烟、尘、雾团，我们肉眼所见到的那样。在大气流动中，不时地会有由某些CO2源如燃烧、动物呼吸释放出CO2或由CO2吸收物质如植物、水面吸收掉CO2，自然就会使空气中CO2变化。这种变化有大小不同的周期和变幅。
根据我们的实际应用要求，如果[CO2]的变化缓慢，周期很长，而在1~2分钟内缓慢变化不到1ppm乃至0.5ppm或更小时，而光合观测时Δ[CO2]大于10ppm时，它所引起的Pn值误差应该可以满足生理生态学的实际要求。如果在1~2分钟内短周期的快速变化且变幅在1ppm以下，乃至0.5ppm时，也可满足实际要求。
空气中CO2浓度不稳定是绝对的，稳定是相对的。我们要做的事情是把空气中的CO2变动，通过缓冲器控制在允许的范围之内。而所能允许的该变动的大小，还要与其它因素相配合才能进行科学的判断。
（四）缓冲器的设计
为了消除空气中CO2浓度的波动，使进入光合仪的[CO2]稳定，“缓冲器”是目前光合测量仪器普遍采用的方法。
雅欣理仪科技有限公司，根据本公司研制生产的系列光合仪产品特点，综合考虑三方面的因素，一是气源CO2波动的变幅与周期；二是气路系统中的流量；三是缓冲器的容积。设计了配置较为合理的“气体缓冲器”方案。
（一）主要材料
① 缓冲室体积：1.5升到3.0升。
② 缓冲室空气混合：选用与容积尺寸相应的直流风扇。
③ 缓冲室材料：不吸收水分、不吸附CO2的不锈钢管材或其它代用品。
④ 进、出气接口：选用封闭良好、连接方便的铜质接气嘴。并配合缓冲器内气流状况，进行合理的定位。
（二）工作原理
将外界气体由导气软管引入缓冲器，在风扇的搅动下与缓冲器内原有的气体混合后，再从缓冲器出口引出，进入到光合仪中。当进入缓冲器的气源气中CO2有较大的波动时，经与缓冲器内原有气体，充分搅拌混合后，使出气口气体中CO2浓度变为较小的波动，该波动控制在我们测量光合速率所能允许的范围之内。通常控制在CO2浓度波动在0.5ppm以下是很容易做到的。
（致用户：如果您有什么见解，请与我们联系，共同探讨）
|
.jpg)
.jpg)